Android进阶——Android跨进程通讯机制之Binder

作者: jett老师 | 来源:发表于2020-04-20 09:51 被阅读0次

前言

Binder机制是Android系统提供的跨进程通讯机制，这篇文章开始会从Linux相关的基础概念知识开始介绍，从基础概念知识中引出Binder机制，归纳Binder机制与Linux系统的跨进程机制的优缺点，接着分析Binder的通信模型和原理，而Binder机制最佳体现就是AIDL，所以在后面会分析AIDL的实现原理，最后简单的提下AMS的Binder体系，整篇文章中间会穿插有IBinder、Binder、Parcel的介绍，整篇文章阅读难度不大，不会涉及到framework层的Binder原理，AIDL部分需要有AIDL的使用基础

基础概念

基础概念部分介绍Linux的某些机制，主要想表达Binder驱动的出现的原因，如果对Linux熟悉的可以直接跳过这部分，看第五点即可

一、进程隔离

出于安全考虑，一个进程不能操作另一个进程的数据，进而一个操作系统必须具备进程隔离这个特性。在Linux系统中，虚拟内存机制为每个进程分配了线性连续的内存空间，操作系统将这种虚拟内存空间映射到物理内存空间，每个进程有自己的虚拟内存空间，进而不能操作其他进程的内存空间，每个进程只能操作自己的虚拟内存空间，只有操作系统才有权限操作物理内存空间。

进程隔离保证了每个进程的内存安全，但是在大多数情形下，不同进程间的数据通讯是不可避免的，因此操作系统必须提供跨进程通信机制

二、用户空间和内核空间

用户空间：表示进程运行在一个特定的操作模式中，没有接触物理内存或设备的权限
内核空间：表示独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限

三、系统调用/内核态/用户态

抽象来看，操作系统中安全边界的概念就像环路的概念一样(前提是系统支持这种特性)，一个环上持有一个特定的权限组，Intel 支持四层环，但是 Linux 只使用了其中的两环(0号环持有全部权限，3号环持有最少权限，1号和2号环未使用)，系统进程运行在1号环，用户进程运行在３号环，如果一个用户进程需要其他高级权限，其必须从３号环过渡成０号环，过渡需要通过一个安全参数检查的网关，这种过渡被称为系统调用，在执行过程中会产生一定数量的计算开销。所以，用户空间要访问内核空间的唯一方式就是系统调用(System Call)

四、内核模块/驱动

通过系统调用，用户空间可以访问内核空间，它是怎么做到访问内核空间的呢？Linux的动态可加载内核模块机制解决了这个问题，模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。这样，Android系统可以通过添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间的通过这个模块作为桥梁，就可以完成通信了。在Android系统中，这个运行在内核空间的，负责各个用户进程通过Binder通信的内核模块叫做Binder驱动

五、简单的总结

将前面的所有概念连接起来理解就会非常好消化知识点：

1.Linux的虚拟内存机制导致内存的隔离，进而导致进程隔离
2.进程隔离的出现导致对内存的操作被划分为用户空间和内核空间
3.用户空间需要跨权限去访问内核空间，必须使用系统调用去实现
4.系统调用需要借助内核模块/驱动去完成

前三步决定了进程间通讯需要借助内核模块/驱动去实现，而Binder驱动就是内核模块/驱动中用来实现进程间通讯的

为什么要用Binder

Linux提供有管道、消息队列、信号量、内存共享、套接字等跨进程方式，那为什么Android要选择Binder另起炉灶呢？

一、传输性能好

Socket：是一个通用接口，导致其传输效率低，开销大
共享内存：虽然在传输时不需要拷贝数据，但其控制机制复杂
Binder：复杂数据类型传递可以复用内存，需要拷贝1次数据
管道和消息队列：采用存储转发方式，至少需要拷贝2次数据，效率低

二、安全性高

传统的进程：通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，只有在上层协议上进行架设
Binder机制：从协议本身就支持对通信双方做身份校检，因而大大提升了安全* 性

Binder通信模型

首先在理解模型之前先熟悉这几个概念：

Client进程：跨进程通讯的客户端（运行在某个进程）
Server进程：跨进程通讯的服务端（运行在某个进程）
Binder驱动：跨进程通讯的介质
ServiceManager：跨进程通讯中提供服务的注册和查询（运行在System进程）

这里只是个简单的模型而已，只需理解模型的通讯流程：

1.Server端通过Binder驱动在ServiceManager中注册
2.Client端通过Binder驱动获取ServiceManager中注册的Server端
3.Client端通过Binder驱动和Server端进行通讯

Binder通信原理

理解完模型流程之后，开始理解模型的通讯原理：

1.Service端通过Binder驱动在ServiceManager的查找表中注册Object对象的add方法
2.Client端通过Binder驱动在ServiceManager的查找表中找到Object对象的add方法，并返回proxy对象的add方法，add方法是个空实现，proxy对象也不是真正的Object对象，是通过Binder驱动封装好的代理类的add方法
3.当Client端调用add方法时，Client端会调用proxy对象的add方法，通过Binder驱动去请求ServiceManager来找到Service端真正对象，然后调用Service端的add方法

Binder对象和Binder驱动

Binder对象：Binder机制中进行进程间通讯的对象，对于Service端为Binder本地对象，对于Client端为Binder代理对象
Binder驱动：Binder机制中进行进程间通讯的介质，Binder驱动会对具有跨进程传递能力的对象做特殊处理，自动完成代理对象和本地对象的转换

由于Binder驱动会对具有跨进程传递能力的对象做特殊处理，自动完成代理对象和本地对象的转换，因此在驱动中保存了每一个跨越进程的Binder对象的相关信息，Binder本地对象（或Binder实体）保存在binder_node的数据结构，Binder代理对象（或Binder引用/句柄）保存在binder_ref的数据结构

Java层的Binder

Binder类：是Binder本地对象
BinderProxy类：是Binder类的内部类，它代表远程进程的Binder对象的本地代理
Parcel类：是一个容器，它主要用于存储序列化数据，然后可以通过Binder在进程间传递这些数据
IBinder接口：代表一种跨进程传输的能力，实现这个接口，就能将这个对象进行跨进程传递
IInterface接口：client端与server端的调用契约，实现这个接口，就代表远程server对象具有什么能力，因为IInterface接口的asBinder方法的实现可以将Binder本地对象或代理对象进行返回

Binder类和BinderProxy类都继承自IBinder，因而都具有跨进程传输的能力，在跨越进程的时候，Binder驱动会自动完成这两个对象的转换。IBinder是远程对象的基本接口，是为高性能而设计的轻量级远程调用机制的核心部分，但它不仅用于远程调用，也用于进程内调用。IBinder接口定义了与远程对象交互的协议，建议不要直接实现这个接口，而应该从Binder派生。Binder实现了IBinder接口，但是一般不需要直接实现此类，而是跟据你的需要由开发包中的工具生成，这个工具叫aidi。你通过aidi语言定义远程对象的方法，然后用aidi工具生成Binder的派生类，然后使用它

AIDL

由于编译工具会给我们生成一个Stub的静态内部类，这个类继承了Binder, 说明它是一个Binder本地对象，它实现了IInterface接口，表明它具有远程Server承诺给Client的能力

一、服务端

在服务端中，我们只要实现Stub抽象类，和实现其方法即可

private IBinder myS = new IMyAidlInterface.Stub() {  
    @Override  
    public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, String aString) throws RemoteException {  

    }  

    @Override  
    public int add(int num1, int num2) throws RemoteException {  
        Log.i("Hensen", "从客户端发来的AIDL请求:num1->" + num1 + "::num2->" + num2);  
        return num1 + num2;  
    }  
};

二、客户端

在客户端中，可以通过bindService的回调中获取AIDL接口

private ServiceConnection conn = new ServiceConnection() {  
    @Override  
    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {  
        iMyAidlInterface = IMyAidlInterface.Stub.asInterface(service);  
    }  

    @Override  
    public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {  
        iMyAidlInterface = null;  
    }  
};

public void add(View view) {  
    try {  
        int res = iMyAidlInterface.add(1, 2);  
        Log.i("Hensen", "从服务端调用成功的结果：" + res);  
    } catch (RemoteException e) {  
        e.printStackTrace();
    }
}

梳理客户端的调用流程：

1.调用Stub.asInterface获取BinderProxy对象
2.调用BinderProxy对象的add方法

三、分析原理

1、Stub

Stub类继承自Binder，意味着这个Stub其实自己是一个Binder本地对象，然后实现了IMyAidlInterface接口，IMyAidlInterface本身是一个IInterface，因此他携带某种客户端需要的能力（这里是方法add)。此类有一个内部类Proxy，也就是Binder代理对象

/* 
 * This file is auto-generated.  DO NOT MODIFY. 
 * Original file: D:\\workspace5\\Boke\\app\\src\\main\\aidl\\com\\handsome\\boke\\IMyAidlInterface.aidl 
 */  
package com.handsome.boke;  
// Declare any non-default types here with import statements  

public interface IMyAidlInterface extends android.os.IInterface {  
    /** 
     * Local-side IPC implementation stub class. 
     */  
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.handsome.boke.IMyAidlInterface {  
        private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.handsome.boke.IMyAidlInterface";  

        /** 
         * Construct the stub at attach it to the interface. 
         */  
        public Stub() {  
            this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);  
        }  

        /** 
         * Cast an IBinder object into an com.handsome.boke.IMyAidlInterface interface, 
         * generating a proxy if needed. 
         */  
        public static com.handsome.boke.IMyAidlInterface asInterface(android.os.IBinder obj) {  
            if ((obj == null)) {  
                return null;  
            }  
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);  
            if (((iin != null) && (iin instanceof com.handsome.boke.IMyAidlInterface))) {  
                return ((com.handsome.boke.IMyAidlInterface) iin);  
            }  
            return new com.handsome.boke.IMyAidlInterface.Stub.Proxy(obj);  
        }  

        @Override  
        public android.os.IBinder asBinder() {  
            return this;  
        }  

        @Override  
        public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {  
            switch (code) {  
                case INTERFACE_TRANSACTION: {  
                    reply.writeString(DESCRIPTOR);  
                    return true;  
                }  
                case TRANSACTION_basicTypes: {  
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
                    int _arg0;  
                    _arg0 = data.readInt();  
                    long _arg1;  
                    _arg1 = data.readLong();  
                    boolean _arg2;  
                    _arg2 = (0 != data.readInt());  
                    float _arg3;  
                    _arg3 = data.readFloat();  
                    double _arg4;  
                    _arg4 = data.readDouble();  
                    java.lang.String _arg5;  
                    _arg5 = data.readString();  
                    this.basicTypes(_arg0, _arg1, _arg2, _arg3, _arg4, _arg5);  
                    reply.writeNoException();  
                    return true;  
                }  
                case TRANSACTION_add: {  
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
                    int _arg0;  
                    _arg0 = data.readInt();  
                    int _arg1;  
                    _arg1 = data.readInt();  
                    int _result = this.add(_arg0, _arg1);  
                    reply.writeNoException();  
                    reply.writeInt(_result);  
                    return true;  
                }  
            }  
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);  
        }  

        private static class Proxy implements com.handsome.boke.IMyAidlInterface {  
            private android.os.IBinder mRemote;  

            Proxy(android.os.IBinder remote) {  
                mRemote = remote;  
            }  

            @Override  
            public android.os.IBinder asBinder() {  
                return mRemote;  
            }  

            public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {  
                return DESCRIPTOR;  
            }  

            /** 
             * Demonstrates some basic types that you can use as parameters 
             * and return values in AIDL. 
             */  
            @Override  
            public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, java.lang.String aString) throws android.os.RemoteException {  
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
                try {  
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
                    _data.writeInt(anInt);  
                    _data.writeLong(aLong);  
                    _data.writeInt(((aBoolean) ? (1) : (0)));  
                    _data.writeFloat(aFloat);  
                    _data.writeDouble(aDouble);  
                    _data.writeString(aString);  
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_basicTypes, _data, _reply, 0);  
                    _reply.readException();  
                } finally {  
                    _reply.recycle();  
                    _data.recycle();  
                }  
            }  

            @Override  
            public int add(int num1, int num2) throws android.os.RemoteException {  
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
                int _result;  
                try {  
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
                    _data.writeInt(num1);  
                    _data.writeInt(num2);  
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);  
                    _reply.readException();  
                    _result = _reply.readInt();  
                } finally {  
                    _reply.recycle();  
                    _data.recycle();  
                }  
                return _result;  
            }  
        }  

        static final int TRANSACTION_basicTypes = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);  
        static final int TRANSACTION_add = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);  
    }  

    /** 
     * Demonstrates some basic types that you can use as parameters 
     * and return values in AIDL. 
     */  
    public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, java.lang.String aString) throws android.os.RemoteException;  

    public int add(int num1, int num2) throws android.os.RemoteException;  
}

2、asInterface

当客户端bindService的onServiceConnecttion的回调里面，通过asInterface方法获取远程的service的。其函数的参数IBinder类型的obj，这个对象是驱动给我们的，如果是Binder本地对象，那么它就是Binder类型，如果是Binder代理对象，那就是BinderProxy类型。asInterface方法中会调用queryLocalInterface，查找Binder本地对象，如果找到，说明Client和Server都在同一个进程，这个参数直接就是本地对象，直接强制类型转换然后返回，如果找不到，说明是远程对象那么就需要创建Binder代理对象，让这个Binder代理对象实现对于远程对象的访问

/** 
 * Cast an IBinder object into an com.handsome.boke.IMyAidlInterface interface, 
 * generating a proxy if needed. 
 */  
public static com.handsome.boke.IMyAidlInterface asInterface(android.os.IBinder obj) {  
    if ((obj == null)) {  
        return null;  
    }  
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);  
    if (((iin != null) && (iin instanceof com.handsome.boke.IMyAidlInterface))) {  
        return ((com.handsome.boke.IMyAidlInterface) iin);  
    }  
    return new com.handsome.boke.IMyAidlInterface.Stub.Proxy(obj);  
}

3、add

当客户端调用add方法时，首先用Parcel把数据序列化，然后调用mRemote.transact方法，mRemote就是new Stub.Proxy(obj)传进来的，即BinderProxy对象

@Override  
public int add(int num1, int num2) throws android.os.RemoteException {  
    android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
    android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
    int _result;  
    try {  
        _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
        _data.writeInt(num1);  
        _data.writeInt(num2);  
        mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);  
        _reply.readException();  
        _result = _reply.readInt();  
    } finally {  
        _reply.recycle();  
        _data.recycle();  
    }  
    return _result;  
}

4、transact

BinderProxy的transact方法是native方法，它的实现在native层，它会去借助Binder驱动完成数据的传输，当完成数据传输后，会唤醒Server端，调用了Server端本地对象的onTransact函数

public native boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply,
            int flags) throws RemoteException;

5、onTransact
在Server进程里面，onTransact根据调用code会调用相关函数，接着将结果写入reply并通过super.onTransact返回给驱动，驱动唤醒挂起的Client进程里面的线程并将结果返回

@Override  
public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {  
    switch (code) {  
        case INTERFACE_TRANSACTION: {  
            reply.writeString(DESCRIPTOR);  
            return true;  
        }  
        case TRANSACTION_add: {  
            data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
            int _arg0;  
            _arg0 = data.readInt();  
            int _arg1;  
            _arg1 = data.readInt();  
            int _result = this.add(_arg0, _arg1);  
            reply.writeNoException();  
            reply.writeInt(_result);  
            return true;  
        }  
    }  
    return super.onTransact(code, data, reply, flags);  
}

6、题外话

为什么生成的文件不直接分为1个接口，2个类，清晰明了。Android这样子设计是有道理的，当有多个AIDL文件时候，Stub和Proxy类就会重名，把它们放在各自的AIDL接口中，就区分开来了

AMS的Binder体系

AMS是Android中最核心的服务，主要负责系统中四大组件的启动、切换、调度及应用进程的管理和调度等工作，从图中可以看出：

结语

这里只是简单的理解下Binder机制的基本原理，后续有时间会研究framework层的知识，如果有兴趣的同学可以不依赖AIDL工具，手写远程Service完成跨进程通信，这样就可以加深对AIDL和Binder的理解，个人觉得这样是最好的记忆方式，一起来写吧

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Android进阶——Android跨进程通讯机制之Binder

前言

基础概念

为什么要用Binder

Binder通信模型

Binder通信原理

Binder对象和Binder驱动

Java层的Binder

AIDL

AMS的Binder体系

结语

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