Android 的整体架构

为了让大家更好的理解Binder机制，我们先来看下Android的整体架构；这样大家就知道在Android架构中Binder处于什么地位

下面是官网上的图片：

从下往上依次为：

● 内核层： Linux内核和各类硬件设备的驱动，这里需要注意的是，Binder IPC驱动也是这一层的实现，比较特殊

● 硬件抽象层： 封装"内核层"硬件驱动，提供可供"系统服务层"调用的统一硬件接口

● 系统服务层： 提供核心服务，并且提供可供"应用程序框架层"调用的接口

● Binder IPC 层： 作为"系统服务层"与"应用程序框架层"的IPC桥梁，相互传递接口调用的数据，实现跨进程的通信

● 应用程序框架层： 这一层可以理解为Android SDK，提供四大组件，View绘制等平时开发中用到的基础部件

Binder是Android系统进程间通信（IPC）最重要的方式，要想了解Android的系统原理，必须要先对Binder框架有一定的理解

Binder 是什么？

Binder 可以理解为能在进程间进行 "通信" 的对象,这个通信不是指在不同进程中操作同一个对象，而应理解为一种通信协议

Binder 的引入背景

传统的进程间通信方式有管道，消息队列，共享内存等

其中管道，消息队列采用存储—转发方式； 即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程

共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用； socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信；Binder通过内存映射的方式，使数据只需要在内存进行一次读写过程

内存映射，简而言之就是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间； 映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，相反，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间；那么对于内核空间<---->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的

Binder 的通信模型

主要分为4个部分 Binder 驱动,Client，Server,ServiceManager（SM）

其中Client，Server,ServiceManager（SM）指的是用户空间； 并且分别在不同的进程。Binder驱动是内核空间，Binder驱动是一段c语言实现的代码

服务分系统服务和本地服务； 系统服务一般指设备开机时就创建供所有应用使用的服务，如AMS，PMS等，本地服务一般指本地创建的Service，一般供当前应用使用

由上图可以看出Binder通信的流程是这样的：

● 首先不同的服务Server一般为service需要先在SM上进行注册

● Client想获取服务时，先到SM上通过服务名请求服务

● 得到对应的服务的引用，通过这个引用进行进一步的通信

由于Client、Server、SM不在同一个进程，所以都需要借助Binder驱动完成通信； 这其中有几个关键点。先明确几个概念，Binder Server对象是指真正的进行服务的对象，Biner内核对象是根据Binder Server对象在内核空间的一种表述方式，因为语言层面不同，所以具体的表现形式也不同

比如用应用层表现为Java类或C++类，在内核层表现为结构体了；也可以称为实体，主要是和引用区分开，实体只有一个，而引用可以有很多

● Client、Server、SM不在同一个进程，最初Client和Server怎么得到SM的通信的？

● 具体的注册流程是怎样的？

● Binder内核对象，BinderProxy对象是同一个对象吗，有什么联系？

第一个问题：

● 首先ServiceManage进程本身就是也是采用Binder通信，在系统初始化的时候使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令将自己注册为ServiceManage，这个过程会在内核空间产生一个ServiceManage的Binder实体

● 而这个Binder就在内核的0号引用，其他进程通过0号引用找到ServiceManage的Binder实体，通过内存映射就可以和SM建立联系

第二个问题：

● 首先拥有服务名的Server进程向SM注册时需要借助Binder驱动，此时创建了一个在内核的实体对象，和Server的对象是不同的结构，但拥有Server实体对象的关键信息，比如可以提供的方法等

● 这个实体对象有一项数据保存Server实体的引用（在内存中可以理解为映射的地址），借助Binder驱动将内核中的实体对像的引用和服务名注册到SM中，这样就有这样一条关系链，SM中服务名—>内核的实体对象的引用—>Server实体对象

第三个问题：

● Binder内核对象，BinderProxy对象是同一个对象可定不是同一个对象，因为对应不同的空间，语言层面都有不一样，BinderProxy是系统根据Binder内核对象在Cilent进程新建（new）的一个Binder对象，里面包含Binder内核对象的关键信息，比如所能提供的方法等，这个对象就和真正远程的Server实体对象很相似了，这样Client对象就能像操作Server实体对象一样进行操作，不用考虑Server实在远程还是本地

● 但具体方法的实现还要通过代理的方式调用远程对象来实现；一般通过transact()和onTransact()来实现代理的调用

上层调用

Binder 驱动在系统内核中，从用户空间应用程序到内核空间 binder 驱动，会经过一些 ProcessState、IPCThreadState 等中间的操作封装类，然后通过系统调用陷入系统内核

ProcessState 是进程单例； 主要负责打开 binder 驱动设备及 mmap，binder 驱动的 binder_open()、binder_mmap() 函数在 ProcessState 的构造函数中被调用，如下：

<pre mdtype="fences" cid="n78" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">ProcessState::ProcessState()
 : mDriverFD(open_driver()) //打开 binder 设备，binder_open()
 , mVMStart(MAP_FAILED)
 ...
 , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_binder_THREADS)
 , mThreadPoolSeq(1){
 if (mDriverFD >= 0) {
 // 将应用进程虚拟内存空间与 binder 驱动映射，binder_mmap()
 mVMStart = mmap(0, binder_VM_SIZE, PROT_READ,
 MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
 if (mVMStart == MAP_FAILED) {
 close(mDriverFD);
 mDriverFD = -1;
 }
 }
}</pre>

IPCThreadState 为线程单例，负责与 binder 驱动进行具体的命令通信。在其 talkWithDriver() 方法中，调用了 binder 驱动的 binder_ioctl() 函数：

<pre mdtype="fences" cid="n83" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">// binder_ioctl
ioctl(mProcess->mDriverFD, binder_WRITE_READ, &bwr)</pre>

Binder 驱动注册

Binder 驱动运行在内核态，向上层提供 /dev/binder 设备节点，并不对应真实的硬件设备；Binder 驱动的注册逻辑在 Binder.c 中：

<pre mdtype="fences" cid="n90" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">//drivers/staging/android/Binder.c
static init __init binder_init(void){

 ...
 ret = misc_register(&binder_miscdev); //注册为 misc 驱动
}</pre>

Binder_miscdev 即 Binder 设备描述如下：

<pre mdtype="fences" cid="n96" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">static struct miscdevice binder_miscdev = {
 .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, //自动分配次设备号
 .name = "binder", //驱动名称
 .fops = &binder_fops //binder 驱动支持的文件操作
}</pre>

Binder_fops 为 Binder 设备支持的操作函数，如下：

<pre mdtype="fences" cid="n101" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">static const struct file_operations binder_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.poll = binder_poll,
.unlocked_ioctl = binder_ioctl,
.mmap = binder_mmap,
.open = binder_open,
.flush = binder_flush,
.release = binder_release,
};</pre>

Binder_open

用户应用程序通过 Binder 通信时，需先调用 Binder_open() 方法打开 Binder 驱动，Binder_open() 中主要做了两个工作，对应的分为两部分来看：

<pre mdtype="fences" cid="n108" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">//binder.c
static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp)
{
 struct binder_proc *proc;
 ...
 proc = kzalloc(sizeof(*proc), GFP_KERNEL); //创建 binder_proc
 if (proc == NULL)
 return -ENOMEM;
 get_task_struct(current);
 proc->tsk = current;
 INIT_LIST_HEAD(&proc->todo); //初始化 todo 队列
 init_waitqueue_head(&proc->wait); //初始化 todo 队列
 proc->default_priority = task_nice(current);</pre>

上面代码的主要工作是 「创建及初始化 binder_proc」，binder_proc 就是用来存放 binder 相关数据的结构体，每个进程独有一份

<pre mdtype="fences" cid="n114" lang="" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" spellcheck="false" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;"> binder_lock(__func__);
 binder_stats_created(BINDER_STAT_PROC);
 hlist_add_head(&proc->proc_node, &binder_procs);
 proc->pid = current->group_leader->pid;
 INIT_LIST_HEAD(&proc->delivered_death);
 filp->private_data = proc;
 binder_unlock(__func__);
 ...
}</pre>

第二个主要工作是 「将 Binder_proc 记录起来」，方便后续使用，如上代码所示，通过 hlist_add_head() 方法将 Binder_proc 记录到了内核的 Binder_procs 表中，另外还将 Binder_proc 存放在 filp 的 private_data 域，以便于在后续调用 mmap、ioctl 等方法时获取

Binder_ioctl

Binder 驱动并不提供常规的 read()、write() 等文件操作，全部通过 binder_ioctl() 实现，所以 binder_ioctl() 是 binder 驱动中工作量最大的一个，它承担了 binder 驱动的大部分业务； 下面列出 binder_ioctl() 支持的命令列表

其中 BINDER_WRITE_READ 最为关键，分为若干子命令：

其中 BINDER_WRITE_READ 最为关键，分为若干子命令：

以上均为 Binder 驱动作为接收方 Binder_ioctl() 方法接收的命令，还有一些与之对应的 BR_ 开头的命令，由 Binder 驱动主动发出，比如 BR_TRANSACTION、BR_REPLY，在一次 IPC 调用中是这样应用的

尾述

技术是无止境的，你需要对自己提交的每一行代码、使用的每一个工具负责，不断挖掘其底层原理，才能使自己的技术升华到更高的层面

Android 架构师之路还很漫长，与君共勉

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