AndroidFramework 之获取 ServiceMana

作者: 你怕是很皮哦 | 来源:发表于2021-04-14 16:45 被阅读0次

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阅读须知

本文源码基于 Android 10，涉及相关源码如下。

frameworks/native/libs/binder/
    - ProcessState.cpp
    - BpBinder.cpp
    - Binder.cpp
    - IServiceManager.cpp
    - Static.cpp

framework/native/include/binder/
    - IServiceManager.h
    - IInterface.h

概述

查询服务和添加服务都需要先通过 defaultServiceManager() 来获取 gDefaultServiceManager，本文将从源码的角度分析这一过程，时序图如下所示。

image.png

1. defaultServiceManager()

来看看 defaultServiceManager() 的源码。

// frameworks/native/libs/binder/Static.cpp

sp<IServiceManager> gDefaultServiceManager;

// frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp

sp<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
    // 如果 gDefaultServiceManager 存在则直接返回
    if (gDefaultServiceManager != nullptr) return gDefaultServiceManager;
    {
        // 这里用 while 循环。因为尝试获取 ServiceManager 时可能 ServiceManager 未准备就绪，
        while (gDefaultServiceManager == nullptr) {
            gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(
                ProcessState::self()->getContextObject(nullptr));
            if (gDefaultServiceManager == nullptr)
                sleep(1);
        }
    }

    return gDefaultServiceManager;
}

defaultServiceManager() 采用单例模式，这里之所以用 while 是因为在尝试获取 ServiceManager 时可能 ServiceManager 未准备就绪。

defaultServiceManager() 可以细分为三个步骤：

调用 ProcessState::self()，获取 ProcessState；
调用 getContextObject(nullptr)，获取 BpBinder；
调用 interface_cast<IServiceManager> 获取 BpServiceManager。

2. 获取 ProcessState

调用 ProcessState::self() 获取 ProcessState。

// frameworks/native/libs/binder/Static.cpp

sp<ProcessState> gProcess;

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    if (gProcess != nullptr) {
        return gProcess;
    }
    gProcess = new ProcessState("/dev/binder");
    return gProcess;
}

ProcessState 也是采用单例模式，即每个进程有且只能有一个 ProcessState，gProcess 的定义也是在 frameworks/native/libs/binder/Static.cpp，供全局使用。

来看看 ProcessState 的构造器。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

ProcessState::ProcessState(const char *driver)
    : mDriverName(String8(driver))
    // 调用 open_driver() 打开 Binder 驱动
    , mDriverFD(open_driver(driver))
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
    , mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
    , mExecutingThreadsCount(0)
    , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
    , mStarvationStartTimeMs(0)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(nullptr)
    , mBinderContextUserData(nullptr)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mThreadPoolSeq(1)
    , mCallRestriction(CallRestriction::NONE)
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        // 系统调用 mmap() 做内存映射
        mVMStart = mmap(nullptr, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        if (mVMStart == MAP_FAILED) {
            close(mDriverFD);
            mDriverFD = -1;
            mDriverName.clear();
        }
    }
}

ProcessState 构造器主要做了如下两件事：

调用 open_driver() 打开 Binder 驱动；
系统调用 mmap() 映射 1M - 8K 的内存空间供进程使用。

2.1 打开 Binder 驱动

ProcessState 先通过 open_driver() 打开 Binder 驱动，这里做了如下事情：

系统调用 open() 打开 /dev/binder；
系统调用 ioctl() 通过 BINDER_VERSION 获取 Binder 版本并对比版本；
系统调用 ioctl() 通过 BINDER_SET_MAX_THREADS 设置 Binder 最大线程数。

2.1.1 打开 Binder 驱动

系统调用 open() 打开 /dev/binder。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

static int open_driver(const char *driver)
{
    // 系统调用 open() 打开 /dev/binder
    int fd = open(driver, O_RDWR | O_CLOEXEC);
}

2.1.2 检查 Binder 版本

系统调用 ioctl() 传入 BINDER_VERSION 获取 Binder 版本并进行版本检查。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

static int open_driver(const char *driver)
{
    int vers = 0;
    // 系统调用 ioctl() 通过命令 BINDER_VERSION 获取 Binder 版本
    status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
    // 版本获取失败
    if (result == -1) {
        close(fd);
        fd = -1;
    }
    // 比对版本
    if (result != 0 || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {
        close(fd);
        fd = -1;
    }
}

2.1.3 设置 Binder 最大线程数

系统调用 ioctl() 传入 BINDER_SET_MAX_THREADS 设置 Binder 最大线程数。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

// Binder 默认最大线程数为 16
#define DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS 15

static int open_driver(const char *driver)
{
    // 系统调用 ioctl() 通过命令 BINDER_SET_MAX_THREADS 设置 Binder 最大线程数
    size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;
    result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
}

2.2 内存映射

系统调用 mmap() 映射 1M - 8K 的内存空间供进程使用。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

// mmap() 内存映射大小为 1m - 8k，一页的大小一般为 4k
#define BINDER_VM_SIZE ((1 * 1024 * 1024) - sysconf(_SC_PAGE_SIZE) * 2)

ProcessState::ProcessState(const char *driver)
    : mDriverName(String8(driver))
    , mDriverFD(open_driver(driver))
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
    , mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
    , mExecutingThreadsCount(0)
    , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
    , mStarvationStartTimeMs(0)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(nullptr)
    , mBinderContextUserData(nullptr)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mThreadPoolSeq(1)
    , mCallRestriction(CallRestriction::NONE)
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        // 系统调用 mmap() 做内存映射
        mVMStart = mmap(nullptr, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        if (mVMStart == MAP_FAILED) {
            // 内存映射失败
            close(mDriverFD);
            mDriverFD = -1;
            mDriverName.clear();
        }
    }
}

内存映射为什么要减少 8K？

其实安卓源码里面最开始这个值的确是 1M，是在后面才减少 8K的，可以看到提交记录如下。

commit c0c1092183ceb38dd4d70d2732dd3a743fefd567
Author: Rebecca Schultz Zavin <rebecca@android.com>
Date:   Fri Oct 30 18:39:55 2009 -0700

    Modify the binder to request 1M - 2 pages instead of 1M.  The backing store
    in the kernel requires a guard page, so 1M allocations fragment memory very
    badly.  Subtracting a couple of pages so that they fit in a power of
    two allows the kernel to make more efficient use of its virtual address space.

    Signed-off-by: Rebecca Schultz Zavin <rebecca@android.com>

diff --git a/libs/binder/ProcessState.cpp b/libs/binder/ProcessState.cpp
index d7daf7342..2d4e10ddd 100644
--- a/libs/binder/ProcessState.cpp
+++ b/libs/binder/ProcessState.cpp
@@ -41,7 +41,7 @@
 #include <sys/mman.h>
 #include <sys/stat.h>

-#define BINDER_VM_SIZE (1*1024*1024)
+#define BINDER_VM_SIZE ((1*1024*1024) - (4096 *2))

 static bool gSingleProcess = false;

Linux 的内存管理是以页为单位的，一页通常是 4K 的大小，寄存器读取 2^n 内存是最高效的，这么看 1M 似乎没什么问题。但是 Linux 会给内存自动添加一个保护页，如果指定 1M 实际上在加载内存是大于 1M 的，所以这里减去两页大小，每次加载内存时只需要按照 1M 加载就可以了。

3. 获取 BpBinder

来看看 getContextObject() 的源码。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& /*caller*/)
{
    return getStrongProxyForHandle(0);
}

3.1 getStrongProxyForHandle()

调用 getStrongProxyForHandle() 获取 handle = 0 的 IBinder，那 getStrongProxyForHandle() 做了什么呢？

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle)
{
    sp<IBinder> result;
    // 调用 lookupHandleLocked() 查找 handle = 0 的 handle_entry
    handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle);

    if (e != nullptr) {
        IBinder* b = e->binder;
        if (b == nullptr || !e->refs->attemptIncWeak(this)) {
            if (handle == 0) {
                Parcel data;
                // 通过ping操作测试 Binder 是否准备就绪
                status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
                        0, IBinder::PING_TRANSACTION, data, nullptr, 0);
                if (status == DEAD_OBJECT)
                   return nullptr;
            }
            // 当 handle_entry 存的 IBinder 不存在或弱引用无效时，则创建 BpBinder 对象
            b = BpBinder::create(handle);
            e->binder = b;
            if (b) e->refs = b->getWeakRefs();
            result = b;
        }
    }

    return result;
}

getStrongProxyForHandle() 先通过 lookupHandleLocked() 查找 handle = 0 的 handle_entry，然后创建 BpBinder 返回。

3.2 lookupHandleLocked()

来看看 lookupHandleLocked() 的源码。

ProcessState::handle_entry* ProcessState::lookupHandleLocked(int32_t handle)
{
    const size_t N=mHandleToObject.size();
    // 如果 handle 大于 mHandleToObject 长度，则从 N 开始补 handle+1-N 个 handle_entry
    if (N <= (size_t)handle) {
        handle_entry e;
        e.binder = nullptr;
        e.refs = nullptr;
        status_t err = mHandleToObject.insertAt(e, N, handle+1-N);
        if (err < NO_ERROR) return nullptr;
    }
    // 获取 mHandleToObject 对应位置的 handle_entry
    return &mHandleToObject.editItemAt(handle);
}

struct handle_entry {
    IBinder* binder;
    RefBase::weakref_type* refs;
};

lookupHandleLocked() 会从 mHandleToObject 中查找 handle = 0 的 handle_entry，如果 handle > mHandleToObject.size()，则从 mHandleToObject 的 N 开始补 handle+1-N 个 handle_entry，并返回对应索引的 handle_entry。

3.3 创建 BpBinder

调用 BpBinder::create() 创建 BpBinder。

// frameworks/native/libs/binder/BpBinder.cpp

BpBinder* BpBinder::create(int32_t handle) {
    return new BpBinder(handle, trackedUid);
}

BpBinder::BpBinder(int32_t handle, int32_t trackedUid)
    : mHandle(handle)
    , mAlive(1)
    , mObitsSent(0)
    , mObituaries(nullptr)
    , mTrackedUid(trackedUid)
{
    // 延长对象生命周期
    extendObjectLifetime(OBJECT_LIFETIME_WEAK);
    // handle 所对应的 BpBinder 弱引用 + 1
    IPCThreadState::self()->incWeakHandle(handle, this);
}

4. 获取 BpServiceManager

4.1 interface_cast

调用 interface_cast<IServiceManager>()，这是一个模板函数，其定义在 frameworks/native/libs/binder/include/binder/IInterface.h 中。

// frameworks/native/libs/binder/include/binder/IInterface.h

template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
    return INTERFACE::asInterface(obj);
}

从定义可知最终调用的是 IServiceManager::asInterface()。

4.2 IServiceManager::asInterface()

asInterface() 也是通过模板函数来定义的。

在 frameworks/native/libs/binder/include/binder/IServiceManager.h 中有如下代码。

// frameworks/native/libs/binder/include/binder/IServiceManager.h

DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager)

在 frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp 下有如下代码。

// frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp

IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager, "android.os.IServiceManager");

DECLARE_META_INTERFACE 和 IMPLEMENT_META_INTERFACE 的声明可以在 frameworks/native/libs/binder/include/binder/IInterface.h 中找到。

4.3 DECLARE_META_INTERFACE

来看看 DECLARE_META_INTERFACE 的声明。

// frameworks/native/libs/binder/include/binder/IInterface.h

#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               
    static const ::android::String16 descriptor;    
    static ::android::sp<I##INTERFACE> asInterface(    
            const ::android::sp<::android::IBinder>& obj);  
    virtual const ::android::String16& getInterfaceDescriptor() const; 
    I##INTERFACE(); 
    virtual ~I##INTERFACE();

可以得出 frameworks/native/libs/binder/include/binder/IServiceManager.h 中的 DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager) 实际上对应如下代码。

// frameworks/native/libs/binder/include/binder/IServiceManager.h

static const ::android::String16 descriptor;    

static ::android::sp<IServiceManager> asInterface(    
        const ::android::sp<::android::IBinder>& obj);  
        
virtual const ::android::String16& getInterfaceDescriptor() const; 

IServiceManager(); 
virtual ~IServiceManager();

即在 IServiceManager.h 中声明了 asInterface() 和 getInterfaceDescriptor()。

4.4 IMPLEMENT_META_INTERFACE

来看看 IMPLEMENT_META_INTERFACE 的声明。

// frameworks/native/libs/binder/include/binder/IInterface.h

#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)    
    const ::android::String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);  
    const ::android::String16&         
            I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {    
        return I##INTERFACE::descriptor;  
    }      
    ::android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface( 
            const ::android::sp<::android::IBinder>& obj) 
    {                
        ::android::sp<I##INTERFACE> intr;  
        if (obj != nullptr) {         
            intr = static_cast<I##INTERFACE*>(    
                obj->queryLocalInterface(          
                        I##INTERFACE::descriptor).get());  
            if (intr == nullptr) {        
                intr = new Bp##INTERFACE(obj);  
            }    
        }           
        return intr;   
    }
    I##INTERFACE::I##INTERFACE() { }
    I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { }

可以得出 frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp 中的 IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager, "android.os.IServiceManager") 实际上对应如下代码。

// frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp

const ::android::String16 IServiceManager::descriptor("android.os.IServiceManager");  

const ::android::String16&         
        IServiceManager::getInterfaceDescriptor() const {    
    return IServiceManager::descriptor;  
}      

::android::sp<IServiceManager> IServiceManager::asInterface( 
        const ::android::sp<::android::IBinder>& obj) 
{                
    ::android::sp<IServiceManager> intr;  
    if (obj != nullptr) {         
        intr = static_cast<IServiceManager*>(    
            obj->queryLocalInterface(          
                    IServiceManager::descriptor).get());  
        if (intr == nullptr) {        
            intr = new BpServiceManager(obj);  
        }    
    }           
    return intr;   
}
IServiceManager::IServiceManager() { }
IServiceManager::~IServiceManager() { }

可以看到 IServiceManager::asInterface() 最终会创建 BpServiceManager。

4.5 创建 BpServiceManager

4.5.1 BpServiceManager

来看看 BpServiceManager 的实例化过程。

// frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp

BpServiceManager(const sp<IBinder>& impl)
    : BpInterface<IServiceManager>(impl)
{
}

4.5.2 BpInterface

BpServiceManager 继承自 BpInterface。

// frameworks/native/libs/binder/include/binder/IInterface.h

BpInterface<INTERFACE>::BpInterface(const sp<IBinder>& remote)
    : BpRefBase(remote)
{
}

4.5.3 BpRefBase

BpInterface 继承自 BpRefBase。

// frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp

BpRefBase::BpRefBase(const sp<IBinder>& o)
    : mRemote(o.get()), mRefs(nullptr), mState(0)
{
    extendObjectLifetime(OBJECT_LIFETIME_WEAK);

    if (mRemote) {
        mRemote->incStrong(this);           // Removed on first IncStrong().
        mRefs = mRemote->createWeak(this);  // Held for our entire lifetime.
    }
}

注意这里的 BpRefBase 在创建时将 mRemote 指向了前面创建的 BpBinder(0)，从而 BpServiceManager 能够利用 Binder 进行通信。

至此，获取 ServiceManager 的流程就分析完了。

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阅读须知

概述

1. defaultServiceManager()

2. 获取 ProcessState

2.1 打开 Binder 驱动

2.1.1 打开 Binder 驱动

2.1.2 检查 Binder 版本

2.1.3 设置 Binder 最大线程数

2.2 内存映射

3. 获取 BpBinder

3.1 getStrongProxyForHandle()

3.2 lookupHandleLocked()

3.3 创建 BpBinder

4. 获取 BpServiceManager

4.1 interface_cast

4.2 IServiceManager::asInterface()

4.3 DECLARE_META_INTERFACE

4.4 IMPLEMENT_META_INTERFACE

4.5 创建 BpServiceManager

4.5.1 BpServiceManager

4.5.2 BpInterface

4.5.3 BpRefBase

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