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Binder 原理整理

Binder 原理整理

作者: 柬埔没有寨 | 来源:发表于2020-01-18 14:24 被阅读0次

    linux进程间通信方式

    1. 管道

    管道的实质是一个内核缓冲区,管道的作用正如其名,需要通信的两个进程在管道的两端,进程利用管道传递信息。管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但是这个文件比较特殊,它不属于文件系统并且只存在于内存中。


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    管道克服了文件通信的问题:

    1. 限制管道的大小。实际上,管道是一个固定大小的缓冲区。进程A向管道内write(),当管道内存写满的时候,进程A会阻塞,直到进程B开始read()读出数据,此时管道中就可以有内存供进程A进行write。
    2. 读进程比写进程快的问题。当进程B进行read()操作时,进程A还没有写入文件,此时进程B就会阻塞,指导进程A开始写入。
      管道分为下面两种:
      1. 无名管道,半双工的通信方式,数据只能单向流程,只能具有父子关系的进程间使用,
      2. 有名管道,有名管道也是一种半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

    2. 信号量

    信号量是一个计数器,可以用来控制多个线程对共享资源的访问.,它不是用于交换大批数据,而用于多线程之间的同步.它常作为一种锁机制,防止某进程在访问资源时其它进程也访问该资源.因此,主要作为进程间以及同一个进程内不同线程之间的同步手段.

    3. 信号

    信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟。在原理上,一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的,一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达,事实上,进程也不知道信号到底什么时候到达。信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互,内核进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。它可以在任何时候发给某一进程,而无须知道该进程的状态。如果该进程当前并未处于执行态,则该信号就由内核保存起来,直到该进程恢复执行再传递给它为止;如果一个信号被进程设置为阻塞,则该信号的传递被延迟,直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

    4. 消息队列

    消息队列是消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识.消息队列克服了信号传递信息少,管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等特点.消息队列是UNIX下不同进程之间可实现共享资源的一种机制,UNIX允许不同进程将格式化的数据流以消息队列形式发送给任意进程.对消息队列具有操作权限的进程都可以使用msget完成对消息队列的操作控制.通过使用消息类型,进程可以按任何顺序读信息,或为消息安排优先级顺序.

    5. 共享内存

    共享内存就是允许两个或多个进程共享一定的存储区。当一个进程改变了这块地址中的内容的时候,其它进程都会察觉到这个更改。因为数据不需要在客户机和服务器端之间复制,数据直接写到内存,不用若干次数据拷贝,所以这是最快的一种IPC。
    优点:传输速度最快的通信方式没有之一,客户进程和服务进程传递的数据直接从内存里存取、放入,数据不需要在两进程间复制,
    缺点:共享内存并未提供同步机制,也就是说,在一个服务进程结束对共享内存的写操作之前,并没有自动机制可以阻止另一个进程(客户进程)开始对它进行读取,有时候需要结合信号量来进行同步。

    6. 套接字

    socket是TCP/IP网络的API接口函数,可以实现不同进程之间的通信(IPC),本机和远程都可以;socket最先应用于Unix操作系统,而在Unix/Linux中有种思想是一切皆文件,所以socket就是种特殊的I/O,有文件描述符,但是只是用于区分,类似的还有进程ID

    Android 进程通信方式

    虽然Android是基于Linux,但是Android有自己的一套通信方式,下面简单介绍下Android常用的进程间通信方式。

    1. Intent

    包括Activity,Service,Receiver之间通信都可以通过Intent进行通信,在此不赘述。   
    

    2. ContentProvider

    ContentProvider是Android中提供的专门用于不同应用间数据交互和共享的组件。ContentProvider实际上是对SQLiteOpenHelper的进一步封装,以一个或多个表的形式将数据呈现给外部应用,通过Uri映射来选择需要操作数据库中的哪个表,并对表中的数据进行增删改查处理。ContentProvider其底层使用了Binder来完成APP进程之间的通信,同时使用匿名共享内存来作为共享数据的载体。ContentProvider支持访问权限管理机制,以控制数据的访问者及访问方式,保证数据访问的安全性。
    

    3. 文件共享

    将对象序列化之后保存到文件中,在通过反序列,将对象从文件中读取出来。
    文件共享方式也存在着很大的局限性,如并发读/写问题,如读取的数据不完整或者读取的数据不是最新的。文件共享适合在对数据同步要求不高的进程间通信,并且要妥善处理并发读/写的问题。
    

    4. AIDL

    AIDL(Android Interface Definition Language)是一种IDL语言,用于生成可以在Android设备上两个进程之间进行进程间通信(IPC)的代码。
    

    5. Messenger

    Messenger只能传递Message对象,Messenger是一种轻量级的IPC方案,它的底层实现是AIDL。
    Messenger内部消息处理使用Handler实现的,所以它是以串行的方式处理客服端发送过来的消息的,如果有大量的消息发送给服务器端,服务器端只能一个一个处理,如果并发量大的话用Messenger就不合适了,而且Messenger的主要作用就是为了传递消息,很多时候我们需要跨进程调用服务器端的方法,这种需求Messenger就无法做到了。
    

    6. Socket

    Socket方法是通过网络来进行数据交换,客户端和服务端建立连接之后即可不断传输数据,比较适合实时的数据传。

    Binder介绍

    上面我对Android间的通信方式进行了简单介绍,我们也经常会用到Activity、 Service、Broadcast、ContentProvider四大组件,也会用到AIDL和Messenger,但是他们内部实现的原理是什么呢?
    这些问题的背后都与 Binder 有莫大的关系,要理解上述原理,理解 Bidner 通信机制是必须的。

    linux已经为了提供了包括管道、信号量、信号、共享内存、套签字等通信方式,为什么又要创提供Binder
    来作为IPC的通道呢,主要基于以下原因:

    • 性能
    通信方式 数据拷贝次数 优缺点
    共享内存 0 共享内存虽然无需拷贝,但控制复杂,难以使用
    Socket 2 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
    消息队列和管道 2 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,文件拷贝两次,效率低
    Binder 1 只拷贝一次数据,性能好
    • 安全性
      Linux的IPC机制在本身的实现中,并没有安全措施,而Binder机制的UID/PID是由Binder机制本身在内核空间添加身份标识,安全性高;并且Binder可以建立私有通道,这是linux的通信机制所无法实现的。

    • 稳定性
      Binder 基于 C/S 架构,客户端(Client)有什么需求就丢给服务端(Server)去完成,架构清晰、职责明确又相互独立,自然稳定性更好。

    • 使用简单
      client端函数的名字、参数和返回值和server的方法一模一样,取消了client端和server端的隔阂。

    Linux进程间通信基本概念

    为了更好的理解binder机制,我们对linux进程间通信方式涉及到的概念进行下说明。
    以下内容参考了文章Android跨进程通信:图文详解 Binder机制 原理

    进程隔离

    进程与进程间内存是不共享的,进程1和进程2无法共享内存,想要通信必须要使用IPC。

    用户空间和内核空间

    内核空间(Kernel)是系统内核运行的空间,用户空间(User Space)是用户程序运行的空间。为了保证安全性,它们之间是隔离的。

    用户态与内核态

    虽然从逻辑上进行了用户空间和内核空间的划分,但不可避免的用户空间需要访问内核资源,比如文件操作、访问网络等等。

    1. 当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,称进程处于内核运行态(内核态)。
    2. 当进程在执行用户自己的代码的时候,我们称其处于用户运行态(用户态)

    系统调用主要通过下面两个方式:

    copy_from_user() //将数据从用户空间拷贝到内核空间
    copy_to_user() //将数据从内核空间拷贝到用户空间
    

    内存映射

    Binder IPC 机制中涉及到的内存映射通过 mmap() 来实现,mmap() 是操作系统中一种内存映射的方法。内存映射简单的讲就是将用户空间的一块内存区域映射到内核空间。映射关系建立后,用户对这块内存区域的修改可以直接反应到内核空间;反之内核空间对这段区域的修改也能直接反应到用户空间。
    详细了解请参考:[操作系统:图文详解 内存映射](操作系统:图文详解 内存映射 "https://www.jianshu.com/p/719fc4758813")

    Binder的原理

    传统IPC的原理

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    传统IPC每次通信要发生两次内存拷贝,流程如下:

    1. 发送数据
    2. 数据发送进程调用copy_from_user将数据从用户空间copy到内核缓存
    3. 系统调用copy_to_user将数据从内核空间copy到用户空间。
    4. 接受数据

    Binder的通信原理

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    1. 首先 Binder 驱动在内核空间创建一个数据接收缓存区;
    2. 接着在内核空间开辟一块内核缓存区,建立内核缓存区和内核中数据接收缓存区之间的映射关系,以及内核中数据接收缓存区和接收进程用户空间地址的映射关系;
    3. 发送方进程通过系统调用 copy_from_user() 将数据 copy 到内核中的内核缓存区,由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射,因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间,这样便完成了一次进程间的通信。

    Binder的实现

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    Binder的实现主要涉及到如图的四个部分Client、Server、Binder Driver、ServiceManager,其中从实现层面来说,我Client和Server在Android应用层,需要开发者自行实现,ServiceManager、Binder Driver是Android fromwork层实现;从内核层面,Client、Server、ServiceManager主要操作在用户空间执行操作,Binder Driver在内核空间执行操作,Client、Server、ServiceManager分别通过open、mmap 和 ioctl 来访问设备文件 /dev/binder,从而实现操作Binder来跨进程通信。

    参考文章:[图文详解 Binder机制 原理](图文详解 Binder机制 原理 "https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/73560642")

    一次Binder通信主要分为以下步骤:


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    1. 注册服务:Server进程向Binder Driver发起注册服务请求,Binder Driver将请求转发给ServiceManager,ServiceManager添加该Server进程管理
    2. 获取服务:Client向Binder驱动获取服务,Binder驱动将请求转发到ServiceManager并查找Client对应的Server服务信息,通过Binder驱动将上述信息返回
    3. 使用服务:
      1. Binder驱动创建一块接收缓存区域,并实现内存映射关系:包括内核缓存区和Server用户区映射到同一个接受缓存区。
      2. Client调用copy_from_user()发送到内核缓存区
      3. 内核缓存区映射到Server用户空间去,Server进行解包,执行指定方法
      4. 将执行结果存到接受区内存缓存区,内存映射到内核缓存区
      5. Client调用copy_to_user()获取内核缓存区数据,完成本次通信

    本文对Binder相关原理进行了梳理,参考了网上的部分资料,相关部分都有转载引用标识,如有侵权,立刻删除。

    参考文章

    1. https://www.cnblogs.com/jxc321/p/9296571.html
    2. https://www.linuxprobe.com/linux-process-method.html
    3. http://www.hqyj.com/news/emb202.htm
    4. https://www.jianshu.com/p/94b8582d089a
    5. https://www.jianshu.com/p/429a1ff3560c
    6. https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/73560642

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