了解Binder机制原理和底层实现

参考：http://www.2cto.com/kf/201606/515548.html

1.Binder通信机制介绍

这篇文章会先对比Binder机制与Linux的通信机制的差别，了解为什么Android会另起炉灶，采用Binder。接着，会根据 Binder的机制，去理解什么是Service Manager，在C/S模型中扮演什么角色。最后，会从一次完整的通信活动中，去理解Binder通信的过程。

1.1 Android与Linux通信机制的比较

虽然Android继承使用Linux的内核，但Linux与Android的通信机制不同。

在Linux中使用的IPC通信机制如下：

  1. 传统IPC：无名pipe, signal, trace, 有名管道

     

  2. AT&T Unix 系统V：共享内存，信号灯，消息队列

  3. BSD Unix：Socket

而在Android中，并没有使用这些，取而代之的是Binder机制。Binder机制是采用OpenBinder演化而来，在Android中使用它的原因如下：

  1. 采用C/S的通信模式。而在linux通信机制中，目前只有socket支持C/S的通信模式，但socket有其劣势，具体参看第二条。

  2. 有更好的传输性能。对比于Linux的通信机制，

  • socket：是一个通用接口，导致其传输效率低，开销大；

  • 管道和消息队列：因为采用存储转发方式，所以至少需要拷贝2次数据，效率低；

  • 共享内存：虽然在传输时没有拷贝数据，但其控制机制复杂（比如跨进程通信时，需获取对方进程的pid，得多种机制协同操作）。

  • 安全性更高。Linux的IPC机制在本身的实现中，并没有安全措施，得依赖上层协议来进行安全控制。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 （Linux访问的接入点是开放的）。

综上所述，Android采用Binder机制是有道理的。既然Binder机制这么多优点，那么我们接下来看看它是怎样通过C/S模型来实现的。

1.2Binder在Service服务中的作用

在android中，有很多Service都是通过binder来通信的,比如MediaServer旗下包含了众多service：

  • AudioFlinger 音频核心服务

  • AudioPolicyService：音频策略相关的重要服务

  • MediaPlayerService：多媒体系统中的重要服务

  • CameraService：有关摄像/照相的重要服务

Binder在C/S中的流程如下：

  1. Server注册服务。Server作为众多Service的拥有者，当它想向Client提供服务时，得先去Service Manager（以后缩写成SM）那儿注册自己的服务。Server可以向SM注册一个或多个服务。

  2. Client申请服务。Client作为Service的使用者，当它想使用服务时，得向SM申请自己所需要的服务。Client可以申请一个或多个服务。

  3. 当Client申请服务成功后，Client就可以使用服务了。

SM一方面管理Server所提供的服务，同时又响应Client的请求并为之分配相应的服务。扮演的角色相当于月老，两边牵线。这种通信方式的好处是： 一方面，service和Client请求便于管理，另一方面在应用程序开发时，只需为Client建立到Server的连接，就可花很少时间和精力去实 现Server相应功能。那么，Binder与这个通信模式有什么关系呢？！其实，3者的通信方式就是Binder机制（例如：Server向SM注册服 务，使用Binder通信；Client申请请求，用的是Binder通讯）

1.3Binder通信机制流程(整体框架)

上图即是Binder的通信模型。我们可以发现：

  1. Client和Server是存在于用户空间

  2. Client与Server通信的实现，是由Binder驱动在内核空间实现

  3. SM作为守护进程，处理客户端请求，管理所有服务项。

为了方便理解，我们可以把SM理解成DNS服务器; 那么Binder Driver 就相当于路由的功能。这里就涉及到Client和Server是如何通信的问题。下面对1.2中提到的3个流程进行说明。

1.3.1 Server向SM注册服务

  1. 首先，XXXServer(XXX代表某个)在自己的进程中向Binder驱动申请创建一个XXXService的Binder的实体，

  2. Binder驱动为这个XXXService创建位于内核中的Binder实体节点以及Binder的引用，注意，是将名字和新建的引用打包传递给SM（实体没有传给SM），通知SM注册一个名叫XXX的Service。

  3. SM收到数据包后，从中取出XXXService名字和引用，填入一张查找表中。

  4. 此时，如果有Client向SM发送申请服务XXXService的请求，那么SM就可以在查找表中找到该Service的Binder引用，并把Binder引用(XXXBpBinder)返回给Client。

在进一步了解Binder通信机制之前，我们先弄清几个概念。

  1. 引用和实体。这里，对于一个用于通信的实体（可以理解成具有真实空间的Object），可以有多个该实体的引用（没有真实空间，可以理解成实体的 一个链接，操作引用就会操作对应链接上的实体）。如果一个进程持有某个实体，其他进程也想操作该实体，最高效的做法是去获得该实体的引用，再去操作这个引 用。

  2. 有些资料把实体称为本地对象，引用成为远程对象。可以这么理解：引用是从本地进程发送给其他进程来操作实体之用，所以有本地和远程对象之名。

1.3.2 一个问题-如何获得SM的远程接口

如果你足够细心，会发现这里有一个问题：

Sm和Server都是进程，Server向SM注册Binder需要进程间通信，当前实现的是进程间通信却又用到进程间通信。这就好比鸡生蛋、蛋生鸡，但至少得先有其中之一。

巧妙的Binder解决思路：

针对Binder的通信机制，Server端拥有的是Binder的实体；Client端拥有的是Binder的引用。
如果把SM看作Server端，让它在Binder驱动一运行起来时就有自己的Binder实体（代码中设置ServiceManager的Binder 其handle值恒为0）。这个Binder实体没有名字也不需要注册，所有的client都认为handle值为0的binder引用是用来与SM通信 的（代码中是这么实现的），那么这个问题就解决了。那么，Client和Server中这么达成协议了（handle值为0的引用是专门与SM通信之用 的），还不行，还需要让SM有handle值为0的实体才算大功告成。怎么实现的呢？！当一个进程调用Binder驱动时，使用 BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令（在驱动的binder_ioctl中）将自己注册成SM时，Binder驱动会自动为它创建 Binder实体。这个Binder的引用对所有的Client都为0。

1.3.3 Client从SM获得Service的远程接口


Server向SM注册了Binder实体及其名字后，Client就可以通过Service的名字在SM的查找表中获得该Binder的引用了 （BpBinder）。Client也利用保留的handle值为0的引用向SM请求访问某个Service：我申请访问XXXService的引用。 SM就会从请求数据包中获得XXXService的名字，在查找表中找到该名字对应的条目，取出Binder的引用打包回复给client。之 后，Client就可以利用XXXService的引用使用XXXService的服务了。
如果有更多的Client请求该Service，系统中就会有更多的Client获得这个引用。

1.3.4建立C/S通路后

首先要理清一个概念：client拥有自己Binder的实体，以及Server的Binder的引用；Server拥有自己Binder的实体，以及Client的Binder的引用。我们也可以从接收方和发送方的方式来理解：

  • 从client向Server发数据：Client为发送方，拥有Binder的实体；Server为接收方，拥有Binder的引用

  • 从server向client发数据：Server为发送方，拥有Binder的实体；client为接收方，拥有Binder的引用。

也就是说，我们在建立了C/S通路后，无需考虑谁是Client谁是Server，只要理清谁是发送方谁是接收方，就能知道Binder的实体和引用在哪边。


建立CS通路后的流程：（当接收方获得Binder的实体，发送方获得Binder的引用后）

  1. 发送方会通过Binder实体请求发送操作。

  2. Binder驱动会处理这个操作请求,把发送方的数据放入写缓存(binder_write_read.write_buffer) (对于接收方为读缓冲区)，并把read_size(接收方读数据)置为数据大小（对于具体的实现后面会介绍）；

  3. 接收方之前一直在阻塞状态中，当写缓存中有数据，则会读取数据，执行命令操作

  4. 接收方执行完后，会把返回结果同样用binder_transaction_data结构体封装，写入写缓冲区（对于发送方，为读缓冲区）

1.3.5 匿名Binder

之前在介绍Android使用Binder机制的优点中，提到Binder可以建立点对点的私有通道，匿名Binder就是这种方式。在 Binder通信中，并不是所有用来通信的Binder实体都需要注册给SM广而告之的，Server可以通过已建立的实体Binder连接将创建的 Binder实体传给Client。而这个Binder没有向SM注册名字。这样Server与Client的通信就有很高的隐私性和安全性。

这样，整个Binder的通信流程就介绍完毕了，但是对于具体的代码实现（比如binder_transaction_data是什 么？binder_write_read.write_buffer又是什么？具体的驱动和逻辑实现又是怎么样？），在后面章节中会一一介绍。

几点疑问：
1. 是谁，怎么样成为SM守护进程，handle为0的binder实体什么时候创建？
2. binder引用和实体是如何创建的？在驱动中如何实现的通信？
3. 在SM中，binder实体是怎样转换成为引用的？
4. Server是如何注册服务，Client是如何获取服务的？

来源：http://blog.csdn.net/huachao1001/article/details/51504469

Binder机制

先看看一般执行过程

代码执行过程

假设你已经创建好服务端类MyService、客户端类MyClient。在客户端持有MyService的引用，并且调用了MyService的func函数，那么Android内部调用过程如下：

MyClientMyClientBinder驱动Binder驱动MyServiceMyService请求相关数据：Parcel客户端当前线程被挂起从线程池中取出线程并执行客户端指定的函数等待执行结果执行函数func计算结果返回得到返回结果唤醒被挂起的线程并将返回结果传给客户端当前线程被唤醒，取出返回结果，继续往下执行。

看了这个图以后，相信你对你的代码在调用远程进程函数时有个全局的认识。这张图有一点很重要，就是客户端当前线程会被挂起！因此，如果远程进程是执行长时间的运算，请不要使用主线程去调用远程函数，以防止ANR。

Binder的C/S架构

上面一节我们对远程进程调用代码执行过程有个初步了解，在Android开发中，我们大量使用到了系统Service，比如媒体播放、各种传感器以及WindowManagerService等等等等（太多了~）。那么Android是怎么管理这些服务，并且让用户跨进程调用这些服务呢？首先我们看看调用系统服务的过程。在Android开机启动过程中，Android会初始化系统的各种Service，并将这些Service向ServiceManager注册（即让ServiceManager管理）。客户端想要得到具体的Service直接向ServiceManager要即可。客户端首先向ServiceManager查询得到具体的Service引用，然后通过这个引用向具体的服务端发送请求，服务端执行完成后就返回。

客户端调用系统服务过程

Binder驱动实现原理

一直以来，我有个困惑！！！这个困惑让我迷茫了很久：客户端持有远程进程的某个对象引用，然后调用引用类中的函数，远程进程的函数就执行了。我在想，凭什么？学过操作系统都知道，不同的进程之间是不共享资源的。也就是说，客户端持有的这个对象跟远程进程中的实际对象完全是两个不同的对象。客户端调用引用的对象跟远程进程半毛钱关系都没有，凭啥远程进程就调用了执行了？相信也有一部分人跟我有同样的困惑！仔细研读一下下面这张图，相信你会豁然开朗！

Binder驱动实现原理
服务端跨进程的类都要继承Binder类。我们所持有的Binder引用(即服务端的类引用)并不是实际真实的远程Binder对象，我们的引用在Binder驱动里还要做一次映射。也就是说，设备驱动根据我们的引用对象找到对应的远程进程。客户端要调用远程对象函数时，只需把数据写入到Parcel，在调用所持有的Binder引用的transact()函数，transact函数执行过程中会把参数、标识符（标记远程对象及其函数）等数据放入到Client的共享内存，Binder驱动从Client的共享内存中读取数据，根据这些数据找到对应的远程进程的共享内存，把数据拷贝到远程进程的共享内存中，并通知远程进程执行onTransact()函数，这个函数也是属于Binder类。远程进程Binder对象执行完成后，将得到的写入自己的共享内存中，Binder驱动再将远程进程的共享内存数据拷贝到客户端的共享内存，并唤醒客户端线程。

Binder机制运用

好了，现在对Binder机制已经理解了，我们再看看Android是怎么运用Binder的。再现前面代码：

//获取WindowManager服务引用
WindowManager wm = (WindowManager)getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);  
//布局参数layoutParams相关设置略...
View view=LayoutInflater.from(getApplication()).inflate(R.layout.float_layout, null);  
//添加view
wm.addView(view, layoutParams);

这段代码前面已经出现过。getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);函数内部原理就是向ServiceManager查询标识符为getApplication().WINDOW_SERVICE的远程对象的引用。即WindowManager对象的引用，这个引用的真正实现是WindowManager的某个代理。得到这个引用后，在调用addView时，真正的实现是在代理里面，代理把参数打包到Parcel对象中，然后调用transact函数（该函数继承自Binder），再触发Binder驱动的一系列调用过程，在Binder驱动实现原理一节中有具体介绍，忘记了的同学可以返回继续看。关于Binder的代理对象，可以参考AIDL工具生成的代码，这里不再具体介绍。

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