02.Android之IPC机制问题

时间  2021-05-30
标签 php linux android git github 面试 segmentfault 缓存 安全 服务器 栏目 Android 繁體版
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目录介绍

  • 2.0.0.1 什么是Binder？为何要使用Binder？Binder中是如何进行线程管理的？总结binder讲的是什么？
  • 2.0.0.2 Android中进程和线程的关系？什么是IPC？为什么须要进行IPC？多进程通讯可能会出现什么问题？
  • 2.0.0.3 Binder的工做流程是怎样的？Binder主要能提供哪些功能？Binder通讯机制原理是怎样的？
  • 2.0.0.4 Android中为什么新增Binder来做为主要的IPC方式？Binder运行机制是怎样的？Binder机制有什么优点？
  • 2.0.0.5 Android中跨进程通信的几种方式？实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？
  • 2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式？简单对比下？
  • 2.0.0.7 为什么说Binder相比传统的Socket性能更高效？为什么说Binder相比传统IPC安全性更高？
  • 2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的？Server和Client是如何得到Service Manager接口的？

好消息

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2.0.0.1 什么是Binder？为何要使用Binder？Binder中是如何进行线程管理的？总结binder讲的是什么？

  • 什么是Binder？php

    • 1.直观来讲，Binder是Android中的一个类，它继承了IBinder接口
    • 2.从IPC角度来讲，Binder是Android中的一种跨进程通讯方式，Binder还能够理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder，该通讯方式在linux中没有
    • 3.从Android Framework角度来讲，Binder是ServiceManager链接各类Manager（ActivityManager、WindowManager，etc）和相应ManagerService的桥梁
    • 4.从Android应用层来讲，Binder是客户端和服务端进行通讯的媒介，当你bindService的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象，经过这个Binder对象，客户端就能够获取服务端提供的服务或者数据，这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务。

  • 为何要使用Binder？技术博客大总结linux

    • 在传统的Linux上，咱们仍是有不少选择能够用来实现进程间通讯，如管道、SystemV、Socket等。那么Android为何不使用这些原有的技术，而是要使开发一种新的叫Binder的进程间通讯机制呢？
    • 最简单的回答：性能：相比传统的Socket更高效；安全：安全性高，支持通讯双方进行身份验证。

    • 详细一点说，主要有两个方面的缘由：android

      • 性能方面git

        • 在移动设备上（性能受限制的设备，好比要省电），普遍地使用跨进程通讯对通讯机制的性能有严格的要求，Binder相对出传统的Socket方式，更加高效。Binder数据拷贝只须要一次，而管道、消息队列、Socket都须要2次，共享内存方式一次内存拷贝都不须要，但实现方式又比较复杂。

      • 安全方面github

        • 传统的进程通讯方式对于通讯双方的身份并无作出严格的验证，好比Socket通讯ip地址是客户端手动填入，很容易进行伪造，而Binder机制从协议自己就支持对通讯双方作身份校检，于是大大提高了安全性。
      • 还有一些好处，如实现面象对象的调用方式，在使用Binder时就和调用一个本地实例同样。

  • Binder中是如何进行线程管理的？面试

    • 每一个Binder的Server进程会建立不少线程来处理Binder请求，能够简单的理解为建立了一个Binder的线程池吧（虽然实际上并不彻底是这样简单的线程管理方式），而真正管理这些线程并非由这个Server端来管理的，而是由Binder驱动进行管理的。
    • 一个进程的Binder线程数默认最大是16，超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。理解这一点的话，你作进程间通讯时处理并发问题就会有一个底，好比使用ContentProvider时（又一个使用Binder机制的组件），你就很清楚它的CRUD（建立、检索、更新和删除）方法只能同时有16个线程在跑。

  • 总结binder讲的是什么？segmentfault

    • 一般意义上来讲，Binder就是指Andriod的通讯机制；
    • 对于服务端进程来讲，Binder指的是Binder本地对象，对于客户端进程来讲，Binder指的是Binder代理对象。
    • 对于传输过程来讲，Binder是能够进行跨进程传递的对象；

2.0.0.2 Android中进程和线程的关系？什么是IPC？为什么须要进行IPC？多进程通讯可能会出现什么问题？

  • Android中进程和线程的关系？缓存

    • 一个APP通常对应一个进程和有限个线程安全

      • 通常对应一个进程，固然，能够在AndroidMenifest中给四大组件指定属性android:process开启多进程模式
      • 有限个线程：线程是一种受限的系统资源，不可无限制的产生且线程的建立和销毁都有必定的开销。
  • 什么是IPC？

  • 为什么须要进行IPC？服务器

    • 进程间通讯的必要性
    • 全部运行在不一样进程的四大组件，只要它们之间须要经过内存在共享数据，都会共享失败。这是因为Android为每一个应用分配了独立的虚拟机，不一样的虚拟机在内存分配上有不一样的地址空间，这会致使在不一样的虚拟机中访问同一个类的对象会产生多份副本。技术博客大总结

  • 多进程形成的影响可总结为如下四方面

    • 静态变量和单例模式失效：由独立的虚拟机形成
    • 线程同步机制失效：由独立的虚拟机形成
    • SharedPreference的不可靠降低：不支持两个进程同时进行读写操做，即不支持并发读写，有必定概率致使数据丢失
    • Application屡次建立：Android系统会为新的进程分配独立虚拟机，至关于系统又把这个应用从新启动了一次。

2.0.0.3 Binder的工做流程是怎样的？Binder主要能提供哪些功能？Binder通讯机制原理是怎样的？

  • Binder的工做流程是怎样的？

    • 1客户端首先获取服务器端的代理对象。所谓的代理对象实际上就是在客户端创建一个服务端的“引用”，该代理对象具备服务端的功能，使其在客户端访问服务端的方法就像访问本地方法同样。
    • 2客户端经过调用服务器代理对象的方式向服务器端发送请求。
    • 3代理对象将用户请求经过Binder驱动发送到服务器进程。
    • 4服务器进程处理用户请求，并经过Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象。
    • 5客户端收到服务端的返回结果。

  • binder工做流程图以下所示：

    • image

  • Binder主要能提供哪些功能？

    • 用驱动程序来推动进程间的通讯。
    • 经过共享内存来提升性能。
    • 为进程请求分配每一个进程的线程池。
    • 针对系统中的对象引入了引用计数和跨进程的对象引用映射。
    • 进程间同步调用。

  • Binder通讯机制原理是怎样的？

    • image
    • Server进程向ServiceManager注册，告诉ServiceManager我是谁，我有什么，我能作什么。就比如徐同窗（Server进程）有一台笔记本（computer对象），这台笔记本有个add方法。这时映射关系表就生成了。技术博客大总结
    • Client进程向ServiceManager查询，我要调用Server进程的computer对象的add方法，能够看到这个过程通过Binder驱动，这时候Binder驱动就开始发挥他的做用了。当向ServiceManager查询完毕，是返回一个computer对象给Client进程吗？其实否则，Binder驱动将computer对象转换成了computerProxy对象，并转发给了Client进程，所以，Client进程拿到的并非真实的computer对象，而是一个代理对象，即computerProxy对象。很容易理解这个computerProxy对象也是有add方法，（若是连add方法都没有，岂不是欺骗了Client？），可是这个add方法只是对参数进行一些包装而已。
    • 当Client进程调用add方法，这个消息发送给Binder驱动，这时驱动发现，原来是computerProxy，那么Client进程应该是须要调用computer对象的add方法的，这时驱动通知Server进程，调用你的computer对象的add方法，将结果给我。而后Server进程就将计算结果发送给驱动，驱动再转发给Client进程，这时Client进程还蒙在了鼓里，他觉得本身调用的是真实的computer对象的add方法，其实他只是调用了代理而已。不过Client最终仍是拿到了计算结果。

2.0.0.4 Android中为什么新增Binder来做为主要的IPC方式？Binder运行机制是怎样的？Binder机制有什么优点？

  • Binder运行机制是怎样的？

    • Binder基于Client-Server通讯模式，除了Client端和Server端，还有两角色一块儿合做完成进程间通讯功能。

    • Binder通讯的四个角色：

      • Client进程：使用服务的进程。
      • Server进程：提供服务的进程。
      • ServiceManager进程：ServiceManager的做用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client可以经过Binder名字得到对Server中Binder实体的引用。
      • Binder驱动：驱动负责进程之间Binder通讯的创建，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。
    • 接触这些概念可能会以为难于理解，读者能够把四个角色和熟悉的互联网进行类比：Server是服务器，Client是客户终端，ServiceManager是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

  • Binder机制有什么优点

    • 传输效率高、可操做性强：传输效率主要影响因素是内存拷贝的次数，拷贝次数越少，传输速率越高。从Android进程架构角度分析：对于消息队列、Socket和管道来讲，数据先从发送方的缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，再从内核缓存区拷贝到接收方的缓存区，一共两次拷贝
    • 技术博客大总结
    • 对于Binder来讲，数据从发送方的缓存区拷贝到内核的缓存区，而接收方的缓存区与内核的缓存区是映射到同一块物理地址的，节省了一次数据拷贝的过程
    • 因为共享内存操做复杂，综合来看，Binder的传输效率是最好的。
    • 实现C/S架构方便：Linux的众IPC方式除了Socket之外都不是基于C/S架构，而Socket主要用于网络间的通讯且传输效率较低。Binder基于C/S架构 ，Server端与Client端相对独立，稳定性较好。
    • 安全性高：传统Linux IPC的接收方没法得到对方进程可靠的UID/PID，从而没法鉴别对方身份；而Binder机制为每一个进程分配了UID/PID且在Binder通讯时会根据UID/PID进行有效性检测。

2.0.0.5 Android中跨进程通信的几种方式？实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？

  • Android中跨进程通信的几种方式？

    • Android 跨进程通讯，像intent，contentProvider,广播，service均可以跨进程通讯。

      • intent：这种跨进程方式并非访问内存的形式，它须要传递一个uri,好比说打电话。
      • contentProvider：这种形式，是使用数据共享的形式进行数据共享。
      • service：远程服务，aidl
      • 广播技术博客大总结

  • 实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？

    • 经过AIDL实现方式解释Binder数据传输的具体过程

      • 服务端中的Service给与其绑定的客户端提供Binder对象，客户端经过AIDL接口中的asInterface()将这个Binder对象转换为代理Proxy，并经过它发起RPC请求。客户端发起请求时会挂起当前线程，并将参数写入data而后调用transact()，RPC请求会经过系统底层封装后由服务端的onTransact()处理，并将结果写入reply，最后返回调用结果并唤醒客户端线程。

    • AIDL原理是什么？如何优化多模块都使用AIDL的状况？

      • AIDL(Android Interface Definition Language，Android接口定义语言)：若是在一个进程中要调用另外一个进程中对象的方法，可以使用AIDL生成可序列化的参数，AIDL会生成一个服务端对象的代理类，经过它客户端实现间接调用服务端对象的方法。
      • AIDL的本质是系统提供了一套可快速实现Binder的工具。关键类和方法：
      AIDL接口：继承IInterface。
Stub类：Binder的实现类，服务端经过这个类来提供服务。
Proxy类：服务器的本地代理，客户端经过这个类调用服务器的方法。
asInterface()：客户端调用，将服务端的返回的Binder对象，转换成客户端所须要的AIDL接口类型对象。返回对象：
    若客户端和服务端位于同一进程，则直接返回Stub对象自己；
    不然，返回的是系统封装后的Stub.proxy对象。
asBinder()：根据当前调用状况返回代理Proxy的Binder对象。
onTransact()：运行服务端的Binder线程池中，当客户端发起跨进程请求时，远程请求会经过系统底层封装后交由此方法来处理。
transact()：运行在客户端，当客户端发起远程请求的同时将当前线程挂起。以后调用服务端的onTransact()直到远程请求返回，当前线程才继续执行。
      • 当有多个业务模块都须要AIDL来进行IPC，此时须要为每一个模块建立特定的aidl文件，那么相应的Service就会不少。必然会现系统资源耗费严重、应用过分重量级的问题。解决办法是创建Binder链接池，即将每一个业务模块的Binder请求统一转发到一个远Service中去执行，从而避免重复建立Service。
      • 工做原理：每一个业务模块建立本身的AIDL接口并实现此接口，而后向服务端提供本身的惟一标识和其对应的Binder对象。服务端只须要一个Service，服务器提供一个queryBinder接口，它会根据业务模块的特征来返回相应的Binder对像，不一样的业务模块拿到所需的Binder对象后就可进行远程方法的调用了。

2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式？简单对比下？

  • image

2.0.0.7 为什么说Binder相比传统的Socket性能更高效？为什么说Binder相比传统IPC安全性更高？

  • 为什么说Binder相比传统的Socket性能更高效？

    • 跨进程通信中，只有socket支持Client-Server的通讯方式，可是socket做为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通讯和本机上进程间的低速通讯。
    • 消息队列和管道采用存储-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，而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。

  • 为什么说Binder相比传统IPC安全性更高？

    • 首先传统IPC的接收方没法得到对方进程可靠的UID和PID（用户ID进程ID），从而没法鉴别对方身份。Android为每一个安装好的应用程序分配了本身的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制自己在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，没法创建私有通道。好比命名管道的名称，systemV的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序均可以和对端创建链接，无论怎样都没法阻止恶意程序经过猜想接收方地址得到链接。
    • 基于以上缘由，Android须要创建一套新的IPC机制来知足系统对通讯方式，传输性能和安全性的要求，这就是Binder。
    • Binder基于Client-Server通讯模式，传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份，既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高。技术博客大总结

2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的？Server和Client是如何得到Service Manager接口的？

  • Service Manager是如何成为一个守护进程的？

    • Service Manager，它是整个Binder机制的守护进程，用来管理开发者建立的各类Server，而且向Client提供查询Server远程接口的功能技术博客大总结
    • 既然Service Manager组件是用来管理Server而且向Client提供查询Server远程接口的功能，那么，Service Manager就必然要和Server以及Client进行通讯了。咱们知道，Service Manger、Client和Server三者分别是运行在独立的进程当中，这样它们之间的通讯也属于进程间通讯了，并且也是采用Binder机制进行进程间通讯，所以，Service Manager在充当Binder机制的守护进程的角色的同时，也在充当Server的角色，然而，它是一种特殊的Server，下面咱们将会看到它的特殊之处

    • Service Manager在用户空间的源代码位于frameworks/base/cmds/servicemanager目录下，主要是由binder.h、binder.c和service_manager.c三个文件组成。Service Manager的入口位于service_manager.c文件中的main函数：

      int main(int argc, char **argv){
    struct binder_state *bs;
    void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;
    bs = binder_open(128*1024);
    if (binder_become_context_manager(bs)) {
        LOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    svcmgr_handle = svcmgr;
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    return 0;
}
    • main函数主要有三个功能：一是打开Binder设备文件；二是告诉Binder驱动程序本身是Binder上下文管理者，即咱们前面所说的守护进程；三是进入一个无穷循环，充当Server的角色，等待Client的请求

  • Server和Client是如何得到Service Manager接口的？

    • ServiceManager做为守护进程，Service Manager的职责固然就是为Server和Client服务了。那么，Server和Client如何得到Service Manager接口，进而享受它提供的服务呢？
    • Service Manager在Binder机制中既充当守护进程的角色，同时它也充当着Server角色，然而它又与通常的Server不同。对于普通的Server来讲，Client若是想要得到Server的远程接口，那么必须经过Service Manager远程接口提供的getService接口来得到，这自己就是一个使用Binder机制来进行进程间通讯的过程。而对于Service Manager这个Server来讲，Client若是想要得到Service Manager远程接口，却没必要经过进程间通讯机制来得到，由于Service Manager远程接口是一个特殊的Binder引用，它的引用句柄必定是0。
    • 通过一系列的调用...
    • 回到defaultServiceManager函数中，最终结果为：gDefaultServiceManager = new BpServiceManager(new BpBinder(0));
    • 这样，Service Manager远程接口就建立完成了，它本质上是一个BpServiceManager，包含了一个句柄值为0的Binder引用。技术博客大总结

  • 在Android系统的Binder机制中，Server和Client拿到这个Service Manager远程接口以后怎么用呢？

    • 对Server来讲，就是调用IServiceManager::addService这个接口来和Binder驱动程序交互了，即调用BpServiceManager::addService 。而BpServiceManager::addService又会调用经过其基类BpRefBase的成员函数remote得到原先建立的BpBinder实例，接着调用BpBinder::transact成员函数。在BpBinder::transact函数中，又会调用IPCThreadState::transact成员函数，这里就是最终与Binder驱动程序交互的地方了。回忆一下前面的类图，IPCThreadState有一个PorcessState类型的成中变量mProcess，而mProcess有一个成员变量mDriverFD，它是设备文件/dev/binder的打开文件描述符，所以，IPCThreadState就至关于间接在拥有了设备文件/dev/binder的打开文件描述符，因而，即可以与Binder驱动程序交互了。
    • 对Client来讲，就是调用IServiceManager::getService这个接口来和Binder驱动程序交互了。具体过程上述Server使用Service Manager的方法是差很少的。

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