一篇文章了解相见恨晚的 Android Binder 进程间通信

概述

最近在学习 Binder 机制，在网上查阅了大量的资料，也看了老罗的 Binder 系列的博客和 Innost 的深刻理解 Binder 系列的博客，都是从底层开始讲的，全是 C 代码，虽然以前学过 C 和 C++，然而各类函数之间花式跳转，看的我都怀疑人生。绝不夸张的讲每看一遍都是新的内容，跟没看过同样。后来又看到了 Gityuan 的博客看到了一些图解仿佛发现了新大陆。
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下面就以图解的方式介绍下 Binder 机制，相信你看这篇文章，必定有所收获。

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什么是 Binder？

Binder 是 Android 系统中进程间通信（IPC）的一种方式，也是 Android 系统中最重要的特性之一。Android 中的四大组件 Activity，Service，Broadcast，ContentProvider，不一样的 App 等都运行在不一样的进程中，它是这些进程间通信的桥梁。正如其名“粘合剂”同样，它把系统中各个组件粘合到了一块儿，是各个组件的桥梁。

理解 Binder 对于理解整个 Android 系统有着很是重要的做用，若是对 Binder 不了解，就很难对 Android 系统机制有更深刻的理解。

1. Binder 架构

• Binder 通讯采用 C/S 架构，从组件视角来讲，包含 Client、 Server、 ServiceManager 以及 Binder 驱动，其中 ServiceManager 用于管理系统中的各类服务。
• Binder 在 framework 层进行了封装，经过 JNI 技术调用 Native（C/C++）层的 Binder 架构。
• Binder 在 Native 层以 ioctl 的方式与 Binder 驱动通信。

2. Binder 机制

• 首先须要注册服务端，只有注册了服务端，客户端才有通信的目标，服务端经过 ServiceManager 注册服务，注册的过程就是向 Binder 驱动的全局链表 binder_procs 中插入服务端的信息（binder_proc 结构体，每一个 binder_proc 结构体中都有 todo 任务队列），而后向 ServiceManager 的 svcinfo 列表中缓存一下注册的服务。

• 有了服务端，客户端就能够跟服务端通信了，通信以前须要先获取到服务，拿到服务的代理，也能够理解为引用。好比下面的代码：

  //获取WindowManager服务引用WindowManager wm = (WindowManager)getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);

  获取服务端的方式就是经过 ServiceManager 向 svcinfo 列表中查询一下返回服务端的代理，svcinfo 列表就是全部已注册服务的通信录，保存了全部注册的服务信息。

• 有了服务端的引用咱们就能够向服务端发送请求了，经过 BinderProxy 将咱们的请求参数发送给 ServiceManager，经过共享内存的方式使用内核方法 copy_from_user() 将咱们的参数先拷贝到内核空间，这时咱们的客户端进入等待状态，而后 Binder 驱动向服务端的 todo 队列里面插入一条事务，执行完以后把执行结果经过 copy_to_user() 将内核的结果拷贝到用户空间（这里只是执行了拷贝命令，并无拷贝数据，binder只进行一次拷贝），唤醒等待的客户端并把结果响应回来，这样就完成了一次通信。

怎么样是否是很简单，以上就是 Binder 机制的主要通信方式，下面咱们来看看具体实现。

3. Binder 驱动

咱们先来了解下用户空间与内核空间是怎么交互的。

先了解一些概念

用户空间/内核空间

详细解释能够参考 Kernel Space Definition；简单理解以下：

Kernel space 是 Linux 内核的运行空间，User space 是用户程序的运行空间。为了安全，它们是隔离的，即便用户的程序崩溃了，内核也不受影响。

Kernel space 能够执行任意命令，调用系统的一切资源；User space 只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源，必须经过系统接口（又称 system call），才能向内核发出指令。

系统调用/内核态/用户态

虽然从逻辑上抽离出用户空间和内核空间；可是不可避免的的是，总有那么一些用户空间须要访问内核的资源；好比应用程序访问文件，网络是很常见的事情，怎么办呢？

Kernel space can be accessed by user processes only through the use of system calls.

用户空间访问内核空间的惟一方式就是系统调用；经过这个统一入口接口，全部的资源访问都是在内核的控制下执行，以避免致使对用户程序对系统资源的越权访问，从而保障了系统的安全和稳定。用户软件参差不齐，要是它们乱搞把系统玩坏了怎么办？所以对于某些特权操做必须交给安全可靠的内核来执行。

当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，咱们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程在执行用户本身的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。

内核模块/驱动

经过系统调用，用户空间能够访问内核空间，那么若是一个用户空间想与另一个用户空间进行通讯怎么办呢？很天然想到的是让操做系统内核添加支持；传统的 Linux 通讯机制，好比 Socket，管道等都是内核支持的；可是 Binder 并非 Linux 内核的一部分，它是怎么作到访问内核空间的呢？Linux 的动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM）机制解决了这个问题；模块是具备独立功能的程序，它能够被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被连接到内核做为内核的一部分在内核空间运行。这样，Android系统能够经过添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间的经过这个模块做为桥梁，就能够完成通讯了。

在 Android 系统中，这个运行在内核空间的，负责各个用户进程经过 Binder 通讯的内核模块叫作 Binder 驱动;

驱动程序通常指的是设备驱动程序（Device Driver），是一种可使计算机和设备通讯的特殊程序。至关于硬件的接口，操做系统只有经过这个接口，才能控制硬件设备的工做；

驱动就是操做硬件的接口，为了支持 Binder 通讯过程，Binder 使用了一种“硬件”，所以这个模块被称之为驱动。

熟悉了上面这些概念，咱们再来看下上面的图，用户空间中 binder_open(), binder_mmap(), binder_ioctl() 这些方法经过 system call 来调用内核空间 Binder 驱动中的方法。内核空间与用户空间共享内存经过 copy_from_user(), copy_to_user() 内核方法来完成用户空间与内核空间内存的数据传输。Binder驱动中有一个全局的 binder_procs 链表保存了服务端的进程信息。

4. Binder 进程与线程

对于底层Binder驱动，经过 binder_procs 链表记录全部建立的 binder_proc 结构体，binder 驱动层的每个 binder_proc 结构体都与用户空间的一个用于 binder 通讯的进程一一对应，且每一个进程有且只有一个 ProcessState 对象，这是经过单例模式来保证的。在每一个进程中能够有不少个线程，每一个线程对应一个 IPCThreadState 对象，IPCThreadState 对象也是单例模式，即一个线程对应一个 IPCThreadState 对象，在 Binder 驱动层也有与之相对应的结构，那就是 Binder_thread 结构体。在 binder_proc 结构体中经过成员变量 rb_root threads，来记录当前进程内全部的 binder_thread。

Binder 线程池：每一个 Server 进程在启动时建立一个 binder 线程池，并向其中注册一个 Binder 线程；以后 Server 进程也能够向 binder 线程池注册新的线程，或者 Binder 驱动在探测到没有空闲 binder 线程时主动向 Server 进程注册新的的 binder 线程。对于一个 Server 进程有一个最大 Binder 线程数限制，默认为16个 binder 线程，例如 Android 的 system_server 进程就存在16个线程。对于全部 Client 端进程的 binder 请求都是交由 Server 端进程的 binder 线程来处理的。

5. ServiceManager 启动

了解了 Binder 驱动，怎么与 Binder 驱动进行通信呢？那就是经过 ServiceManager，好多文章称 ServiceManager 是 Binder 驱动的守护进程，大管家，其实 ServiceManager 的做用很简单就是提供了查询服务和注册服务的功能。下面咱们来看一下 ServiceManager 启动的过程。

• ServiceManager 分为 framework 层和 native 层，framework 层只是对 native 层进行了封装方便调用，图上展现的是 native 层的 ServiceManager 启动过程。
• ServiceManager 的启动是系统在开机时，init 进程解析 init.rc 文件调用 service_manager.c 中的 main() 方法入口启动的。native 层有一个 binder.c 封装了一些与 Binder 驱动交互的方法。
• ServiceManager 的启动分为三步，首先打开驱动建立全局链表 binder_procs，而后将本身当前进程信息保存到 binder_procs 链表，最后开启 loop 不断的处理共享内存中的数据，并处理 BR_xxx 命令（ioctl 的命令，BR 能够理解为 binder reply 驱动处理完的响应）。

6. ServiceManager 注册服务

• 注册 MediaPlayerService 服务端，咱们经过 ServiceManager 的 addService() 方法来注册服务。
• 首先 ServiceManager 向 Binder 驱动发送 BC_TRANSACTION 命令（ioctl 的命令，BC 能够理解为 binder client 客户端发过来的请求命令）携带 ADD_SERVICE_TRANSACTION 命令，同时注册服务的线程进入等待状态 waitForResponse()。Binder 驱动收到请求命令向 ServiceManager 的 todo 队列里面添加一条注册服务的事务。事务的任务就是建立服务端进程 binder_node 信息并插入到 binder_procs 链表中。
• 事务处理完以后发送 BR_TRANSACTION 命令，ServiceManager 收到命令后向 svcinfo 列表中添加已经注册的服务。最后发送 BR_REPLY 命令唤醒等待的线程，通知注册成功。

7. ServiceManager 获取服务

• 获取服务的过程与注册相似，相反的过程。经过 ServiceManager 的 getService() 方法来注册服务。
• 首先 ServiceManager 向 Binder 驱动发送 BC_TRANSACTION 命令携带 CHECK_SERVICE_TRANSACTION 命令，同时获取服务的线程进入等待状态 waitForResponse()。
• Binder 驱动收到请求命令向 ServiceManager 的发送 BC_TRANSACTION 查询已注册的服务，查询到直接响应 BR_REPLY 唤醒等待的线程。若查询不到将与 binder_procs 链表中的服务进行一次通信再响应。

8. 进行一次完整通信

• 咱们在使用 Binder 时基本都是调用 framework 层封装好的方法，AIDL 就是 framework 层提供的傻瓜式是使用方式。假设服务已经注册完，咱们来看看客户端怎么执行服务端的方法。
• 首先咱们经过 ServiceManager 获取到服务端的 BinderProxy 代理对象，经过调用 BinderProxy 将参数，方法标识（例如：TRANSACTION_test，AIDL中自动生成）传给  ServiceManager，同时客户端线程进入等待状态。
• ServiceManager 将用户空间的参数等请求数据复制到内核空间，并向服务端插入一条执行执行方法的事务。事务执行完通知 ServiceManager 将执行结果从内核空间复制到用户空间，并唤醒等待的线程，响应结果，通信结束。

总结

好了，这里只是从实现逻辑上简单介绍了下 Binder 机制的工做原理，想要深刻理解 Binder 机制，还得本身下功夫，看源码，尽管这个过程很痛苦。一遍看不懂就再来一遍，说实话本人理解能力比较差，跟着博客思路看了不下十遍。努力总会有收获，好好欣赏 native 层各方法之间花式跳转的魅力吧。最后你将发现新世界的大门在向你敞开。

网上资料不少，我的以为比较好的以下：

1. Bander设计与实现
2. 老罗的 Android进程间通讯（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划 系列
3. Innost的 深刻理解Binder 系列
4. Gityuan的 Binder系列 (基于 Android 6.0)
5. Binder学习指南

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