怎么理解ANDROID的BINDER通信架构

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一. 引言

1.1 Binder架构的思考

Android内核是基于Linux系统, 而Linux现存多种进程间IPC方式:管道, 消息队列, 共享内存, 套接字, 信号量, 信号. 为什么Android非要用Binder来进行进程间通信呢？

在说到Binder架构之前, 先简单说说大家熟悉的TCP/IP的五层通信体系结构:

• 应用层: 直接为用户提供服务;

• 传输层: 传输的是报文(TCP数据)或者用户数据报(UDP数据)

• 网络层: 传输的是包(Packet), 例如路由器

• 数据链路层: 传输的是帧(Frame), 例如以太网交换机

• 物理层: 相邻节点间传输bit, 例如集线器,双绞线等

这是经典的五层TPC/IP协议体系, 这样分层设计的思想, 让每一个子问题都设计成一个独立的协议, 这协议的设计/分析/实现/测试都变得更加简单:

• 层与层具有独立性, 例如应用层可以使用传输层提供的功能而无需知晓其实现原理;

• 设计灵活, 层与层之间都定义好接口, 即便层内方法发生变化,只有接口不变, 对这个系统便毫无影响;

• 结构的解耦合, 让每一层可以用更适合的技术方案, 更合适的语言;

• 方便维护, 可分层调试和定位问题;

Binder架构也是采用分层架构设计, 每一层都有其不同的功能:

• Java应用层: 对于上层应用通过调用AMP.startService, 完全可以不用关心底层,经过层层调用,最终必然会调用到AMS.startService.

• Java IPC层: Binder通信是采用C/S架构, Android系统的基础架构便已设计好Binder在Java framework层的Binder客户类BinderProxy和服务类Binder;

• Native IPC层: 对于Native层,如果需要直接使用Binder(比如media相关), 则可以直接使用BpBinder和BBinder(当然这里还有JavaBBinder)即可, 对于上一层Java IPC的通信也是基于这个层面.

• Kernel物理层: 这里是Binder Driver, 前面3层都跑在用户空间,对于用户空间的内存资源是不共享的,每个Android的进程只能运行在自己进程所拥有的虚拟地址空间, 而内核空间却是可共享的. 真正通信的核心环节还是在Binder Driver。

1.2 分析起点

• Binder在Android系统使用颇为广泛, 几乎是整个Android架构的顶梁柱, Binder系统如此庞大, 那么这里需要寻求一个出发点来穿针引线, 一窥视Binder全貌. 那么本文将从全新的视角,以startService流程分析 为例子来说说Binder所其作用.首先在发起方进程调用AMP.startService，经过binder驱动，最终调用系统进程AMS.startService,如下图:

AMP和AMN都是实现了IActivityManager接口,AMS继承于AMN. 其中AMP作为Binder的客户端,运行在各个app所在进程, AMN(或AMS)运行在系统进程system_server.

1.3 Binder IPC原理

Binder通信采用C/S架构，从组件视角来说，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动，其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。下面说说startService过程所涉及的Binder对象的架构图：

可以看出无论是注册服务和获取服务的过程都需要ServiceManager，需要注意的是此处的Service Manager是指Native层的ServiceManager（C++），并非指framework层的ServiceManager(Java)。ServiceManager是整个Binder通信机制的大管家，是Android进程间通信机制Binder的守护进程，Client端和Server端通信时都需要先获取Service Manager接口，才能开始通信服务, 当然查找懂啊目标信息可以缓存起来则不需要每次都向ServiceManager请求。

图中Client/Server/ServiceManage之间的相互通信都是基于Binder机制。既然基于Binder机制通信，那么同样也是C/S架构，则图中的3大步骤都有相应的Client端与Server端。

1. 注册服务：首先AMS注册到ServiceManager。该过程：AMS所在进程(system_server)是客户端，ServiceManager是服务端。

2. 获取服务：Client进程使用AMS前，须先向ServiceManager中获取AMS的代理类AMP。该过程：AMP所在进程(app process)是客户端，ServiceManager是服务端。

3. 使用服务： app进程根据得到的代理类AMP,便可以直接与AMS所在进程交互。该过程：AMP所在进程(app process)是客户端，AMS所在进程(system_server)是服务端。

图中的Client,Server,Service Manager之间交互都是虚线表示，是由于它们彼此之间不是直接交互的，而是都通过与Binder Driver进行交互的，从而实现IPC通信方式。其中Binder驱动位于内核空间，Client,Server,Service Manager位于用户空间。Binder驱动和Service Manager可以看做是Android平台的基础架构，而Client和Server是Android的应用层.

这3大过程每一次都是一个完整的Binder IPC过程, 接下来从源码角度, 仅介绍第3过程使用服务, 即展开

Tips: 如果你只想了解大致过程,并不打算细扣源码, 那么你可以略过通信过程源码分析, 仅看本文第一段落和最后段落也能对Binder所有理解.

二. 通信过程

2.1 AMP.startService

[→ ActivityManagerNative.java ::ActivityManagerProxy]

主要功能:

• 获取或创建两个Parcel对象,data用于发送数据，reply用于接收应答数据.

• 将startService相关数据都封装到Parcel对象data, 其中descriptor = “android.app.IActivityManager”;

• 通过Binder传递数据,并将应答消息写入reply;

• 读取reply应答消息的异常情况和组件对象;

2.2 Parcel.obtain

[→ Parcel.java]

sOwnedPool是一个大小为6，存放着parcel对象的缓存池,这样设计的目标是用于节省每次都创建Parcel对象的开销。obtain()方法的作用：

1. 先尝试从缓存池sOwnedPool中查询是否存在缓存Parcel对象，当存在则直接返回该对象;

2. 如果没有可用的Parcel对象，则直接创建Parcel对象。

2.2.1 new Parcel

[→ Parcel.java]

nativeCreate这是native方法,经过JNI进入native层, 调用android_os_Parcel_create()方法.

2.2.2 android_os_Parcel_create

[→ android_os_Parcel.cpp]

创建C++层的Parcel对象, 该对象指针强制转换为long型, 并保存到Java层的mNativePtr对象. 创建完Parcel对象利用Parcel对象写数据. 接下来以writeString为例.

2.2.3 Parcel.recycle

将不再使用的Parcel对象放入缓存池，可回收重复利用，当缓存池已满则不再加入缓存池。这里有两个Parcel线程池,mOwnsNativeParcelObject变量来决定:

• mOwnsNativeParcelObject=true, 即调用不带参数obtain()方法获取的对象, 回收时会放入sOwnedPool对象池;

• mOwnsNativeParcelObject=false, 即调用带nativePtr参数的obtain(long)方法获取的对象, 回收时会放入sHolderPool对象池;

2.3 writeString

[→ Parcel.java]

2.3.1 nativeWriteString

[→ android_os_Parcel.cpp]

2.3.2 writeString16

[→ Parcel.cpp]

Tips: 除了writeString(),在Parcel.java中大量的native方法, 都是调用android_os_Parcel.cpp相对应的方法, 该方法再调用Parcel.cpp中对应的方法.

调用流程: Parcel.java –> android_os_Parcel.cpp –> Parcel.cpp.

2.4 mRemote究竟为何物

mRemote的出生,要出先说说ActivityManagerProxy对象(简称AMP)创建说起, AMP是通过ActivityManagerNative.getDefault()来获取的.

2.4.1 AMN.getDefault

[→ ActivityManagerNative.java]

gDefault的数据类型为Singleton, 这是一个单例模式, 接下来看看Singleto.get()的过程

2.4.2 gDefault.get

首次调用时需要创建,创建完之后保持到mInstance对象,之后可直接使用.

2.4.3 gDefault.create

文章Binder系列7—framework层分析，可知ServiceManager.getService(“activity”)返回的是指向目标服务AMS的代理对象BinderProxy对象，由该代理对象可以找到目标服务AMS所在进程

2.4.4 AMN.asInterface

[→ ActivityManagerNative.java]

此时obj为BinderProxy对象, 记录着远程进程system_server中AMS服务的binder线程的handle.

2.4.5 queryLocalInterface

[Binder.java]

对于Binder IPC的过程中, 同一个进程的调用则会是asInterface()方法返回的便是本地的Binder对象;对于不同进程的调用则会是远程代理对象BinderProxy.

2.4.6 创建AMP

[→ ActivityManagerNative.java :: AMP]

可知mRemote便是指向AMS服务的BinderProxy对象。

2.5 mRemote.transact

[→ Binder.java ::BinderProxy]

mRemote.transact()方法中的code=START_SERVICE_TRANSACTION, data保存了descriptor，caller, intent,resolvedType, callingPackage, userId这6项信息。

transactNative是native方法，经过jni调用android_os_BinderProxy_transact方法。

2.6 android_os_BinderProxy_transact

[→ android_util_Binder.cpp]

gBinderProxyOffsets.mObject中保存的是BpBinder对象, 这是开机时Zygote调用AndroidRuntime::startReg方法来完成jni方法的注册.

其中register_android_os_Binder()过程就有一个初始并注册BinderProxy的操作,完成gBinderProxyOffsets的赋值过程. 接下来就进入该方法.

2.7 BpBinder.transact

[→ BpBinder.cpp]

IPCThreadState::self()采用单例模式，保证每个线程只有一个实例对象。

2.8 IPC.transact

[→ IPCThreadState.cpp]

transact主要过程:

• 先执行writeTransactionData()已向Parcel数据类型的mOut写入数据，此时mIn还没有数据；

• 然后执行waitForResponse()方法，循环执行，直到收到应答消息. 调用talkWithDriver()跟驱动交互，收到应答消息，便会写入mIn, 则根据收到的不同响应吗，执行相应的操作。

此处调用waitForResponse根据是否有设置TF_ONE_WAY的标记:

• 当已设置oneway时, 则调用waitForResponse(NULL, NULL);

• 当未设置oneway时, 则调用waitForResponse(reply) 或 waitForResponse(&fakeReply)

2.9 IPC.writeTransactionData

[→ IPCThreadState.cpp]

将数据写入mOut

读到这里，这篇“怎么理解ANDROID的BINDER通信架构”文章已经介绍完毕，想要掌握这篇文章的知识点还需要大家自己动手实践使用过才能领会，如果想了解更多相关内容的文章，欢迎关注创新互联行业资讯频道。