Android Binder的原理與使用
前言
Binder是安卓中實現(xiàn)IPC（進程間通信的）常用手段，四大組件之間的跨進程通信也是利用Binder實現(xiàn)的，Binder是學習四大組件工作原理的的一個重要基礎。 好多文章都會深入C代碼去介紹Binder的工作流程，沒點水平真的難以理解，本文不會太深入底層去剖析原理，盡可能較為簡單的讓大家了解Binder是怎么工作的。
Binder的使用
在介紹Binder原理之前，我們先來看看在安卓中怎么使用Binder來進程間通信。 在使用之前我們先來介紹Binder的幾個方法：
public final boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)
protected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)
這兩個方法分別代表了客戶端和服務端，transact用來發(fā)送消息，onTransact負責接收transact傳過來的消息，這一點很容易理解。
- code 方法標識符，在相同進程中，我們很容易的通過方法調用來執(zhí)行我們的目標方法，但是在不同的進程間，方法調用的方式就不能再用了，所以我們使用code來表示遠程調用函數(shù)的標識。這個標識必須介于FIRST_CALL_TRANSACTION（0x00000001）和LAST_CALL_TRANSACTION（0x00ffffff）之間。
- data Parcel類型的數(shù)據(jù)包，要傳給客戶端的請求參數(shù)。
- reply 如果客戶端需要返回值，則reply就是服務端返回的數(shù)據(jù)。
- flags 用來區(qū)分這個調用是普通調用還是單程調用，普通調用時，Client端線程會阻塞，直到從Server端接收到返回值，若flag==IBinder.FLAG_ONEWAY，則這次調用是單程調用，Client在傳出數(shù)據(jù)后會立即執(zhí)行下一段代碼，此時兩端異步執(zhí)行，單程調用時函數(shù)返回值必須為void （也就是單程調用必須舍棄返回值，要返回值就必須阻塞等待）
利用這兩個方法我們就可以實現(xiàn)Client和Server端的通信，接下來我們看看具體該怎么使用。 在Server接收到Client傳來的消息（data）時，會對data進行驗證data.enforceInterface(DESCRIPTOR)，DESCRIPTOR是一個字符串類型的描述符，當data的描述符跟DESCRIPTOR相同時才能通過驗證。
public class Stub extends Binder {
//描述符
public static final java.lang.String DESCRIPTOR = "MyTestBinder";
//code 方法描述符
public static final int TRANSACTION_test0 = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
public static final int TRANSACTION_test1 = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);
@Override
protected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
switch (code) {
case TRANSACTION_test0:
//驗證描述符
data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
//執(zhí)行方法
test0();
return true;
case TRANSACTION_test1:
//驗證描述符
data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
//執(zhí)行方法
test1(data, reply);
return true;
}
return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}
//無返回值
private void test0() {
Log.d("MyBinderServer", "test0");
}
//有返回值
private void test1(Parcel data, Parcel reply) {
Log.d("MyBinderServer", "test1");
reply.writeInt(data.readInt() + 1);
}
}
我們知道，要想實現(xiàn)Client和Server端的通信連接，就必須讓client知道server端的地址，就跟Http請求，我們要知道服務端的ip和端口。Binder通信其實也是一樣的，那么我們怎么讓Client拿到Server的地址呢？ 一種是跟Http請求一樣，我們知道Http請求要把域名轉換成ip和端口，這就是DNS，我們也需要一個Binder的DNS。安卓中也為我們提供了Binder的“DNS”那就是ServiceManager，ServiceManager中注冊了所有系統(tǒng)服務（如MediaServer等），我們可以使用ServiceManager拿到遠程的Binder地址，這種方式叫做有名Binder查找（有名Binder，如MediaServer等這些系統(tǒng)服務被注冊的時候都是有名字的，比如，我們通過WINDOW_SERVICE這個名字就能拿到WindowManager）。但是問題是向ServiceManager注冊服務的過程是系統(tǒng)進程實現(xiàn)的，我們的應用進程不能注冊自己的Binder。 另一種就是利用有名的Binder來輔助傳遞匿名的Binder，也就是說如果有某個有名Binder服務它提供了傳遞Binder的方法，那么我們就可以通過這個Binder服務來傳遞我們的匿名Binder，我們查找到這個有名的Binder是不是就能拿到我們的匿名Binder。正好AMS其實提供了這樣的功能，它通過Service.onBind把匿名的Binder封裝在了Service里面供我們調用。
public class MyService extends Service {
@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
return new Stub();
}
}
我們使用binderService()來獲取遠程的Binder。
Intent serviceIntent = new Intent(this, MyService.class);
bindService(serviceIntent, new ServiceConnection() {
@Override
public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
//service可以理解為是遠程Binder的地址，我們利用他跟遠程通信，C++層會轉換這個IBinder跟Binder進行通信
}
@Override
public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
}
}, BIND_AUTO_CREATE);
獲取到Binder之后我們補充好通信的代碼：
bindService(serviceIntent, new ServiceConnection() {
@Override
public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
Parcel data0 = Parcel.obtain();//請求參數(shù)
Parcel reply0 = Parcel.obtain();//響應參數(shù)
Parcel data1 = Parcel.obtain();
Parcel reply1 = Parcel.obtain();
//調用第一個方法
try {
//添加描述符
data0.writeInterfaceToken(Stub.DESCRIPTOR);
/*
* 寫入?yún)?shù)，要想傳遞多個int參數(shù)，順序調用writeInt
* data0.writeInt(10);
* data0.writeInt(20);
* 獲取
* int num10 = data0.readInt();
* int num20 = data0.readInt();
*/
data0.writeInt(10);
//發(fā)起遠程調用
service.transact(Stub.TRANSACTION_test0, data0, reply0, 0);
reply0.readException();
} catch (RemoteException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
data0.recycle();
reply0.recycle();
}
//調用第二個方法
try {
//添加描述符
data1.writeInterfaceToken(Stub.DESCRIPTOR);
data1.writeInt(10);
//發(fā)起遠程調用
service.transact(Stub.TRANSACTION_test1, data1, reply1, 0);
reply1.readException();
//讀取返回值
int num = reply1.readInt();
Log.d(TAG, "reply value: " + num);
} catch (RemoteException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
data1.recycle();
reply1.recycle();
}
}
@Override
public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
}
}, BIND_AUTO_CREATE);
為了方便調用，我們寫一個代理類來封裝通信過程
public class Proxy {
//描述符
public static final java.lang.String DESCRIPTOR = "MyTestBinder";
//code 方法描述符
public static final int TRANSACTION_test0 = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
public static final int TRANSACTION_test1 = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);
private IBinder mRemote;
public Proxy(IBinder remote) {
this.mRemote = remote;
}
public void test1() {
Parcel data0 = Parcel.obtain();//請求參數(shù)
Parcel reply0 = Parcel.obtain();//響應參數(shù)
//調用第一個方法
try {
//添加描述符
data0.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
/*
* 寫入?yún)?shù)，要想傳遞多個int參數(shù)，順序調用writeInt
* data0.writeInt(10);
* data0.writeInt(20);
* 獲取
* int num10 = data0.readInt();
* int num20 = data0.readInt();
*/
data0.writeInt(10);
//發(fā)起遠程調用
mRemote.transact(TRANSACTION_test0, data0, reply0, 0);
reply0.readException();
} catch (RemoteException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
data0.recycle();
reply0.recycle();
}
}
public int test2() {
Parcel data1 = Parcel.obtain();
Parcel reply1 = Parcel.obtain();
//調用第二個方法
int num = 0;
try {
//添加描述符
data1.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
data1.writeInt(10);
//發(fā)起遠程調用
mRemote.transact(TRANSACTION_test1, data1, reply1, 0);
reply1.readException();
//讀取返回值
num = reply1.readInt();
} catch (RemoteException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
data1.recycle();
reply1.recycle();
}
return num;
}
}
bindService(serviceIntent, new ServiceConnection() {
@Override
public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
Proxy proxy = new Proxy(service);
proxy.test1();
int i = proxy.test2();
}
@Override
public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
}
}, BIND_AUTO_CREATE);
模糊進程間調用
前邊就是Binder的使用方式，但是至此還遺留了一個問題，我們的Service只有指定了新的進程名之后才會是遠程調用，如果通過bindService 傳遞過來的IBinder對象是同進程的，那我們就不需要使用IBinder.transact進行內核通信了。我們知道同進程之間利用方法調用方式就可以做到通信。 我們在onServiceConnected打印IBinder類型，如果發(fā)現(xiàn)是遠程調用，傳給我們的 iBinder 是 BinderProxy 類型，BinderProxy是Binder的內部類一樣實現(xiàn)了IBinder接口，他在native層會對應一個C++的BpBinder，BpBinder 最終會通過Binder驅動跟Server端通信。如果是本地調用，打印出的類型為Stub，說明本地調用時，onServiceConnected傳過來的就是我們在Service的onBinde方法返回的Stub對象本身?；谶@個原理，我們可以設計一個轉換方法。
首先我們要怎么判斷當前是遠程調用還是同進程調用呢？ 我們使用queryLocalInterface(DESCRIPTOR)方法，Binder中queryLocalInterface不會返回空，而在BinderProxy的實現(xiàn)中，queryLocalInterface返回為null。 Binder：
public IInterface queryLocalInterface(String descriptor) {
if (mDescriptor != null && mDescriptor.equals(descriptor)) {
return mOwner;
}
return null;
}
mOwner是attachInterface方法傳進來的接口本身，后面還會出現(xiàn)這個方法。 BinderProxy：
public IInterface queryLocalInterface(String descriptor) {
return null;
}
當發(fā)現(xiàn)是遠程調用時我們創(chuàng)建上邊的Proxy來代理跨進程通信過程。要是本地調用我們直接返回本地Stub對象。
public static IMyInterface asInterface(IBinder iBinder){
if ((iBinder == null)) {
return null;
}
//獲取本地interface
IInterface iin = iBinder.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
if (((iin != null) && (iin instanceof IMyInterface))) {
//不為空，說明是本地調用，直接強轉后返回。
//IMyInterface封裝了test0()、test1()兩個方法，本地對象和Proxy都繼承自接口
return ((IMyInterface)iin );
}
//為null，遠程調用，新建代理
return new Proxy(iBinder);
}
把上面相關代碼完善之后
public interface IBinderTest extends android.os.IInterface {
/**
* 本地Stub對象
*/
public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements IBinderTest {
private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.XXX.XXXX.IBinderTest";
public Stub() {
//綁定DESCRIPTOR，并設置queryLocalInterface方法返回的mOwner
this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
}
/**
* 本地遠程轉換
*/
public static IBinderTest asInterface(android.os.IBinder obj) {
if ((obj == null)) {
return null;
}
android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
if (((iin != null) && (iin instanceof IBinderTest))) {
return ((IBinderTest) iin);
}
return new IBinderTest.Stub.Proxy(obj);
}
@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
return this;
}
/**
* 處理Client調用請求
*/
@Override
public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {
java.lang.String descriptor = DESCRIPTOR;
switch (code) {
case INTERFACE_TRANSACTION: {
reply.writeString(descriptor);
return true;
}
case TRANSACTION_testVoidAidl: {
data.enforceInterface(descriptor);
this.testVoidAidl();
reply.writeNoException();
return true;
}
case TRANSACTION_testStringAidl: {
data.enforceInterface(descriptor);
java.lang.String _result = this.testStringAidl();
reply.writeNoException();
reply.writeString(_result);
return true;
}
default: {
return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}
}
}
/**
* 遠程調用代理類
*/
private static class Proxy implements IBinderTest {
private android.os.IBinder mRemote;
Proxy(android.os.IBinder remote) {
mRemote = remote;
}
@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
return mRemote;
}
public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {
return DESCRIPTOR;
}
@Override
public void testVoidAidl() throws android.os.RemoteException {
android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
try {
_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_testVoidAidl, _data, _reply, 0);
_reply.readException();
} finally {
_reply.recycle();
_data.recycle();
}
}
@Override
public java.lang.String testStringAidl() throws android.os.RemoteException {
android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
java.lang.String _result;
try {
_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_testStringAidl, _data, _reply, 0);
_reply.readException();
_result = _reply.readString();
} finally {
_reply.recycle();
_data.recycle();
}
return _result;
}
}
/**
* 調用函數(shù)code
*/
static final int TRANSACTION_testVoidAidl = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
static final int TRANSACTION_testStringAidl = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);
}
public void testVoidAidl() throws android.os.RemoteException;
public java.lang.String testStringAidl() throws android.os.RemoteException;
}
如果你用過AIDL并且看過AIDL生成的代碼，你就會發(fā)現(xiàn)上面代碼就是AIDL生成的。 換掉Service的調用
public class MyService extends Service {
private String TAG = "MyService";
@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
return new MyBinder();
}
class MyBinder extends IBinderTest.Stub{
@Override
public void testVoidAidl() throws RemoteException {
Log.d(TAG, "testVoidAidl");
}
@Override
public String testStringAidl() throws RemoteException {
Log.d(TAG, "testStringAidl");
return "hello";
}
}
}
以上就是Binder的使用方法以及原理的簡單介紹。
Binder原理
之前介紹了Binder的基本使用，接下來我們來看下Binder的底層原理。
（圖片來源gityuan.com/2015/10/31/…），安卓的應用內存是隔離的，但是內核空間是共享的，我們要實現(xiàn)IPC就要靠共享的內核空間來交換數(shù)據(jù)。
Binder通信模型：
ioctl
Binder的通信原理：
由于用戶空間的隔離機制（沙盒模式），所以我們要利用內核空間進行IPC操作，用戶空間與內核空間的交互使用的是linux內核的ioctl函數(shù)，接下來簡單了解一下ioctl的使用。 ioctl可以控制I/O設備 （驅動設備），提供了一種獲得設備信息和向設備發(fā)送控制參數(shù)的手段。簡單來說就是使用ioctl可以對驅動設備進行操作。由于我們IPC的過程中內核空間使用虛擬驅動設備/dev/binder控制通信過程，我們要跟這個Binder驅動設備交互就要使用ioctl命令。 簡單介紹下，Linux要實現(xiàn)驅動設備的使用需要三個角色
- 應用程序（調用方），使用ioctl來發(fā)送操作指令。
- 驅動程序，用來處理ioctl傳來的指令，并完成對驅動設備的操作。驅動程序被注冊進內核之后，就會等待應用程序的調用。
- 驅動設備，在Binder機制中，驅動設備是/dev/binder，這個文件被映射到每個系統(tǒng)Service的虛擬內存中（后邊會講到），驅動程序可以操作這個文件進行進程間數(shù)據(jù)交互。
下圖是Linux中應用程序是怎么通過驅動來操作硬件設備的：
來個圖來說一下應用層與驅動程序函數(shù)的ioctl之間的聯(lián)系：
簡單介紹一下函數(shù)：
int (*ioctl) (struct inode * node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
參數(shù)：
- inode和file：ioctl的操作有可能是要修改文件的屬性，或者訪問硬件。要修改文件屬性的話，就要用到這兩個結構體了，所以這里傳來了它們的指針。
- cmd：命令，接下來會講
- arg：參數(shù)，接下來會講
返回值： 如果傳入的非法命令，ioctl返回錯誤號-EINVAL。 內核中的驅動函數(shù)返回值都有一個默認的方法，只要是正數(shù)，內核就會傻乎乎的認為這是正確的返回，并把它傳給應用層，如果是負值，內核就會認為它是錯誤了。
ioctl的cmd cmd就是一個數(shù)，如果應用層傳來的數(shù)值在驅動中有對應的操作，那么就執(zhí)行，就跟IBinder的transact方法中函數(shù)標識是一個道理. 要先定義個命令，就用一個簡單的0，來個命令的頭文件，驅動和應用函數(shù)都要包含這個頭文件：
/*test_cmd.h*/ #ifndef _TEST_CMD_H #define _TEST_CMD_H #define TEST_CLEAR 0/*定義的cmd*/ #endif /*_TEST_CMD_H*/
驅動實現(xiàn)ioctl： 命令TEST_CLEAR的操作就是清空驅動中的kbuf。
int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)
{
int ret = 0;
struct _test_t *dev = filp->private_data;
switch(cmd){
case TEST_CLEAR:
memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);
dev->cur_size = 0;
filp->f_pos = 0;
ret = 0;
break;
default: /*命令錯誤時的處理*/
P_DEBUG("error cmd!\n");
ret = - EINVAL;
break;
}
return ret;
}
然后在應用程序中調用ioctl(fd, TEST_CLEAR);就可以執(zhí)行驅動程序中的清除kbuf的方法。
ioctl的arg ioctl命令還可以傳遞參數(shù)，應用層的ioctl(fd,cmd,...)后面的“...”是指可以傳任意類型的一個參數(shù)，注意是一個不是任意多個，只是不檢查類型。
binder初始化
我們了解ioctl之后就來看看Binder設備是怎么初始化的，這里介紹的是Binder設備，并不是Binder設備驅動程序，Binder驅動程序是misc設備驅動，要想了解Binder驅動程序的內容，請點擊下面鏈接。
我們的系統(tǒng)服務創(chuàng)建的過程中，要創(chuàng)建打開Binder設備，下面是具體過程。 我們先來介紹下frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp，ProcessState用來儲存當前進程的各種信息，系統(tǒng)服務啟動時會創(chuàng)建當前進程的ProcessState單例對象。
ProcessState::ProcessState()
//打開binder
: mDriverFD(open_driver()) //
//映射內存的起始地址
, mVMStart(MAP_FAILED)
, mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
, mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
, mExecutingThreadsCount(0)
, mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
, mStarvationStartTimeMs(0)
, mManagesContexts(false)
, mBinderContextCheckFunc(NULL)
, mBinderContextUserData(NULL)
, mThreadPoolStarted(false)
, mThreadPoolSeq(1)
{
if (mDriverFD >= 0) {
//分配虛擬地址空間，完成數(shù)據(jù)wirte/read，內存的memcpy等操作就相當于write/read(mDriverFD)
mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
if (mVMStart == MAP_FAILED) {
close(mDriverFD);
mDriverFD = -1;
}
}
}
對于一個不懂C++的我，看起來其實挺難受的，但是這段代碼很重要，還是要看懂的。 其實我們只需要關注這幾行重要代碼 open_driver() 下面會講 mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0) 分配虛擬內存映射 我們先來看open_driver函數(shù)
static int open_driver()
{
int fd = open("/dev/binder", O_RDWR | O_CLOEXEC); //打開 /dev/binder
if (fd >= 0) {
int vers = 0;
//通過ioctl通知binder驅動binder版本
status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
if (result == -1) {
ALOGE("Binder ioctl to obtain version failed: %s", strerror(errno));
close(fd);
fd = -1;
}
if (result != 0 || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {
ALOGE("Binder driver protocol does not match user space protocol!");
close(fd);
fd = -1;
}
//設置當前fd最多支持DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS線程數(shù)量
size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;
result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
if (result == -1) {
ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(errno));
}
} else {
ALOGW("Opening '/dev/binder' failed: %s\n", strerror(errno));
}
return fd;
}
首先執(zhí)行int fd = open("/dev/binder", O_RDWR | O_CLOEXEC); 獲取到了驅動文件的文件描述符。 文件打開成功之后，使用ioctl查詢了版本號，并設置了最大的連接線程數(shù)。 然后調用mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0)把/dev/binder文件映射到了進程虛擬內存空間，這里我們還要了解下linux的mmap函數(shù)。
mmap參考自：blog.itpub.net/7728585/vie…
在LINUX中我們可以使用mmap用來在進程虛擬地址空間中分配創(chuàng)建一片虛擬內存地址映射
我們可以在當前進程的虛擬內存中獲得一塊映射區(qū)域，我們直接操作映射區(qū)域就可以間接操作內核中的文件。 我們使用mmap的目的是創(chuàng)建共享文件映射
進程都有一份文件映射，并且都指向同一個文件，這樣就實現(xiàn)了共享內存，Binder就是利用這種共享內存方式去進行數(shù)據(jù)的交互。每個進程都會保留一份dev/binder設備的映射區(qū)域，這樣我們利用Binder，數(shù)據(jù)經(jīng)過一次拷貝就可以實現(xiàn)跨進程，Linux的管道機制則需要四次拷貝
總結
1、介紹了Binder在Android中的使用方式 2、Binder機制原理，用戶進程隔離，借助內核空間進行IPC 3、使用ioctl系統(tǒng)調用函數(shù)，調用Binder設備驅動程序，完成IPC調用 4、dev/binder是Binder機制中的虛擬設備，利用Binder驅動可以操作該設備（數(shù)據(jù)交互） 5、mmap指令可以創(chuàng)建進程虛擬內存映射空間，映射dev/binder文件，實現(xiàn)共享內存，Binder一次拷貝原理
以上就是Android Binder的原理與使用的詳細內容，更多關于Android Binder的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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