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Android 圖文詳解Binder進(jìn)程通信底層原理

更新時間：2021年10月23日 10:40:30 作者：帥次

Android系統(tǒng)中，多進(jìn)程間的通信都是依賴于底層Binder IPC機(jī)制，Binder機(jī)制是一種RPC方案。例如：當(dāng)進(jìn)程A中的Activity與進(jìn)程B中的Service通信時，就使用了binder機(jī)制

🔥 什么是進(jìn)程間通信

進(jìn)程間通信(IPC，Inner Process Comunication)，就是指不同進(jìn)程之間的信息傳遞。

進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；一個應(yīng)用至少有一個進(jìn)程，一個進(jìn)程中有包含了多個線程(線程是CPU調(diào)度的最小單位)，進(jìn)程相當(dāng)于是線程的ViewGroup，線程相當(dāng)于操作系統(tǒng)分配個進(jìn)程的View。

🔥 什么是 Binder

Binder 是 Android 系統(tǒng)中進(jìn)程間通信機(jī)制(IPC)的一種方式，它是這些進(jìn)程間通訊的橋梁。正如其名"粘合劑"一樣，它把系統(tǒng)中各個組件粘合到了一起，是各個組件的橋梁。

應(yīng)用層：是一個能發(fā)起通信的Java類。

Client：是對 Binder 代理對象，是 Binder 實(shí)體對象的一個遠(yuǎn)程代理。
Server：是 Server 中的 Binder 實(shí)體對象。

機(jī)制：是一種進(jìn)程間通信機(jī)制。

驅(qū)動：是一個虛擬物理設(shè)備驅(qū)動；

如startActivity的簡圖：

這里就用到了 Binder 通信，你會發(fā)現(xiàn)這里還有 Socker 通信，那我為什么要用 Binder 而不用 Socket。

🔥 Android 中 IPC 的方式

名稱	特點(diǎn)	使用場景
Bundle	只能傳輸實(shí)現(xiàn)了序列化或者一些Android支持的特殊對象	適合用于四大組件之間的進(jìn)程交互
文件	不能做到進(jìn)程間的即時通信，并且不適合用于高并發(fā)的場景	適合用于SharedPreference以及IO操作
ContentProvider	可以訪問較多的數(shù)據(jù)，支持一對多的高并發(fā)訪問，因?yàn)镃ontentProvider已經(jīng)自動做好了關(guān)于并發(fā)的機(jī)制	適合用于一對多的數(shù)據(jù)共享并且需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻繁的CRUD操作
Socket	通過網(wǎng)絡(luò)傳輸字節(jié)流，支持一對多的實(shí)時通信，但是實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜	適合用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享
Messenger	底層原理是AIDL，只是對其做了封裝，但是不能很好的處理高并發(fā)的場景，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能支持Bundle類型	多進(jìn)程、單線程且線程安全
AIDL	功能強(qiáng)大，使用Binder機(jī)制,支持一對多的高并發(fā)實(shí)時通信，但是需要處理好線程同步	一對多并且有遠(yuǎn)程進(jìn)程通信的場景

🔥 Binder 優(yōu)勢

出發(fā)點(diǎn)	Binder	共享內(nèi)存	Socket
性能	拷貝一次	無需拷貝	拷貝兩次
特點(diǎn)	基于C/S架構(gòu)，易用性高	控制復(fù)雜，易用性差	基于C/S架構(gòu)，通用接口，傳輸效率低、開銷大
安全	每個APP分配UID，同時支持實(shí)名和匿名	依賴上層協(xié)議，訪問接入點(diǎn)是開放的不安全	依賴上層協(xié)議，訪問接入點(diǎn)是開放的不安全

通過以上對比，Android 最終選擇了自建一套兼顧好用、高效、安全的 Binder。

好用：基于C/S架構(gòu)，易用性高
高效：用 mmap() 進(jìn)行內(nèi)存映射，只需一次拷貝
安全強(qiáng)：每個 APP 分配UID(進(jìn)程的身份證號)，同時支持實(shí)名(系統(tǒng)服務(wù))和匿名(自己創(chuàng)建的服務(wù))

可以讓自己的服務(wù)前往 ServiceManager 注冊，注冊后實(shí)名。

🔥 Linux 傳統(tǒng)的 IPC 原理

了解 Linux IPC 相關(guān)的概念和原理有助于我們理解 Binder 通信原理。因此，在介紹 Binder 跨進(jìn)程通信原理之前，我們先聊聊 Linux 系統(tǒng)下傳統(tǒng)的進(jìn)程間通信是如何實(shí)現(xiàn)。

💥 基本概念

由上圖看出：

進(jìn)程隔離。
進(jìn)程空間劃分：用戶空間(User Space)/內(nèi)核空間(Kernel Space)。
系統(tǒng)調(diào)用：用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)。

🌀 進(jìn)程隔離

操作系統(tǒng)中，進(jìn)程與進(jìn)程間內(nèi)存是不共享的。SCC 進(jìn)程無法直接訪問 Service 進(jìn)程的數(shù)據(jù)。SCC 進(jìn)程和 Service 進(jìn)程之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互就得采用進(jìn)程間通信(IPC)。

🌀 進(jìn)程空間劃分

現(xiàn)在操作系統(tǒng)都是采用的虛擬存儲器。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問受保護(hù)的內(nèi)存空間，也可以訪問底層硬件設(shè)備的權(quán)限。為了保護(hù)用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核，保證內(nèi)核的安全，操作系統(tǒng)從邏輯上將虛擬空間劃分為用戶空間(User Space)和內(nèi)核空間(Kernel Space)。

內(nèi)核空間(Kernel Space)：是系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行的空間;
用戶空間(User Space)：是用戶程序運(yùn)行的空間。

所有內(nèi)核空間(虛擬地址)都映射在同一塊物理內(nèi)存，這樣就實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存共享(所有進(jìn)程可通過IPC訪問)。

為了保證安全性，它們之間是隔離的。即使用戶程序蹦了，內(nèi)核也不受影響。

🌀 系統(tǒng)調(diào)用

進(jìn)程內(nèi) 用戶空間 & 內(nèi)核空間進(jìn)行交互需通過系統(tǒng)調(diào)用，主要通過函數(shù)：

copy_from_user()：將用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間；
copy_to_user()：將內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。

用戶態(tài)：當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼的時候，我們稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)(用戶態(tài))；

內(nèi)核態(tài)：當(dāng)一個進(jìn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時，稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)(內(nèi)核態(tài))。

系統(tǒng)調(diào)用是用戶空間訪問內(nèi)核空間的唯一方式。

💥 傳統(tǒng) IPC 通信原理

如圖，這就是 Sokcet的拷貝兩次。

當(dāng)然目前 Linux 已經(jīng)引入 Binder 通信機(jī)制。

🔥 Binder IPC原理

上面整了一堆 Linux 下的 IPC 相關(guān)概念及原理，接下來我們正式介紹下 Binder IPC 的原理。

💥 Binder 采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層: 對于應(yīng)用通過調(diào)用startActivity()然后調(diào)用 AMP.startService , 經(jīng)過層層調(diào)用,最終必然會調(diào)用到AMS.startService。
Framework: 客戶類BinderProxy和服務(wù)類Binder(Binder通信是采用C/S架構(gòu), Android系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)便已設(shè)計(jì)好Binder在Java )。
Native層: 對于Native層,可以直接使用BpBinder和BBinder(當(dāng)然這里還有JavaBBinder)即可, 對于上一層Framework 的通信也是基于這個層面。
Kernel: 這里是Binder Driver, 前面3層都跑在用戶空間,對于用戶空間的內(nèi)存資源是不共享的,每個Android的進(jìn)程只能運(yùn)行在自己進(jìn)程所擁有的虛擬地址空間, 而內(nèi)核空間卻是可共享的. 真正通信的核心環(huán)節(jié)還是在Binder Driver。

💥 Binder 驅(qū)動

在 Android 系統(tǒng)中，這個運(yùn)行在內(nèi)核空間，負(fù)責(zé)各個用戶進(jìn)程通過 Binder 實(shí)現(xiàn)通信的內(nèi)核模塊就叫 Binder 驅(qū)動(Binder Dirver)。

💥 Binder IPC 內(nèi)存映射

Binder IPC 正是基于內(nèi)存映射（mmap）來實(shí)現(xiàn)的，一次完整的 Binder IPC 通信過程通常是這樣：

1、Binder 驅(qū)動在內(nèi)核空間創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)；

2、在內(nèi)核空間開辟一塊內(nèi)核緩存區(qū)，

建立內(nèi)核緩存區(qū)和內(nèi)核中數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)之間的映射關(guān)系；
內(nèi)核中數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)和接收進(jìn)程用戶空間地址的映射關(guān)系；

3、發(fā)送數(shù)據(jù)完成了一次進(jìn)程間的通信。

發(fā)送方進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用 copy_from_user() 將數(shù)據(jù) 拷貝到內(nèi)核中的內(nèi)核緩存區(qū)；
由于內(nèi)核緩存區(qū)和數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)存在內(nèi)存映射，因此也就相當(dāng)于把數(shù)據(jù)發(fā)送到了數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)；
由于數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)和進(jìn)程的用戶空間存在內(nèi)存映射因此也就相當(dāng)于把數(shù)據(jù)發(fā)送到了接收進(jìn)程的用戶空間。

內(nèi)存映射能減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的高效互動。兩個空間各自的修改能直接反映在映射的內(nèi)存區(qū)域，從而被對方空間及時感知。也正因?yàn)槿绱耍瑑?nèi)存映射能夠提供對進(jìn)程間通信的支持。