连 Binder 都不知道?来看看 Android 插件化开发技术分享

在Android开发过程中,Binder的身影无处无处不在,我们编写的程序都使用过Binder机制(例如startActivity的执行过程)但是请问你知道什么是Binder么?在开发过程中你察觉到它的存在了么?Biner翻译过来是“胶水“的意思,这个翻译分形象。Binder的主要工作就是淡化了进程边界,淡化了进程间通信的过程。要是想更好的理解Binder就必须从Linux进程谈起。

Linux进程

为了保护进程空间不被别的进程破坏或者干扰,Linux中的进程是相互独立的,也就是所谓的进程隔离。(而且一个进程的内存空间还被分为了用户空间和内核空间,二者也是相互隔离的。这里不做探讨)所以在Linux中,进程与进程之间是相互隔离的,而且进程中的用户和内核空间也是隔离的。

也就是说为了安全和独立,一个进程是不能直接操作或者访问另外一个进程的内存空间的。他们之间既然是隔离的,在需要通信、协作的时候就需要使用进程间通信技术(即IPC,也称跨进程通信),我们都知道Android框架是建立在Linux之上的,当然也会面对进程间通讯的问题。

为什么使用Binder

在Linux系统中为了达到进程间通讯的目的,我们可以选用诸如管道、Socket等技术手段,那么为什么Android选用了Binder这种新型的IPC技术,放弃了原有成熟的技术呢?

主要有如下两个方面:

1.性能角度

由于在移动设备诸如省电等性能的考虑,广泛地使用进程间通讯对于通信机制的性能有严格的要求,Binder相对于传统的Socket、管道方式更加高效。Bidner数据拷贝只需要一次,而管道、消息队列、Socket都需要2次,内存共享方式一次内存拷贝都不需要,但是实现起来难度高,复杂性大。

2.稳定性角度

传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证,比如Socket通信ip地址是客户端手动填入,很容易进行伪造,而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检,因而大大提升了安全性。

Binder机制

一、Binder通信概述

binder通信是一种client-server的通信结构。

1.从表面上来看,是client通过获得一个server的代理接口,对server进行直接调用;

2.实际上,代理接口中定义的方法与server中定义的方法是一一对应的;

3.client调用某个代理接口中的方法时,代理接口的方法会将client传递的参数打包成为Parcel对象;

4.代理接口将该Parcel发送给内核中的binder driver.

5.server会读取binder driver中的请求数据,如果是发送给自己的,解包Parcel对象,处理并将结果返回;

6.整个的调用过程是一个同步过程,在server处理的时候,client会block住。

二、service manager

Service Manager是一个linux级的进程,顾名思义,就是service的管理器。这里的service是什么概念呢?这里的service的概念和init过程中init.rc中的service是不同,init.rc中的service是都是linux进程,但是这里的service它并不一定是一个进程,也就是说可能一个或多个service属于同一个linux进程。在这篇文章中不加特殊说明均指android native端的service。

任何service在被使用之前,均要向SM(Service Manager)注册,同时客户端需要访问某个service时,应该首先向SM查询是否存在该服务。如果SM存在这个service,那么会将该service的handle返回给client,handle是每个service的唯一标识符。

SM的入口函数在service_manager.c中,下面是SM的代码部分:

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;
}

这个进程的主要工作如下:

1.初始化binder,打开/dev/binder设备;在内存中为binder映射128K字节空间;

2.指定SM对应的代理binder的handle为0,当client尝试与SM通信时,需要创建一个handle为0的代理binder,这里的代理binder其实就是第一节中描述的那个代理接口;

3.通知binder driver(BD)使SM成为BD的context manager;

4.维护一个死循环,在这个死循环中,不停地去读内核中binder driver,查看是否有可读的内容;即是否有对service的操作要求, 如果有,则调用svcmgr_handler回调来处理请求的操作。

5.SM维护了一个svclist列表来存储service的信息。

这里需要声明一下,当service在向SM注册时,该service就是一个client,而SM则作为了server。而某个进程需要与service通信时,此时这个进程为client,service才作为server。因此service不一定为server,有时它也是作为client存在的。

三、ProcessState

ProcessState是以单例模式设计的。每个进程在使用binder机制通信时,均需要维护一个ProcessState实例来描述当前进程在binder通信时的binder状态。

ProcessState有如下2个主要功能:

1.创建一个thread,该线程负责与内核中的binder模块进行通信,称该线程为Pool thread;

2.为指定的handle创建一个BpBinder对象,并管理该进程中所有的BpBinder对象。

(一)Pool thread

在Binder IPC中,所有进程均会启动一个thread来负责与BD来直接通信,也就是不停的读写BD,这个线程的实现主体是一个IPCThreadState对象,下面会介绍这个类型。

下面是 Pool thread的启动方式:

ProcessState::self()->startThreadPool();

(二) BpBinder获取

BpBinder主要功能是负责client向BD发送调用请求的数据。它是client端binder通信的核心对象,通过调用transact函数向BD发送调用请求的数据,它的构造函数如下:

BpBinder(int32_t handle);

通过BpBinder的构造函数发现,BpBinder会将当前通信中server的handle记录下来,当有数据发送时,会通知BD数据的发送目标。

ProcessState通过如下方式来获取BpBinder对象:

ProcessState::self()->getContextObject(handle);

在这个过程中,ProcessState会维护一个BpBinder的vector mHandleToObject,每当ProcessState创建一个BpBinder的实例时,回去查询mHandleToObject,如果对应的handle已经有binder指针,那么不再创建,否则创建binder并插入到mHandleToObject中。

ProcessState创建的BpBinder实例,一般情况下会作为参数构建一个client端的代理接口,这个代理接口的形式为BpINTERFACE,例如在与SM通信时,client会创建一个代理接口BpServiceManager。

四、IPCThreadState

IPCThreadState也是以单例模式设计的。由于每个进程只维护了一个ProcessState实例,同时ProcessState只启动一个Pool thread,也就是说每一个进程只会启动一个Pool thread,因此每个进程则只需要一个IPCThreadState即可。

Pool thread的实际内容则为:

 IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

ProcessState中有2个Parcel成员,mIn和mOut,Pool thread会不停的查询BD中是否有数据可读,如果有将其读出并保存到mIn,同时不停的检查mOut是否有数据需要向BD发送,如果有,则将其内容写入到BD中,总而言之,从BD中读出的数据保存到mIn,待写入到BD中的数据保存在了mOut中。

ProcessState中生成的BpBinder实例通过调用IPCThreadState的transact函数来向mOut中写入数据,这样的话这个binder IPC过程的client端的调用请求的发送过程就明了了。

IPCThreadState有两个重要的函数,talkWithDriver函数负责从BD读写数据,executeCommand函数负责解析并执行mIn中的数据。

五、主要基类

(一)基类IInterface

为server端提供接口,它的子类声明了service能够实现的所有的方法;

(二)基类IBinder

BBinder与BpBinder均为IBinder的子类,因此可以看出IBinder定义了binder IPC的通信协议,BBinder与BpBinder在这个协议框架内进行的收和发操作,构建了基本的binder IPC机制。

(三)基类BpRefBase

client端在查询SM获得所需的的BpBinder后,BpRefBase负责管理当前获得的BpBinder实例。


理解Binder对于理解整个Android系统有着非常重要的作用,Android系统的四大组件,AMS,PMS等系统服务无一不与Binder挂钩;如果对Binder不甚了解,那么就很难了解这些系统机制,从而仅仅浮游与表面,不懂Binder你都不好意思说自己会Android开发;要深入Android,Binder是必须迈出的一步。

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