前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >再谈Android Binder跨进程通信原理

再谈Android Binder跨进程通信原理

作者头像
xiangzhihong
发布2022-11-30 10:57:13
3610
发布2022-11-30 10:57:13
举报
文章被收录于专栏:向治洪向治洪

在谈Android的跨进程通信问题上时,总会问到Android的IPC机制,是指两个进程之间进行数据交换的过程。按操作系统的中的描述,线程是CPU调度最小的单元,同时线程是一种有限的系统资源,而进程是指一个执行单元,在PC和移动设备上指一个程序或者一个应用。

在谈IPC机制时候核心的就是Binder的运作原理,本文将从以下几点来讲Android额Binder原理。

这里写图片描述
这里写图片描述

什么是Binder

关于Binder的定义,网上是这样的:Binder是跨进程通信方式、它实现了IBinder接口,是连接 ServiceManager的桥梁。不过这句话有点抽象,那Binder究竟是什么呢?或许下面的图能解答你心中的疑惑。

这里写图片描述
这里写图片描述

基础概念

进程空间分配

在Linux的进程模型中,进程空间被分为用户空间和内核空间(Kernel),即把进程内用户和内核隔离开来,其中用户空间的数据不可共享,而内核空间是可共享的,所以进程间的通信主要通过内核进行交互,称为系统调用。模型示意图如下:

这里写图片描述
这里写图片描述

Android跨进程通信( IPC )

在Android的进程模型中,一个进程不能直接操作或者访问另一个进程,即Android的进程是相互独立、隔离的。但Android的进程通信继承自Linux,所以Android的进程通信可以通过内核空间进行数据交互,在进而通过进程 的用户空间与内核空间进行数据交互,最终时间进程之间的通信。模型示意图如下:

这里写图片描述
这里写图片描述

而Binder的作用就是连接 两个进程内核空间的通道。

Binder 跨进程通信原理

Binder跨进程通信机制模型基于 Client - Server 模式,其原理模型如下图所示:

这里写图片描述
这里写图片描述

通过该模型可以发现: Client进程、Server进程 & Service Manager 进程之间的交互都必须通过Binder驱动(使用 open 和 ioctl文件操作函数),而非直接交互。

其中:Client进程、Server进程 & Service Manager进程属于进程空间的用户空间,不可进行进程间交互;Binder驱动 属于 进程空间的 内核空间,可进行进程间 & 进程内交互。

这里写图片描述
这里写图片描述

说明:Binder驱动 & Service Manager进程 属于 Android基础架构(即系统已经实现好了);而Client 进程 和 Server 进程 属于Android应用层(需要开发者自己实现)。所以,在进行跨进程通信时,开发者只需自定义Client & Server 进程 并 显式使用上述3个步骤,最终借助 Android的基本架构功能就可完成进程间通信。

这里写图片描述
这里写图片描述

说明:Binder请求的线程管理

  • Server进程会创建很多线程来处理Binder请求;
  • 管理Binder模型的线程是采用Binder驱动的线程池,并由Binder驱动自身进行管理,而不是由Server进程来管理的;
  • 一个进程的Binder线程数默认最大是16,超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程,所以,在进程间通信时处理并发问题时,如使用ContentProvider时,它的CRUD(创建、检索、更新和删除)方法只能同时有16个线程同时工作。

Binder机制具体实现

Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类,其实现了IBinder 接口。例如,下面是Client进程调用Server进程的实现加法函数的实例。即Client进程 需要传两个整数给 Server进程,Server进程把相加后的结果返回给Client进程。

1,注册服务

Server进程通过Binder驱动 向 Service Manager进程注册服务,Server进程 创建 一个 Binder 对象,其中Binder 实体是 Server进程 在 Binder 驱动中的具体存在形式,该对象保存 Server 和 ServiceManager 的信息,Binder 驱动通过 内核空间的Binder实体找到用户空间的Server对象。下面是具体的代码实现:

代码语言:javascript
复制
    Binder binder = new Stub();
    // 步骤1:创建Binder对象 ->>分析1

    // 步骤2:创建 IInterface 接口类 的匿名类
    // 创建前,需要预先定义 继承了IInterface 接口的接口 -->分析3
    IInterface plus = new IPlus(){

          // 确定Client进程需要调用的方法
          public int add(int a,int b) {
               return a+b;
         }

          // 实现IInterface接口中唯一的方法
          public IBinder asBinder(){ 
                return null ;
           }
};
          // 步骤3
          binder.attachInterface(plus,"add two int");
         // 1. 将(add two int,plus)作为(key,value)对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
         // 2. 之后,Binder对象 可根据add two int通过queryLocalIInterface()获得对应IInterface对象(即plus)的引用,可依靠该引用完成对请求方法的调用
        // 分析完毕,跳出


<-- 分析1:Stub类 -->
    public class Stub extends Binder {
    // 继承自Binder类 ->>分析2

          // 复写onTransact()
          @Override
          boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
          // 具体逻辑等到步骤3再具体讲解,此处先跳过
          switch (code) { 
                case Stub.add: { 

                       data.enforceInterface("add two int"); 

                       int  arg0  = data.readInt();
                       int  arg1  = data.readInt();

                       int  result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0,  arg1); 

                        reply.writeInt(result); 

                        return true; 
                  }
           } 
      return super.onTransact(code, data, reply, flags); 

}
// 回到上面的步骤1,继续看步骤2

<-- 分析2:Binder 类 -->
 public class Binder implement IBinder{
    // Binder机制在Android中的实现主要依靠的是Binder类,其实现了IBinder接口
    // IBinder接口:定义了远程操作对象的基本接口,代表了一种跨进程传输的能力
    // 系统会为每个实现了IBinder接口的对象提供跨进程传输能力
    // 即Binder类对象具备了跨进程传输的能力

        void attachInterface(IInterface plus, String descriptor);
        // 作用:
          // 1. 将(descriptor,plus)作为(key,value)对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
          // 2. 之后,Binder对象 可根据descriptor通过queryLocalIInterface()获得对应IInterface对象(即plus)的引用,可依靠该引用完成对请求方法的调用

        IInterface queryLocalInterface(Stringdescriptor) ;
        // 作用:根据 参数 descriptor 查找相应的IInterface对象(即plus引用)

        boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags);
        // 定义:继承自IBinder接口的
        // 作用:执行Client进程所请求的目标方法(子类需要复写)
        // 参数说明:
        // code:Client进程请求方法标识符。即Server进程根据该标识确定所请求的目标方法
        // data:目标方法的参数。(Client进程传进来的,此处就是整数a和b)
        // reply:目标方法执行后的结果(返回给Client进程)
         // 注:运行在Server进程的Binder线程池中;当Client进程发起远程请求时,远程请求会要求系统底层执行回调该方法

        final class BinderProxy implements IBinder {
         // 即Server进程创建的Binder对象的代理对象类
         // 该类属于Binder的内部类
        }
        // 回到分析1原处
}

<-- 分析3:IInterface接口实现类 -->

 public interface IPlus extends IInterface {
          // 继承自IInterface接口->>分析4
          // 定义需要实现的接口方法,即Client进程需要调用的方法
         public int add(int a,int b);
// 返回步骤2
}

<-- 分析4:IInterface接口类 -->
// 进程间通信定义的通用接口
// 通过定义接口,然后再服务端实现接口、客户端调用接口,就可实现跨进程通信。
public interface IInterface
{
    // 只有一个方法:返回当前接口关联的 Binder 对象。
    public IBinder asBinder();
}
  // 回到分析3原处
注册服务后,Binder驱动持有 Server进程创建的Binder实体

2,获取服务

Client进程 使用某个service前,须 通过Binder驱动 向 ServiceManager进程 获取相应的Service信息。可以使用下面的图来表示:

这里写图片描述
这里写图片描述

3,使用服务

Client进程 根据获取到的 Service信息(Binder代理对象),通过Binder驱动 建立与 该Service所在Server进程通信的链路,并开始使用服务。具体的,Client进程将参数发送到Server进程,Server进程 根据Client进程要求调用 目标方法,并将目标方法的结果返回给Client进程。代码实现如下:

代码语言:javascript
复制
步骤1: Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程

// 1. Client进程 将需要传送的数据写入到Parcel对象中
// data = 数据 = 目标方法的参数(Client进程传进来的,此处就是整数a和b) + IInterface接口对象的标识符descriptor
  android.os.Parcel data = android.os.Parcel.obtain();
  data.writeInt(a); 
  data.writeInt(b); 

  data.writeInterfaceToken("add two int");;
  // 方法对象标识符让Server进程在Binder对象中根据"add two int"通过queryLocalIInterface()查找相应的IInterface对象(即Server创建的plus),Client进程需要调用的相加方法就在该对象中

  android.os.Parcel reply = android.os.Parcel.obtain();
  // reply:目标方法执行后的结果(此处是相加后的结果)

// 2. 通过 调用代理对象的transact() 将 上述数据发送到Binder驱动
  binderproxy.transact(Stub.add, data, reply, 0)
  // 参数说明:
    // 1. Stub.add:目标方法的标识符(Client进程 和 Server进程 自身约定,可为任意)
    // 2. data :上述的Parcel对象
    // 3. reply:返回结果
    // 0:可不管

// 注:在发送数据后,Client进程的该线程会暂时被挂起
// 所以,若Server进程执行的耗时操作,请不要使用主线程,以防止ANR


// 3. Binder驱动根据 代理对象 找到对应的真身Binder对象所在的Server 进程(系统自动执行)
// 4. Binder驱动把 数据 发送到Server 进程中,并通知Server 进程执行解包(系统自动执行)
步骤2:Server进程根据Client进要求 调用 目标方法(即加法函数)

// 1. 收到Binder驱动通知后,Server 进程通过回调Binder对象onTransact()进行数据解包 & 调用目标方法
  public class Stub extends Binder {

          // 复写onTransact()
          @Override
          boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
          // code即在transact()中约定的目标方法的标识符

          switch (code) { 
                case Stub.add: { 
                  // a. 解包Parcel中的数据
                       data.enforceInterface("add two int"); 
                        // a1. 解析目标方法对象的标识符

                       int  arg0  = data.readInt();
                       int  arg1  = data.readInt();
                       // a2. 获得目标方法的参数

                       // b. 根据"add two int"通过queryLocalIInterface()获取相应的IInterface对象(即Server创建的plus)的引用,通过该对象引用调用方法
                       int  result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0,  arg1); 

                        // c. 将计算结果写入到reply
                        reply.writeInt(result); 

                        return true; 
                  }
           } 
      return super.onTransact(code, data, reply, flags); 
      // 2. 将结算结果返回 到Binder驱动
步骤3:Server进程 将目标方法的结果(即加法后的结果)返回给Client进程

  // 1. Binder驱动根据 代理对象 沿原路 将结果返回 并通知Client进程获取返回结果
  // 2. 通过代理对象 接收结果(之前被挂起的线程被唤醒)

    binderproxy.transact(Stub.ADD, data, reply, 0);
    reply.readException();;
    result = reply.readInt();
          }
}

如果用一个流程图来表示的话,栖流程如下:

这里写图片描述
这里写图片描述

那为什么Android会重写进程的通信机制,而不直接使用Linux提供的进程通信呢,主要有以下几点好处。 高效:Binder数据拷贝只需要一次,而管道、消息队列、Socket都需要2次;通过驱动在内核空间拷贝数据,不需要额外的同步处理; 安全性高:Binder 机制为每个进程分配了 UID/PID 来作为鉴别身份的标示,并且在 Binder 通信时会根据 UID/PID 进行有效性检测;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。如,Socket通信 ip地址是客户端手动填入,容易出现伪造 使用简单:采用Client/Server 架构,实现面向对象的调用方式,即在使用Binder时就和调用一个本地对象实例一样。

本文参与 腾讯云自媒体分享计划,分享自作者个人站点/博客。
原始发表:2018-04-13,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体分享计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 什么是Binder
  • 基础概念
    • 进程空间分配
      • Android跨进程通信( IPC )
        • 1,注册服务
        • 2,获取服务
        • 3,使用服务
    • Binder 跨进程通信原理
    • Binder机制具体实现
    相关产品与服务
    领券
    问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档