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图文详解 Android Binder跨进程通信的原理

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2017.06.22 10:26* 字数 2380

前言

  • 如果你接触过 跨进程通信 (IPC),那么你对Binder一定不陌生
  • 虽然 网上有很多介绍 Binder的文章,可是存在一些问题:浅显的讨论Binder机制 或 一味讲解 Binder源码、逻辑不清楚,最终导致的是读者们还是无法形成一个完整的Binder概念
  • 本文采用 清晰的图文讲解方式,按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder,即:
    1. 先从 机制、模型的角度 去分析 整个Binder跨进程通信机制的模型
    2. 再 从源码实现角度,分析 BinderAndroid中的具体实现

从而全方位地介绍 Binder,希望你们会喜欢。

请尽量在PC端而不要在移动端看,否则图片可能看不清。


目录

目录

1. Binder到底是什么?

  • 中文即 粘合剂,意思为粘合了两个不同的进程

  • 网上有很多对Binder的定义,但都说不清楚:Binder是跨进程通信方式、它实现了IBinder接口,是连接 ServiceManager的桥梁blabla,估计大家都看晕了,没法很好的理解

  • 我认为:对于Binder的定义,在不同场景下其定义不同

定义

在本文的讲解中,按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder,即:

  • 先从 机制、模型的角度 去分析 整个Binder跨进程通信机制的模型

其中,会详细分析模型组成中的 Binder驱动

  • 再 从源码实现角度,分析 BinderAndroid中的具体实现

从而全方位地介绍 Binder,希望你们会喜欢。


2. 知识储备

在讲解Binder前,我们先了解一些Linux的基础知识

2.1 进程空间划分

  • 一个进程空间分为 用户空间 & 内核空间(Kernel),即把进程内 用户 & 内核 隔离开来
  • 二者区别:
    1. 进程间,用户空间的数据不可共享,所以用户空间 = 不可共享空间
    2. 进程间,内核空间的数据可共享,所以内核空间 = 可共享空间

所有进程共用1个内核空间

  • 进程内 用户空间 & 内核空间 进行交互 需通过 系统调用,主要通过函数:
  1. copy_from_user():将用户空间的数据拷贝到内核空间
  2. copy_to_user():将内核空间的数据拷贝到用户空间
示意图

2.2 进程隔离 & 跨进程通信( IPC )

  • 进程隔离
    为了保证 安全性 & 独立性,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

  • 跨进程通信( IPC
    即进程间需进行数据交互、通信

  • 跨进程通信的基本原理

示意图

a. 而Binder的作用则是:连接 两个进程,实现了mmap()系统调用,主要负责 创建数据接收的缓存空间 & 管理数据接收缓存
b. 注:传统的跨进程通信需拷贝数据2次,但Binder机制只需1次,主要是使用到了内存映射,具体下面会详细说明

2.5 内存映射

具体请看文章:操作系统:图文详解 内存映射


3. Binder 跨进程通信机制 模型

3.1 模型原理图

Binder 跨进程通信机制 模型 基于 Client - Server 模式

示意图

3.2 模型组成角色说明

示意图

此处重点讲解 Binder驱动作用中的跨进程通信的原理:

  • 简介
示意图
  • 跨进程通信的核心原理

关于其核心原理:内存映射,具体请看文章:操作系统:图文详解 内存映射

示意图

3.3 模型原理步骤说明

示意图

3.4 额外说明

说明1: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 openioctl文件操作函数),而非直接交互

原因:

  1. 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
  2. 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

所以,原理图可表示为以下:

虚线表示并非直接交互

示意图
说明2: 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

示意图
说明3:Binder请求的线程管理
  • Server进程会创建很多线程来处理Binder请求
  • Binder模型的线程管理 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


  • 至此,我相信大家对Binder 跨进程通信机制 模型 已经有了一个非常清晰的定性认识
  • 下面,我将通过一个实例,分析Binder跨进程通信机制 模型在 Android中的具体代码实现方式

即分析 上述步骤在Android中具体是用代码如何实现的


4. Binder机制 在Android中的具体实现原理

  • Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类,其实现了IBinder 接口

下面会详细说明

  • 实例说明:Client进程 需要调用 Server进程的加法函数(将整数a和b相加)

即:

  1. Client进程 需要传两个整数给 Server进程
  2. Server进程 需要把相加后的结果 返回给Client进程
  • 具体步骤
    下面,我会根据Binder 跨进程通信机制 模型的步骤进行分析

步骤1:注册服务

  • 过程描述
    Server进程 通过Binder驱动 向 Service Manager进程 注册服务
  • 代码实现
    Server进程 创建 一个 Binder 对象
  1. Binder 实体是 Server进程 在 Binder 驱动中的存在形式
  2. 该对象保存 ServerServiceManager 的信息(保存在内核空间中)
  3. Binder 驱动通过 内核空间的Binder 实体 找到用户空间的Server对象
  • 代码分析
    
    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

步骤2:获取服务

  • Client进程 使用 某个 service前(此处是 相加函数),须 通过Binder驱动 向 ServiceManager进程 获取相应的Service信息
  • 具体代码实现过程如下:
示意图

此时,Client进程与 Server进程已经建立了连接

步骤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

  • 过程描述

    1. Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程
    2. Server进程 根据Client进程要求调用 目标方法(即加法函数)
    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
  • 代码实现过程

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();
          }
}
  • 总结
    下面,我用一个原理图 & 流程图来总结步骤3的内容
原理图
流程图

5. 优点

对比 LinuxAndroid基于Linux)上的其他进程通信方式(管道、消息队列、共享内存、
信号量、Socket),Binder 机制的优点有:

示意图


6. 总结

  • 本文主要详细讲解 跨进程通信模型 Binder机制 ,总结如下:
定义

特别地,对于从模型结构组成的Binder驱动来说:

示意图
  • 整个Binder模型的原理步骤 & 源码分析
示意图

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