Android 进阶——Binder IPC之学习Binder IPC架构及原理概述（十二）

news2025/1/11 22:43:36

文章大纲

  • 引言
  • 一、Binder IPC 基础架构
    • 1、Binder IPC核心角色
    • 2、Binder IPC的数据流
  • 二、Binder IPC 协议通信流程
  • 三、Binder IPC 核心角色详解
    • 1、Server 进程及Server 组件
    • 2、Client进程及Client组件
    • 3、Service Manager 与实名 Binder
    • 4、Binder 驱动
  • 四、Binder 通信过程
  • 五、开发使用Binder
      • 1、注册服务
      • 2、获取服务
      • 3、使用服务
    • 4、Server进程根据Client进要求 调用 目标方法（即加法函数）
      • 4.1、 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
      • 4.2、 将结算结果返回到Binder驱动
      • 4.3、Server进程 将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程

引言

前面几篇文章，为我们学习Binder IPC通信机制提供了扎实的理论基础，接下来将正式进入Binder IPC通信架构及原理的解读。

在这里插入图片描述

一、Binder IPC 基础架构

Binder 是基于 C/S 架构的，由一系列的组件组成，包括 Client进程、Server进程、Service Manager进程、Binder 驱动。其中 Client进程、Server进程、Service Manager进程运行在用户空间，互相隔离，而Binder 驱动运行在内核空间。因此Client进程、Server进程、Service Manager 进程间的交互必须通过Binder驱动（系统调用 open、mmap 和 ioctl 函数来访问设备文件 /dev/binder，实现与 Binder 驱动的交互来间接的实现跨进程通信），而非直接交互的原因是，**因为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，而Binder驱动属于进程空间的内核空间，可进行进程间(进程内)直接交互。**Binder IPC中的每一个Client、Server进程都各自独立维护着一个Binder线程池来处理IPC请求，因此Server、Client 进程都可以并发地发出IPC请求和响应IPC请求。

Server Manager进程与Binder驱动的交互也是通过Binder实现的。
在这里插入图片描述

1、Binder IPC核心角色

由上图可知Binder IPC 主要参与角色有五种：

角色说明参与对象
Client进程Binder服务的使用者Binder 代理对象
Server进程Binder服务的供应商Binder本地对象
Service Manager进程Binder服务的管理者，负责把Binder的名称到引用对象的转换，类似DNS的功能\
Binder驱动实现各种Binder的底层交互和管理，类似路由器。Binder实体对象、Binder引用对象（实体的引用）

Server 进程启动时主动向Binder驱动发起注册自己的Service组件IPC请求，然后Binder驱动响应IPC请求并转发该请求给Service Manager进程，再由Service Manager进程注册管理该Service 组件，于是Service Manager进程拥有了对应Server进程的信息（即完成了服务注册）。当Client 进程向Service Manager进程发起携带服务唯一标识的获取服务IPC请求时，再次由Binder驱动响应并转发给Service Manager进程，Service Manager进程根据注册信息找到对应的服务对象，交由Binder驱动返回给Client。

2、Binder IPC的数据流

在这里插入图片描述

二、Binder IPC 协议通信流程

Client进程和Server进程的一次IPC 流程可以从整体通信上分为五个步骤：

步骤说明
1Client 将通信数据封装为Parcel对象并传递到Binder驱动
2Client向Binder驱动发送BC_TRANSACTION_COMPLETE协议，Binder驱动根据协议内容找到目标Server进程后回复一个BR_TRANSACTION_COMPLETE告知Client其通信请求已被接受，Client接到BR_TRANSACTION_COMPLETE并处理后，会再次进入到Binder驱动程序中等待Server进程的响应结果
3Binder驱动在给Client回复一个BR_TRANSACTION_COMPLETE的同时，向目标Server进程发送一个BR_TRANSACTION返回协议，请求目标Server进程处理这个IPC请求
4Server进程接受BR_TRANSACTION并处理后，给驱动回复一个BC_REPLY协议，驱动根据协议内容找到目标Client进程后再次向Server进程发送一个BR_TRANSACTION_COMPLETE返回协议，告知Server已接到返回的相应结果，Server接到并处理了BR_TRANSACTION_COMPLETE协议后，一次IPC流程就结束了，接着会重新进入到驱动程序中等待下一次IPC请求
5Binder驱动在给Server进程发送BR_TRANSACTION_COMPLETE的同时，也会向目标Client进程发送一个BR_REPLY返回协议，代表Server进程已经处理完成IPC请求了并将结果返回给Client

从具体对象来看，一次Binder IPC （即Binder库 与 Binder 驱动的交互）需要至少五种核心对象参与：BpBinder、BBinder、Binder实体对象、Binder代理对象、Binder驱动程序。核心流程为BpBinder——>Binder引用对象——>Binder实体对象——>BBinder——>Binder 事务

在这里插入图片描述

步骤说明
1Client进程里的Binder代理对象在向Binder驱动中的Binder引用对象发起IPC请求，Binder驱动根据Client进程传入过来的Binder 代理对象的句柄值（BpBinder中的mHandle）找到目标Binder引用对象。
2Binder驱动再根据Binder引用对象寻找对应的Binder实体对象并创建一个Binder事务，封装此次IPC请求。
3Binder驱动在根据Binder实体对象找到运行在Server进程的Binder本地对象，将Client进程发送的IPC请求携带的数据交给Binder本地对象处理。
4Binder本地对象在Server进程继续处理IPC请求，处理完成后将结果返回到Binder驱动，Binder驱动把结果封装到步骤2创建的Binder事务中。
5Binder 驱动最后根据Binder事务的相关属性，找到发出IPC请求的Client进程，并通知Client进程把结果返回给Binder代理对象处理。

在浏览器输入一个域名地址http://www.xxx.com 按下回车后，因为不能直接通过域名找到目标服务器，接着访问 DNS 域名服务器（保存了域名和IP的映射）筛选出目标服务器，然后通过这个 ip 地址才能放到到 http://www.xxx.com 对应的服务器。

三、Binder IPC 核心角色详解

1、Server 进程及Server 组件

Server 进程运行于进程空间内的用户空间，作为Binder服务的供应商，Server组件启动时通过Binder驱动主动把自己注册到Server Manager进程之中（即主动建立binder服务名称和Binder引用对象的映射），方便Client随时通过Server Manager进程获取相应的Binder代理对象进而得到使用其服务提供的能力。

同一个Server进程可以同时运行多个Server组件（即提供Binder服务的代码模块），同一个Client进程也可以同时向多个Server 组件发起IPC 请求，每一个请求对应一个Client组件（或者成为Server代理），
在这里插入图片描述

2、Client进程及Client组件

Client进程是Binder服务的使用者，使用时通过Service Manager 进程通信获取Binder（本地对象的）代理对象，通过Binder代理对象经过Binder驱动去向Server进程发起IPC请求。

3、Service Manager 与实名 Binder

运行于用户空间的Service Manager守护进程是提供Binder服务的查询功能，根据注册时的Binder服务名称就能返回其对应的Binder引用对象，对于Binder服务通常是有一个唯一的字符串名称，主要想Servive Manager 注册了，应用就可以通过这个字符串名称来得到对应的Binder 引用对象，而Service Manager进程也是通过Binder IPC与其他进程进行通信的，至于实现细节后续再表，其作用就类似于DNS功能。

4、Binder 驱动

**Binder 驱动运行于内核空间，是整个Binder IPC的核心（由Android系统内核实现），Binder驱动实现open、mmap和ioctl系统调用，完成内核空间和用户空间缓存的映射以及对缓存和Server组件的管理。**包括不限于负责进程之间 Binder 通信的建立，Binder 在进程之间的传递，Binder对象生命周期管理（采用引用计数计数），数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持，类似网络通信中路由器的功能。Server进程与Client进程的通信都需要依赖Binder驱动间接完成，Binder驱动抽象了一个虚拟设备文件dev/binder/并向用户空间暴露，使得应用程序进程可以通过它间接建立通信通道。

四、Binder 通信过程

在这里插入图片描述

BC_XXX代表用户空间的进程发送给Binder驱动的命令，而BR_XXX是Binder驱动返回给用户空间进程的命令。

至此，我们大致能总结出 Binder 通信过程：

  1. 首先，一个进程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令通过 Binder 驱动将自己注册成为 ServiceManager；
  2. Server 通过驱动向 ServiceManager 中注册 Binder（Server 中的 Binder 实体），表明可以对外提供服务。驱动为这个 Binder 创建位于内核中的实体节点以及 ServiceManager 对实体的引用，将名字以及新建的引用打包传给 ServiceManager，ServiceManger 将其填入查找表。
  3. Client 通过名字，在 Binder 驱动的帮助下从 ServiceManager 中获取到对 Binder 实体的引用，通过这个引用就能实现和 Server 进程的通信。

我们看到整个通信过程都需要 Binder 驱动的接入。下图能更加直观的展现整个通信过程(为了进一步抽象通信过程以及呈现上的方便，下图我们忽略了 Binder 实体及其引用的概念)：

Binder驱动，通过虚拟出的物理设备(/dev/binder)，连接Service进程、Client进程与Service Manager进程
在这里插入图片描述

五、开发使用Binder

Binder驱动、Service Manager进程属于Android基础架构是系统已经实现的，Client进程、Server 进程属于Android应用层需要开发者自己实现。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(注册服务，获取服务，使用服务)，最终借助Android的基本架构功能就可完成进程间通信。

  • Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类，其实现了IBinder接口
  • 用一个应用Binder的实例来介绍怎么显式使用注册服务，获取服务，使用服务完成进程间通讯
    Client进程通过Server进程实现加法函数(两个整数相加) 。

主要步骤分解：

  • Client进程将两个整数传给Server进程
  • Server进程将相加之后的结果返回给Client进程

1、注册服务

Server进程通过Binder驱动向ServiceManager进程注册服务

    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
    sp<CalcService> service = new CalcService();
    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager(); 
    sm->addService(“CalcService”, service);
    ProcessState::self()->startThreadPool();
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

1.ProcessState::self()调用ProcessState的构造函数，创建一个实例，该操作打开binder驱动，并进行mmap函数，映射出binder驱动对应的映射内存缓冲区
2.创建CalcService实例，加法函数是CalcService的一个方法
3.获取一个ServiceManager对象BpServiceManager
4.调用BpServiceManager的addService方法，将服务(CalcService)注册到Service Manager
5.创建线程池
6.加入线程池，执行主线程和工作线程
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（此处是CalcService），需通过Binder驱动向ServiceManager进程获取相应的Service信息
    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
sp<IBinder> binder = sm->getService(“CalcService”);
sp<ICalcService> calcService = interface_cast <ICalcService>(binder);
    1.获取一个ServiceManager对象BpServiceManager
    2.调用BpServiceManager的getService方法，根据服务名(“CalcService”)获取到ServiceManager管理的IBinder
    3.通过interface_cast调用asInterface()函数，返回IBinder的客户端，通过该客户端与服务端通讯

此时，Client进程与Server进程创建了连接

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

  • Client进程将参数（整数a和b）发送到Server进程

  • Server进程根据Client进程要求调用目标方法（即加法函数）

  • Server进程将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程

  • Client进程将参数（整数a和b）发送到Server进程

status_t myAdd(int a, int b, String8& result)
{
	Parcel data, reply;
	data.writeInterfaceToken("CalcService");
	data.writeInt(a);
	data.writeInt(b);
	remote()->transact(CALC_ADD, data, &reply);
	//status_t ret = reply.readInt32();
	//String8 tempResult = reply.readString8();
	//result.setTo(tempResult);
	//return ret;	
}

1.目标参数与接口标识赋值
2.调用代理对象BpInterface的transact()将上述数据发送到Binder驱动

transact(CALC_ADD, data, reply, 0)
// 参数说明：
// 1. CALC_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,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）

4、Server进程根据Client进要求 调用 目标方法（即加法函数）

4.1、 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

   status_t BnCalcService::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 CALC_ADD： { 
   				String8 tempResult;
   				//获得目标方法的参数
   				int arg0 = data.readInt();
   				int arg1 = data.readInt();
   				//调用服务端方法进行计算
   				status_t ret = myAdd(arg0, arg1, tempResult);
   				//将计算结果写入到reply返回
   				reply->writeInt32(ret);
   				reply->writeString8(tempResult);
   				return NO_ERROR;			
   			}
   		}
   	}

4.2、 将结算结果返回到Binder驱动

4.3、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）
   status_t ret = reply.readInt32();
      	String8 tempResult = reply.readString8();
      	result.setTo(tempResult);

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