Linux·Binder机制原理

前言

1. Binder到底是什么？

2. 知识储备

2.1 进程空间划分

2.2 进程隔离 & 跨进程通信（ IPC ）

2.5 内存映射

3. Binder 跨进程通信机制模型

3.1 模型原理图

3.3 模型原理步骤说明

3.4 额外说明

4. Binder机制在Android中的具体实现原理

步骤1：注册服务

步骤2：获取服务

步骤3：使用服务

5. 优点

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 Binder在 Android中的具体实现

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

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 Binder在 Android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：

copy_from_user（）：将用户空间的数据拷贝到内核空间copy_to_user（）：将内核空间的数据拷贝到用户空间

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

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

3.2 模型组成角色说明

此处重点讲解 Binder驱动的作用 & 原理：

简介

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：内存映射

3.3 模型原理步骤说明

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 open 和 ioctl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

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

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 Server 和 ServiceManager 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：

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

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

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()；
          }
}