Android 应用层到 HAL 层

1、相关知识点
- 1.1 概要
- 1.2 参考
2、拿SensorService举例
- 2.1 Android Apps ==> Android Framework阶段
- 2.2 Android Framework内部阶段
- - 2.2.1 frameworks/base
  - 2.2.2 frameworks/native
- 2.3 Android Framework ==> HAL 阶段
- - 2.3.1 旧版 HAL

1、相关知识点

1.1 概要

如下 AOSP软件堆栈架构图 主要跨两个阶段 Android Apps ==> Android Framework ==> HAL，这种IPC跨进程通信在Android中必须要了解的相关知识点：1》Binder IPC通信机制；2》JNI调用；3》AIDL、HIDL接口定义语言

1》Binder IPC通信机制

IPC 域说明
/dev/binder 框架/应用进程之间的 IPC，使用 AIDL 接口
/dev/hwbinder 框架/供应商进程之间的 IPC，使用 HIDL 接口
供应商进程之间的 IPC，使用 HIDL 接口
/dev/vndbinder 供应商/供应商进程之间的 IPC，使用 AIDL 接口

IPC 域	说明
`/dev/binder`	框架/应用进程之间的 IPC，使用 AIDL 接口
`/dev/hwbinder`	框架/供应商进程之间的 IPC，使用 HIDL 接口供应商进程之间的 IPC，使用 HIDL 接口
`/dev/vndbinder`	供应商/供应商进程之间的 IPC，使用 AIDL 接口

2》JNI调用
就是Java与C/C++互相调用，这不是Android系统所独有的，而是Java所有。Android表现：frameworks/base和frameworks/Native，以及其他SO库调用。

3》AIDL、HIDL接口定义语言：是Android中binder机制的具体实现，相应的binder域/dev/binder、/dev/hwbinder、/dev/vndbinder；Android规范的接口定义语言，按照规范aidl/hidl文件自动生成相应代码文件。

Android 接口定义语言相关Blog client端 / server端
AIDL Android 接口定义语言 (AIDL) 客户端获取proxy：asInterface(android.os.IBinder obj)
服务端实现Stub：class Stub extends android.os.Binder
HIDL Android 接口定义语言 (HIDL)

Android 接口定义语言	相关Blog	client端 / server端
`AIDL`	Android 接口定义语言 (AIDL)	客户端获取proxy：`asInterface(android.os.IBinder obj)` 服务端实现Stub：`class Stub extends android.os.Binder`
`HIDL`	Android 接口定义语言 (HIDL)

AOSP软件堆栈架构图

1.2 参考

1》Binder IPC通信机制

序号文章名概述
0 为什么 Android 要采用 Binder 作为 IPC 机制？【Android，在争议中逃离 Linux 内核的 GPL 约束】
0 使用 Binder IPC 多个 Binder 域：/dev/binder、/dev/hwbinder、/dev/vndbinder
1 Binder系列1-Binder Driver /dev/binder运行在Linux kernel
2 Binder系列2-ServiceManager SM启动，添加/获取Service
3 Binder系列3-framework层 Zygote启动时AndroidRuntime::startReg中register_jni_procs()，JNI调用到Native
4 Binder 域关注/dev/vndbinder与/dev/binder共用一套libbinder，defaultServiceManager()获取前需要切换
5 Binder相关问题

序号	文章名	概述
0	为什么 Android 要采用 Binder 作为 IPC 机制？	【Android，在争议中逃离 Linux 内核的 GPL 约束】
0	使用 Binder IPC	多个 Binder 域：`/dev/binder`、`/dev/hwbinder`、`/dev/vndbinder`
1	Binder系列1-Binder Driver	`/dev/binder`运行在Linux kernel
2	Binder系列2-ServiceManager	SM启动，添加/获取Service
3	Binder系列3-framework层	Zygote启动时AndroidRuntime::startReg中`register_jni_procs()`，JNI调用到Native
4	Binder 域	关注/dev/vndbinder与/dev/binder共用一套libbinder，defaultServiceManager()获取前需要切换
5	Binder相关问题

2》JNI调用
Android JNI原理、Java本地调用（JNI）

3》AIDL、HIDL接口定义语言

Android 接口定义语言相关Blog
AIDL Android 接口定义语言 (AIDL)
HIDL Android 接口定义语言 (HIDL)

Android 8.0 重新设计了 Android 操作系统框架（在一个名为“Treble”的项目中），以便让制造商能够以更低的成本更轻松、更快速地将设备更新到新版 Android 系统。在这种新架构中，HAL 接口定义语言（HIDL，发音为“hide-l”）指定了 HAL 和其用户之间的接口，让用户无需重新构建 HAL，就能替换 Android 框架。在 Android 10 中，HIDL 功能已整合到 AIDL 中。此后，HIDL 就被废弃了，并且仅供尚未转换为 AIDL 的子系统使用。

在 Android 11 中，还支持使用 AIDL 编写的 HAL。所有 AIDL HAL 都是绑定的。
- 绑定的 HAL 。 HAL 以 HAL 接口定义语言 (HIDL) 或 Android 接口定义语言 (AIDL) 表示。这些 HAL 取代了早期 Android 版本中使用的传统 HAL 和遗留 HAL。在 Binderized HAL 中，Android 框架和 HAL 使用 Binder 进程间通信 (IPC) 调用相互通信。所有搭载 Android 8.0 或更高版本的设备必须仅支持绑定化 HAL。
-直通 HAL 。 HIDL 包装的传统 HAL 或旧版 HAL这些 HAL 包装现有的 HAL，并且可以在绑定和相同进程（直通）模式下为 HAL 提供服务。升级到 Android 8.0 的设备可以使用直通 HAL。

Android 接口定义语言	相关Blog
`AIDL`	Android 接口定义语言 (AIDL)
`HIDL`	Android 接口定义语言 (HIDL) Android 8.0 重新设计了 Android 操作系统框架（在一个名为“Treble”的项目中），以便让制造商能够以更低的成本更轻松、更快速地将设备更新到新版 Android 系统。在这种新架构中，HAL 接口定义语言（HIDL，发音为“hide-l”）指定了 HAL 和其用户之间的接口，让用户无需重新构建 HAL，就能替换 Android 框架。在 Android 10 中，HIDL 功能已整合到 AIDL 中。此后，HIDL 就被废弃了，并且仅供尚未转换为 AIDL 的子系统使用。在 Android 11 中，还支持使用 AIDL 编写的 HAL。所有 AIDL HAL 都是绑定的。 - 绑定的 HAL 。 HAL 以 HAL 接口定义语言 (HIDL) 或 Android 接口定义语言 (AIDL) 表示。这些 HAL 取代了早期 Android 版本中使用的传统 HAL 和遗留 HAL。在 Binderized HAL 中，Android 框架和 HAL 使用 Binder 进程间通信 (IPC) 调用相互通信。所有搭载 Android 8.0 或更高版本的设备必须仅支持绑定化 HAL。 -直通 HAL 。 HIDL 包装的传统 HAL 或旧版 HAL这些 HAL 包装现有的 HAL，并且可以在绑定和相同进程（直通）模式下为 HAL 提供服务。升级到 Android 8.0 的设备可以使用直通 HAL。

2、拿SensorService举例

2.1 Android Apps ==> Android Framework阶段

Android Apps ==> Android Framework阶段通过Android API调用，就是App编程调用的Android SDK。

Activity中调用
mSensorManager = (SensorManager)getSystemService(SENSOR_SERVICE);
mAccelerometer = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);
获取加速度传感器Sensor.TYPE_ACCELEROMETER。

更多查看APP获取Sensor对象-Android12；参考代码如下

public class SensorActivity extends Activity implements SensorEventListener {
    private final SensorManager mSensorManager;
    private final Sensor mAccelerometer;

    public SensorActivity() {
        mSensorManager = (SensorManager)getSystemService(SENSOR_SERVICE);
        mAccelerometer = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);
    }

    protected void onResume() {
        super.onResume();
        mSensorManager.registerListener(this, mAccelerometer, SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);
    }

    protected void onPause() {
        super.onPause();
        mSensorManager.unregisterListener(this);
    }

    public void onAccuracyChanged(Sensor sensor, int accuracy) {
    }

    public void onSensorChanged(SensorEvent event) {
    }
}

2.2 Android Framework内部阶段

2.2.1 frameworks/base

Android Framework内部阶段：通过JNI调用Native层，如Android JNI原理、Java本地调用（JNI）中javac -h ./ xxx.java (javah是1.8及以前版本)生成相应xxxNative.h文件，

SersorManager.java对应相关代码：（在SystemServer启动时System.loadLibrary("android_servers");加载so库）
frameworks/base/core/java/android/hardware/SensorManager.java
frameworks/base/core/java/android/hardware/SystemSensorManager.java
frameworks/base/core/jni/android_hardware_SensorManager.cpp
libnativehelper/include/nativehelper/JNIHelp.h
libnativehelper/include_jni/jni.h
frameworks/base/core/jni/core_jni_helpers.h

private static native boolean nativeGetSensorAtIndex(long nativeInstance,
		Sensor sensor, int index);

在这里插入图片描述

ssize_t count = mgr->getSensorList(&sensorList);

在这里插入图片描述

2.2.2 frameworks/native

通过binder IPC跨进程通信机制defaultServiceManager()获取到对应服务调用。如调用到服务frameworks/native/services/sensorservice

SersorManager.cpp对应相关代码：（SensorService.cpp 继承BinderService、BnSensorServer、Thread，初始化时添加到defaultServiceManager()中，更多查看SensorService启动-Android12）
frameworks/native/libs/sensor/SensorManager.cpp
frameworks/native/libs/binder/include/binder/IServiceManager.h
frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp
frameworks/native/services/sensorservice/SensorService.cpp

（
这里的Bp端Bn端（BnSensorServer/BnSensorServer）手动撸代码，不是自动生成，所以这里关注transact()/onTransact()
frameworks/native/libs/sensor/include/sensor/ISensorServer.h
frameworks/native/libs/sensor/ISensorServer.cpp
）

NativeSensorService::NativeSensorService(JNIEnv* env, jobject listener)
      : mProximityActiveListenerDelegate(new ProximityActiveListenerDelegate(env, listener)) {
    if (base::GetBoolProperty("system_init.startsensorservice", true)) {
        sp<IServiceManager> sm(defaultServiceManager());
        mService = new SensorService();
        sm->addService(String16(SensorService::getServiceName()), mService,
                       false /* allowIsolated */, IServiceManager::DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL);
    }
}

Vector<Sensor> SensorService::getSensorList(const String16& opPackageName) {
    char value[PROPERTY_VALUE_MAX];
    property_get("debug.sensors", value, "0");
    const Vector<Sensor>& initialSensorList = (atoi(value)) ?
            mSensors.getUserDebugSensors() : mSensors.getUserSensors();
    Vector<Sensor> accessibleSensorList;

    bool isCapped = isRateCappedBasedOnPermission(opPackageName);
    for (size_t i = 0; i < initialSensorList.size(); i++) {
        Sensor sensor = initialSensorList[i];
        if (isCapped && isSensorInCappedSet(sensor.getType())) {
            sensor.capMinDelayMicros(SENSOR_SERVICE_CAPPED_SAMPLING_PERIOD_NS / 1000);
            sensor.capHighestDirectReportRateLevel(SENSOR_SERVICE_CAPPED_SAMPLING_RATE_LEVEL);
        }
        accessibleSensorList.add(sensor);
    }
    makeUuidsIntoIdsForSensorList(accessibleSensorList);
    return accessibleSensorList;
}

SensorService服务 通过frameworks/native/services/sensorservice/SensorService.cpp获取
SensorDevice& dev(SensorDevice::getInstance());
ssize_t count = dev.getSensorList(&list);

SensorDevice.cpp连接HAL层，如connectHidlServiceV2_1()

SensorDevice::HalConnectionStatus SensorDevice::connectHidlServiceV2_1() {
   HalConnectionStatus connectionStatus = HalConnectionStatus::UNKNOWN;
   sp<V2_1::ISensors> sensors = V2_1::ISensors::getService();

   if (sensors == nullptr) {
       connectionStatus = HalConnectionStatus::DOES_NOT_EXIST;
   } else {
       mSensors = new ISensorsWrapperV2_1(sensors);
       connectionStatus = initializeHidlServiceV2_X();
   }

   return connectionStatus;
}

2.3 Android Framework ==> HAL 阶段

通过HIDL （Android 接口定义语言 (HIDL)）文件hidl-gen 编译器自动生成，如继承实现#include <android/hardware/sensors/2.1/ISensors.h>

在这里插入图片描述

2.3.1 旧版 HAL

hardware/libhardware/include/hardware/sensors.h
hardware/libhardware/modules/sensors/dynamic_sensor/sensors.cpp

旧版 HAL：HAL 可定义一个标准接口以供硬件供应商实现，这可让 Android 忽略较低级别的驱动程序实现。借助 HAL，您可以顺利实现相关功能，而不会影响或更改更高级别的系统。本页面介绍了自 Android 8.0 开始已不再支持的旧版架构。对于 Android 8.0 及更高版本，请参阅 HAL 概览。

HAL 模块代表打包的 HAL 实现，这种实现存储为共享库 (.so file)。hardware/libhardware/include/hardware/hardware.h 头文件可定义一个代表模块的结构体 (hw_module_t)，其中包含模块的版本、名称和作者等元数据。Android 会根据这些元数据来找到并正确加载 HAL 模块。

另外，hw_module_t 结构体还包含指向另一个结构体 hw_module_methods_t 的指针，后面这个结构体包含指向相应模块的 open 函数的指针。此 open 函数用于与相关硬件（此 HAL 是其抽象形式）建立通信。每个硬件专用 HAL 通常都会使用该特定硬件的附加信息来扩展通用的 hw_module_t 结构体。

实现 HAL 并创建模块结构体时，您必须将其命名为 HAL_MODULE_INFO_SYM。
struct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
   .common = {
           .tag = HARDWARE_MODULE_TAG,
           .version_major = 1,
           .version_minor = 0,
           .id = SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,
           .name = "Google Dynamic Sensor Manager",
           .author = "Google",
           .methods = &sensors_module_methods,
           .dso  = NULL,
           .reserved = {0},
   },
   .get_sensors_list = get_sensors_list,
   .set_operation_mode = set_operation_mode,
};