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Android 核心分析之六 -----IPC框架分析 Binder，Service，Service manager

2012-06-17 22:54 519 查看

Android 核心分析之六 -----IPC框架分析 Binder，Service，Service manager

2010-04-15 22:15
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IPC框架分析 Binder，Service，Service manager

我首先从宏观的角度观察Binder,Service,Service Manager，并阐述各自的概念。从Linux的概念空间中，Android的设计Activity托管在不同的的进程，Service也都是托管在不同的进程，不同进程间的Activity,Service之间要交换数据属于IPC。Binder就是为了Activity通讯而设计的一个轻量级的IPC框架。
在代码分析中，我发现Android中只是把Binder理解成进程间通讯的实现，有点狭隘，而是应该站在公共对象请求代理这个高度来理解Binder，Service的概念，这样我们就会看到不一样的格局，从这个高度来理解设计意图，我们才会对Android中的一些天才想法感到惊奇。从Android的外特性概念空间中，我们看不到进程的概念，而是Activity，Service，AIDL，INTENT。一般的如果我作为设计者，在我们的根深蒂固的想法中，这些都是如下的C/S架构，客户端和服务端直接通过Binder交互数据，打开Binder写入数据，通过Binder读取数据，通讯就可以完成了。

该注意到Android的概念中，Binder是一个很低层的概念，上面一层根本都看不到Binder，而是Activity跟一个Service的对象直接通过方法调用，获取服务。

这个就是Android提供给我们的外特性：在Android中，要完成某个操作，所需要做的就是请求某个有能力的服务对象去完成动作，而无需知道这个通讯是怎样工作的，以及服务在哪里。所以Andoid的IPC在本质上属于对象请求代理架构，Android的设计者用CORBA的概念将自己包装了一下，实现了一个微型的轻量级CORBA架构，这就是Andoid的IPC设计的意图所在，它并不是仅仅解决通讯，而是给出了一个架构，一种设计理念，这就是Android的闪光的地方。Android的Binder更多考虑了数据交换的便捷，并且只是解决本机的进程间的通讯，所以不像CORBA那样复杂，所以叫做轻量级。
所以要理解Android的IPC架构，就需要了解CORBA的架构。而CORBA的架构在本质上可以使用下面图来表示：

在服务端，多了一个代理器，更为抽象一点我们可以下图来表示。

分析和CORBA的大体理论架构，我给出下面的Android的对象代理结构。

在结构图中，我们可以较为清楚的把握Android的ＩＰＣ包含了如下的概念：

设备上下文什（ContextObject）
设备上下文包含关于客服端，环境或者请求中没有作为参数传递个操作的上下文信息，应用程序开发者用ContextObject接口上定义的操作来创建和操作上下文。

Android代理：这个是指代理对象

Binder Linux内核提供的Binder通讯机制

Android的外特性空间是不需要知道服务在那里，只要通过代理对象完成请求，但是我们要探究Android是如何实现这个架构，首先要问的是在Client端要完成云服务端的通讯，首先应该知道服务在哪里？我们首先来看看Service Manger管理了那些数据。Service Manager提供了add service,check service两个重要的方法，并且维护了一个服务列表记录登记的服务名称和句柄。

Service manager service使用0来标识自己。并且在初始化的时候，通过binder设备使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR ioctl将自己变成了CONTEXT_MGR。Svclist中存储了服务的名字和Handle，这个Handle作为Client端发起请求时的目标地址。服务通过add_service方法将自己的名字和Binder标识handle登记在svclist中。而服务请求者，通过check_service方法，通过服务名字在service list中获取到service 相关联的Binder的标识handle,通过这个Handle作为请求包的目标地址发起请求。

我们理解了Service Manager的工作就是登记功能，现在再回到ＩＰＣ上，客服端如何建立连接的？我们首先回到通讯的本质：IPC。从一般的概念来讲，Android设计者在Linux内核中设计了一个叫做Binder的设备文件，专门用来进行Android的数据交换。所有从数据流来看Java对象从Java的VM空间进入到C++空间进行了一次转换，并利用C++空间的函数将转换过的对象通过driver/binder设备传递到服务进程，从而完成进程间的IPC。这个过程可以用下图来表示。

这里数据流有几层转换过程。
（1）从JVM空间传到c++空间，这个是靠JNI使用ENV来完成对象的映射过程。
（2）从c++空间传入内核Binder设备，使用ProcessState类完成工作。
（3） Service从内核中Binder设备读取数据。
Ａｎｄｒｏｉｄ设计者需要利用面向对象的技术设计一个框架来屏蔽掉这个过程。要让上层概念空间中没有这些细节。Android设计者是怎样做的呢？我们通过c++空间代码分析，看到有如下空间概念包装(ProcessState@(ProcessState.cpp)

在ProcessState类中包含了通讯细节，利用open_binder打开Linux设备dev/binder,通过ioctrl建立的基本的通讯框架。利用上层传递下来的servicehandle来确定请求发送到那个Service。通过分析我终于明白了Bnbinder，BpBinder的命名含义，Bn-代表Native，而Bp代表Proxy。一旦理解到这个层次，ProcessState就容易弄明白了。

下面我们看JVM概念空间中对这些概念的包装。为了通篇理解设备上下文，我们需要将Android VM概念空间中的设备上下文和C++空间总的设备上下文连接起来进行研究。
为了在上层使用统一的接口，在JVM层面有两个东西。在Android中，为了简化管理框架，引入了ServiceManger这个服务。所有的服务都是从ServiceManager开始的，只用通过Service Manager获取到某个特定的服务标识构建代理IBinder。在Android的设计中利用Service Manager是默认的Handle为0，只要设置请求包的目标句柄为0，就是发给Service Manager这个Service的。在做服务请求时，Android建立一个新的Service Manager Proxy。Service Manager Proxy使用ContexObject作为Binder和Service Manager Service（服务端）进行通讯。

我们看到Android代码一般的获取Service建立本地代理的用法如下：
IXXX mIxxx=IXXXInterface.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("xxx"));

例如：使用输入法服务：
IInputMethodManager mImm=
IInputMethodManager.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("input_method"));

这些服务代理获取过程分解如下：

（1）通过调用GetContextObject调用获取设备上下对象。注意在AndroidJVM概念空间的ContextObject只是
与Service Manger Service通讯的代理Binder有对应关系。这个跟c++概念空间的GetContextObject意义是不一样的。
注意看看关键的代码

BinderInternal.getContextObject（）
@BinderInteral.java

NATIVE JNI:getContextObject() @android_util_Binder.cpp
Android_util_getConextObject @android_util_Binder.cpp

ProcessState::self()->getCotextObject(0) @processState.cpp

getStrongProxyForHandle(0) @

NEW BpBinder(0)

注意ProcessState::self()->getCotextObject(0) @processtate.cpp，就是该函数在进程空间建立
了ProcessState对象，打开了Binder设备dev/binder,并且传递了参数0，这个0代表了与Service Manager这个服务绑定。
（2）通过调用ServiceManager.asInterface（ContextObject）建立一个代理ServiceManger。
mRemote= ContextObject(Binder)
这样就建立起来ServiceManagerProxy通讯框架。
(3)客户端通过调用ServiceManager的getService的方法建立一个相关的代理Binder。

ServiceMangerProxy.remote.transact(GET_SERVICE)
IBinder=ret.ReadStrongBinder()
-》这个就是JVM空间的代理Binder
JNI Navite: android_os_Parcel_readStrongBinder() @android_util_binder.cpp
Parcel->readStrongBinder() @pacel.cpp
unflatten_binder @pacel.cpp
getStrongProxyForHandle(flat_handle)
NEW BpBinder(flat_handle)-》这个就是底层c++空间新建的代理Binder。
整个建立过程可以使用如下的示意图来表示：

Activity为了建立一个IPC，需要建立两个连接：访问Servicemanager Service的连接，IXXX具体XXX Service的代理对象与XXXService的连接。这两个连接对应c++空间ProcessState中BpBinder。对IXXX的操作最后就是对BpBinder的操作。由于我们在写一个Service时，在一个Package中写了Service
Native部分和Service Proxy部分，而Native和Proxy都实现相同的接口：IXXX Interface,但是一个在服务端，一个在客服端。客户端调用的方式是使用remote->transact方法向Service发出请求，而在服务端的OnTransact中则是处理这些请求。所以在Android Client空间就看到这个效果：只需要调用代理对象方法就达到了对远程服务的调用目的，实际上这个调用路径好长好长。

我们其实还一部分没有研究，就是同一个进程之间的对象传递与远程传递是区别的。同一个进程间专递服务地和对象，就没有代理BpBinder产生，而只是对象的直接应用了。应用程序并不知道数据是在同一进程间传递还是不同进程间传递，这个只有内核中的Binder知道，所以内核Binder驱动可以将Binder对象数据类型从BINDER_TYPE_BINDER修改为BINDER_TYPE_HANDLE或者BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE作为引用传递。

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70楼 jiangjqian
2012-05-29 16:55发表
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请问，我有一个C++实现的服务进程，想在java层通过Binder和该服务通信，能否这样？

69楼 yc243100946
2012-05-12 18:15发表
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lz 已经大乘了小弟还没筑基啊。。。。

68楼 ghy0504
2012-04-27 17:42发表
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看得云里雾里的，没怎么看懂！！

67楼 bawang_cn
2012-04-22 10:39发表
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讲的太好了，不过有点深，有些地方看不懂，支持楼主

66楼 mr_lvning
2012-03-03 18:26发表
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表示一点也没看懂、楼主已经升华到另一个阶段了

65楼 zgzhaobo
2012-02-13 18:04发表
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以后再来看~

64楼 longzhu2011
2012-01-26 22:57发表
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Very 。。。

63楼 szlwm
2012-01-19 15:38发表
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讲的真的好，一直都没弄懂这个东西

62楼 eleven_yy
2011-12-05 19:32发表
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大哥，牛\(^o^)/~

61楼 starqiqi77
2011-11-16 19:02发表
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看了這28篇核心分析有段時間了，雖然沒懂多少，但是受益非淺，期待更新，謝謝

60楼 Sencha_Android
2011-11-06 13:43发表
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果然是理解错了，xxxservice不是一个进程，只是android概念空间的一个对象，所以不属于进程间通信，看来android中service并不是与一个进程对应啊！可以直接对象调用！

59楼 Sencha_Android
2011-11-06 13:21发表
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也许没有看懂，为什么bpbinder可以与xxxx Service直接通信，当mhandler=0时却要通过binder device与service manager service通信，求解！

58楼 rockywen
2011-11-05 10:31发表
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学习

57楼 guodilong
2011-11-03 17:22发表
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有点抽象

56楼 xyzxyzxz
2011-11-03 15:22发表
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mark

55楼 qinjuning
2011-10-26 14:06发表
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挺不错的，非常充实。

54楼 maohuiabc
2011-09-22 11:09发表
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非常佩服楼主，请出书介绍得更详细些吧。期待中。

其实 .net 1.1 的Remoting中早就实现了这样或者说类似的通信框架，既可以用于网络通信，又可用于本地进程间通信

53楼 CodeFly
2011-09-17 22:04发表
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可否请教个问题？楼主文中主要解说了Client端向Service端发起通信的机制，基本上最主要的地方在于获取BpBinder，并调用其transact()。但是反方向该怎么办呢？比如Window Manager Service内部利用IWindow接口向Activity端发起通信，那么Activity端的底层是否也有个类似bind loop的线程来监听binder呢？我想可能不是ActivityThread在搞这个吧。不知道有没有人能解释一下？谢谢。

Re: lizhiguo0532
2012-05-09 13:21发表
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回复CodeFly：通常Activity是作为请求端发送请求的，有同步和异步请求之分，同步的话就需要等待结果返回，异步发送完请求就不管了。服务和服务是可以任一一端发起请求的，不过对于服务是不可能对一般进程(activity端)发起请求，因为没有实现BInder接口，也没有注册服务。实现了并注册了服务当然是可以的，就像另一个服务一样。

Re: w7849516230
2011-10-31 17:11发表
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回复CodeFly：也很想知道这个！

52楼 erik3699298
2011-09-08 14:54发表
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看的太舒服了～～大哥

51楼 txxm520
2011-09-06 22:45发表
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高手是怎么练成的???牛人啊

50楼 Cappuccino207
2011-08-31 09:36发表
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太厉害了

49楼 yujunf
2011-08-28 00:59发表
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好文章啊

48楼 huzhennan5793
2011-08-26 11:22发表
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膜拜！

47楼 huzhennan5793
2011-08-26 11:11发表
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膜拜中！！Andoid的IPC设计的意图所在，它并不是仅仅解决通讯，而是给出了一个架构，一种设计理念

46楼 HMC20071120015
2011-08-19 17:18发表
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看不懂啊只是有个概念难道是内功不够啊

45楼 L_sharp
2011-08-10 21:19发表
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Need more Binder。。。。

44楼 free555
2011-07-31 23:06发表
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很给力啊

43楼 heicainiuniu
2011-07-29 12:31发表
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写的很好哇~~但是，我读懂的不多，继续努力，争取都能明白你的博文。

42楼 xiaowangzaixian
2011-07-25 12:40发表
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写的不错，前面还能看懂。后面完全不像看了

41楼 liuju1234
2011-07-06 15:52发表
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这位大哥讲的比较详细，但是我在看代码时，还是有一点不明白。

在C/C++层，BpServiceManager在addService时，调用Parcel.writeStrongBinder(service)时flat_binder_object的类型明明是BINDER_TYPE_BINDER，但是在servicemanager中函数svcmgr_handler处理SVC_MGR_ADD_SERVICE时，接收的类型只有BINDER_TYPE_HANDLE，居然还能正常工作，真的是太让人费解了。

Re: lizhiguo0532
2012-05-09 12:35发表
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回复liuju1234：binder驱动部分做了这个转换。其实绝大部分事情都是在binder驱动中做的，有兴趣可以去分析下驱动源码。

40楼 chen3273099
2011-06-20 11:55发表
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不懂啊，晕了

39楼 tjd0227
2011-06-07 17:38发表
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38楼 ppmia
2011-05-26 21:31发表
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37楼 jdc0109
2011-05-25 15:51发表
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为什么要用代理呢，没弄明白

36楼 Qphone
2011-05-16 09:32发表
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咕~~(╯﹏╰)b 看不大懂

35楼 Sencha_Android
2011-05-08 09:22发表
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看不懂啊

34楼 haodynasty
2011-05-04 16:53发表
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高人咋么诞生的呢?结果就在这里

33楼 tenyyujin
2011-04-14 17:07发表
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沉淀中。。

32楼 coolhealth
2011-03-31 22:29发表
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我发现最后一个图有个箭头有些问题。

BpBinder(IXXX) 应该是与 Service上的 IXXX 互动，蓝色箭头部分有误。

31楼 abc47bca
2011-03-18 16:43发表
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好文章。

30楼 wang382758656
2011-03-09 20:13发表
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好文章

29楼 lf78204490
2011-03-08 13:12发表
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28楼 jdc0109
2011-03-04 16:26发表
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27楼 totogo2010
2011-03-04 15:49发表
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半懂不懂

26楼 lotharli
2011-02-17 18:03发表
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看不懂的话，是不是应该先买本android入门的书看看？

25楼 huangwuyi
2011-02-16 09:50发表
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看不懂什么意思

24楼 hudongliang2006nb
2011-01-04 16:39发表
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23楼 ljfljf2006205
2010-12-20 16:51发表
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好复杂，看不太懂

22楼 Simon_foo
2010-12-17 14:09发表
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Server端收到数据之后的处理如果也介绍一下就更好了～！

21楼 ecorefeng
2010-12-09 16:25发表
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如此高人！！膜拜ing

20楼 Jason_Jee
2010-12-01 21:00发表
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个人理解，通过Binder完成的应当是RPC，RPC和IPC是不同的两个概念，RPC掩盖了函数调用的过程，而IPC不过是进程间的通信而已，Binder中有个重要的概念叫flatten，类似于Java中的serialization，这两者都是RPC的实现基础——跨上下文进行函数调用，这里的上下文可以是物理上相连的不同电脑，也可以是同一计算机的上的不同进程，又或者是同样进程的不同线程。

19楼 jack_fangdb
2010-11-29 20:56发表
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在windows mobile

也有 proxy 建立 IPC 机制

Re: jack_fangdb
2010-11-30 10:05发表
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回复 jack_fangdb：不过还是没有看明白，我看了很多遍，估计是因为，要建立一个具体IPC,是在好长超长，看来上面这些人都是高人了，最好自己做一个私有的 IPC 例子，就完美了

18楼 dragondog
2010-11-17 09:23发表
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写的很好，不错有点小问题，Java IPC时不用BpBinder，而是用BinderProxy替代了C++中的BpBinder。下面ProcessState与IPCThreadState是公用的

Re: lizhiguo0532
2012-05-09 13:15发表
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回复dragondog：貌似这不是一个问题，java中的BinderProxy实际上也对于一个本地的BpBinder，实际的操作都是通过JNI用BpBinder来做。

17楼 student_cui
2010-11-14 11:13发表
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