Android ： 基本空间划分 ＆ IPC框架分析

一些概念

1. Andoird AIDL

aidl是 Android Interface definition language的缩写，一看就明白，它是一种android内部进程通信接口的描述语言，通过它我们可以定义进程间的通信接口

既然aidl可以定义并实现进程通信，那么我们怎么使用它呢？文档/android-sdk/docs/guide/developing/tools/aidl.html中对步骤作了详细描述：

--> a. Create your .aidl file - This file defines an interface (YourInterface.aidl) that defines the methods and fields available to a client.

创建你的aidl文件，我在后面给出了一个例子，它的aidl文件定义如下：写法跟java代码类似，但是这里有一点值得注意的就是它可以引用其它aidl文件中定义的接口，但是不能够引用你的java类文件中定义的接口

package com.cao.android.demos.binder.aidl;
import com.cao.android.demos.binder.aidl.AIDLActivity;
interface AIDLService {
void registerTestCall(AIDLActivity cb);
void invokCallBack();
}

-->b. Add the .aidl file to your makefile - (the ADT Plugin for Eclipse manages this for you). Android includes the compiler, called AIDL, in the tools/ directory.

编译你的aidl文件

-->c. Implement your interface methods - The AIDL compiler creates an interface in the Java programming language from your AIDL interface. This interface has an inner abstract class named Stub that inherits the interface (and
implements a few additional methods necessary for the IPC call). You must create a class that extends YourInterface.Stub and implements the methods you declared in your .aidl file.

实现你定义aidl接口中的内部抽象类Stub,public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.cao.android.demos.binder.aidl.AIDLService

Stub类继承了Binder，并继承我们在aidl文件中定义的接口，我们需要实现接口方法，下面是我在例子中实现的Stub类：

[java]
view plaincopy

private final AIDLService.Stub mBinder = new AIDLService.Stub() {

@Override
public void invokCallBack() throws RemoteException {
Log("AIDLService.invokCallBack");
Rect1 rect = new Rect1();
rect.bottom=-1;
rect.left=-1;
rect.right=1;
rect.top=1;
callback.performAction(rect);
}

@Override
public void registerTestCall(AIDLActivity cb) throws RemoteException {
Log("AIDLService.registerTestCall");
callback = cb;
}
};

Stub翻译成中文是存根的意思，注意Stub对象是在被调用端进程，也就是服务端进程,至此，服务端aidl服务端得编码完成了。

-->d. Expose your interface to clients - If you're writing a service, you should extend Service and override Service.onBind(Intent) to return an instance of your class that implements your interface.

以上来自： http://blog.csdn.net/stonecao/article/details/6425019
2. Android 四大组件

Android有四大组件：Activity、Service、Broadcast Receiver、Content Provider。

Activity

做一个完整的Android程序，不想用到Activity，真的是比较困难的一件事情，除非是想做绿叶想疯了。因为Activity是Android程序与用户交互的窗口，在我看来，从这个层面的视角来看，Android的Activity特像网站的页面。

Activity，在四大组件中，无疑是最复杂的，这年头，一样东西和界面挂上了勾，都简化不了，想一想，独立做一个应用有多少时间沦落在了界面上，就能琢磨清楚了。从视觉效果来看，一个Activity占据当前的窗口，响应所有窗口事件，具备有控件，菜单等界面元素。从内部逻辑来看，Activity需要为了保持各个界面状态，需要做很多持久化的事情，还需要妥善管理生命周期，和一些转跳逻辑。对于开发者而言，就需要派生一个Activity的子类，然后埋头苦干上述事情。对于Activity的更多细节，先可以参见：reference/android/app/Activity.html。后续，会献上更为详尽的剖析。

Service

服务，从最直白的视角来看，就是剥离了界面的Activity，它们在很多Android的概念方面比较接近，都是封装有一个完整的功能逻辑实现，只不过Service不抛头露脸，只是默默无声的做坚实的后盾。

但其实，换个角度来看，Android中的服务，和我们通常说的Windows服务，Web的后台服务又有一些相近，它们通常都是后台长时间运行，接受上层指令，完成相关事务的模块。用运行模式来看，Activity是跳，从一个跳到一个，呃...，这有点像模态对话框（或者还像web页面好了...），给一个输入（抑或没有...），然后不管不顾的让它运行，离开时返回输出（同抑或没有...）。

而Service不是，它是等，等着上层连接上它，然后产生一段持久而缠绵的通信，这就像一个用了Ajax页面，看着没啥变化，偷偷摸摸的和Service不知眉来眼去多少回了。

但和一般的Service还是有所不同，Android的Service和所有四大组件一样，其进程模型都是可以配置的，调用方和发布方都可以有权利来选择是把这个组件运行在同一个进程下，还是不同的进程下。这句话，可以拿把指甲刀刻进脑海中去，它凸显了Android的运行特征。如果一个 Service，是有期望运行在于调用方不同进程的时候，就需要利用Android提供的RPC机制，为其部署一套进程间通信的策略。

Android的RPC实现，如上图所示（好吧，也是从SDK中拿来主义的...），无甚稀奇，基于代理模式的一个实现，在调用端和服务端都去生成一个代理类，做一些序列化和反序列化的事情，使得调用端和服务器端都可以像调用一个本地接口一样使用RPC接口。

Android中用来做数据序列化的类是Parcel，参见：/reference/android/os/Parcel.html，封装了序列化的细节，向外提供了足够对象化的访问接口，Android号称实现非常高效。

还有就是AIDL (Android Interface Definition Language) ，一种接口定义的语言，服务的RPC接口，可以用AIDL来描述，这样，ADT就可以帮助你自动生成一整套的代理模式需要用到的类，都是想起来很乏力写起来很苦力的那种。更多内容，可以再看看：guide/developing/tools/aidl.html，如果有兴致，可以找些其他PRC实现的资料lou几眼。

关于Service的实现，还强推参看API Demos这个Sample里面的RemoteService实现。它完整的展示了实现一个Service需要做的事情：那就是定义好需要接受的Intent，提供同步或异步的接口，在上层绑定了它后，通过这些接口（很多时候都是RPC的...）进行通信。在RPC接口中使用的数据、回调接口对象，如果不是标准的系统实现（系统可序列化的），则需要自定义aidl，所有一切，在这个Sample里都有表达，强荐。

Service从实现角度看，最特别的就是这些RPC的实现了，其他内容，都会接近于Activity的一些实现，也许不再会详述了。

Broadcast Receiver

在实际应用中，我们常需要等，等待系统抑或其他应用发出一道指令，为自己的应用擦亮明灯指明方向。而这种等待，在很多的平台上，都会需要付出不小的代价。

比如，在Symbian中，你要等待一个来电消息，显示归属地之类的，必须让自己的应用忍辱负重偷偷摸摸的开机启动，消隐图标隐藏任务项，潜伏在后台，监控着相关事件，等待转瞬即逝的出手机会。这是一件很发指的事情，不但白白耗费了系统资源，还留了个流氓软件的骂名，这真是卖力不讨好的正面典型。

在Android中，充分考虑了广泛的这类需求，于是就有了Broadcast Receiver这样的一个组件。每个Broadcast Receiver都可以接收一种或若干种Intent作为触发事件（有不知道Intent的么，后面会知道了...），当发生这样事件的时候，系统会负责唤醒或传递消息到该Broadcast Receiver，任其处置。在此之前和这以后，Broadcast Receiver是否在运行都变得不重要了，及其绿色环保。

这个实现机制，显然是基于一种注册方式的，Broadcast Receiver将其特征描述并注册在系统中，根据注册时机，可以分为两类，被我冠名为冷热插拔。所谓冷插拔，就是Broadcast Receiver的相关信息写在配置文件中（求配置文件详情？稍安，后续奉上...），系统会负责在相关事件发生的时候及时通知到该Broadcast Receiver，这种模式适合于这样的场景。某事件方式 -> 通知Broadcast -> 启动相关处理应用。比如，监听来电、邮件、短信之类的，都隶属于这种模式。而热插拔，顾名思义，插拔这样的事情，都是由应用自己来处理的，通常是在 OnResume事件中通过registerReceiver进行注册，在OnPause等事件中反注册，通过这种方式使其能够在运行期间保持对相关事件的关注。比如，一款优秀的词典软件（比如，有道词典...），可能会有在运行期间关注网络状况变化的需求，使其可以在有廉价网络的时候优先使用网络查询词汇，在其他情况下，首先通过本地词库来查词，从而兼顾腰包和体验，一举两得一石二鸟一箭双雕（注，真实在有道词典中有这样的能力，但不是通过 Broadcast Receiver实现的，仅以为例...）。而这样的监听，只需要在其工作状态下保持就好，不运行的时候，管你是天大的网路变化，与我何干。其模式可以归结为：启动应用 -> 监听事件 -> 发生时进行处理。

除了接受消息的一方有多种模式，发送者也有很重要的选择权。通常，发送这有两类，一个就是系统本身，我们称之为系统Broadcast消息，在reference/android/content/Intent.html 的Standard Broadcast Actions，可以求到相关消息的详情。除了系统，自定义的应用可以放出Broadcast消息，通过的接口可以是 Context.sendBroadcast，抑或是Context.sendOrderedBroadcast。前者发出的称为Normal broadcast，所有关注该消息的Receiver，都有机会获得并进行处理；后者放出的称作Ordered broadcasts，顾名思义，接受者需要按资排辈，排在后面的只能吃前面吃剩下的，前面的心情不好私吞了，后面的只能喝西北风了。

当Broadcast Receiver接收到相关的消息，它们通常做一些简单的处理，然后转化称为一条Notification，一次振铃，一次震动，抑或是启动一个 Activity进行进一步的交互和处理。所以，虽然Broadcast整个逻辑不复杂，却是足够有用和好用，它统一了Android的事件广播模型，让很多平台都相形见绌了。更多Broadcast Receiver相关内容，参见：/reference/android/content/BroadcastReceiver.html。

Content Provider

Content Provider，听着就和数据相关，没错，这就是Android提供的第三方应用数据的访问方案。在Android中，对数据的保护是很严密的，除了放在SD卡中的数据，一个应用所持有的数据库、文件、等等内容，都是不允许其他直接访问的，但有时候，沟通是必要的，不仅对第三方很重要，对应用自己也很重要。

比如，一个联系人管理的应用。如果不允许第三方的应用对其联系人数据库进行增删该查，整个应用就失去了可扩展力，必将被其他应用抛弃，然后另立门户，自个玩自个的去了。

Andorid当然不会真的把每个应用都做成一座孤岛，它为所有应用都准备了一扇窗，这就是Content Provider。应用想对外提供的数据，可以通过派生ContentProvider类， 封装成一枚Content Provider，每个Content Provider都用一个uri作为独立的标识，形如：content://com.xxxxx。所有东西看着像REST的样子，但实际上，它比REST 更为灵活。和REST类似，uri也可以有两种类型，一种是带id的，另一种是列

表的，但实现者不需要按照这个模式来做，给你id的uri你也可以返回列表类型的数据，只要调用者明白，就无妨，不用苛求所谓的REST。

另外，Content Provider不和REST一样只有uri可用，还可以接受Projection，Selection，OrderBy等参数，这样，就可以像数据库那样进行投影，选择和排序。查询到的结果，以Cursor（参见：reference/android/database/Cursor.html ）的形式进行返回，调用者可以移动Cursor来访问各列的数据。

Content Provider屏蔽了内部数据的存储细节，向外提供了上述统一的接口模型，这样的抽象层次，大大简化了上层应用的书写，也对数据的整合提供了更方便的途径。Content Provider内部，常用数据库来实现，Android提供了强大的Sqlite支持，但很多时候，你也可以封装文件或其他混合的数据。

在Android中，ContentResolver是用来发起Content Provider的定位和访问的。不过它仅提供了同步访问的Content Provider的接口。但通常，Content Provider需要访问的可能是数据库等大数据源，效率上不足够快，会导致调用线程的拥塞。因此Android提供了一个AsyncQueryHandler（参见：reference/android/content/AsyncQueryHandler.html），帮助进行异步访问Content Provider。

在各大组件中，Service和Content Provider都是那种需要持续访问的。Service如果是一个耗时的场景，往往会提供异步访问的接口，而Content Provider不论效率如何，都提供的是约定的同步访问接口。我想这遵循的就是场景导向设计的原则，因为Content Provider仅是提供数据访问的，它不能确信具体的使用场景如何，会怎样使用它的数据；而相比之下，Service包含的逻辑更复杂更完整，可以抉择大部分时候使用某接口的场景，从而确定最贴切的接口是同步还是异步，简化了上层调用的逻辑。

基本空间划分

Google给了我们一张系统架构图，在这张图上我们可以看到Android的大体框架组成。



从上图可以看到：Android Applications,Application Framework,Dalvik Virtual Machine,Linux。如果将Android泛化，我们可以将系统划分成两部分：



但是为了研究的方便我们先看最为本质的三层，上面是Android，中间叫Dalvik虚拟机，下面叫Linux。



虽然上两层都包含在Android中，但是为了理解的方便或者从实用主义出发，我还是将虚拟机这次给分开出来，因为我研究的对象是Android的手机系统相关部分，对于虚拟机我们不做太深入的研究。
e: pre;"> 从上面我们可以看到这个系统静态的划分成这样的三层。但是从动态运行逻辑上不是这样划分的，所以空间的划分是一个有趣的概念。我们从操作系统的角度看，Android就是一堆Linux应用的集合。从Linux角度看到的空间划分：进程空间和内核空间。从Android的应用对应着Linux的一个个进程。



Andoid中包含一个Java虚拟机，虚拟机是运行在Linux之上的，Android构建在JVM之上，从Android动态运行逻辑上我们需要将Android划分成Android空间和非Android空间。在Andoid系统中我们面对的是Andoid概念空间，而不是Linux进程了，在Andoid概念空间中已经没有了Lliux进程的概念，而是Service，proxy，Activity，provider等。



至于虚拟机JVM，我们只需要知道JVM是Dalvik VM（虚拟机）这是一个专为嵌入式设备打造的ＪＡＶＡ虚拟机，是一个有着自己的code-byte和格式的可以在嵌入式设备上高效运行的Java虚拟机。

为了研究的深入，我们还是需要涉及到JNI Native部分。在这个分类中我将JVM分为JVM空间和C++空间。



Android应用的开发者是工作在Android外特性概念空间的，这里没有了Linux的一点气息，Android构建的外特性空间概念包含了：Activity,Provider,Interface,Events,Provider，Service等。至于JVM空间和C++空间的划分是为了研究Android核心的描述而提出的，我们在做Android系统开发时，常常需要修改到JNI的Native部分。后面我将用较多的篇幅来深入阐述这个部分。

以上来自： http://www.linuxidc.com/Linux/2011-04/33966p5.htm

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。