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图文详解 Android Binder跨进程通信机制 原理

2017-06-23 15:33 801 查看

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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



定义

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，我们先了解一些基础知识

2.1 进程空间分配

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：
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

进程间，内核空间的数据可共享，所以内核空间 = 可共享空间

进程内 用户 与 内核 进行交互 称为系统调用



示意图

2.2 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

2.3 跨进程通信（ 
IPC
）

隔离后，由于某些需求，进程间 需要合作 / 交互

跨进程间通信的原理
先通过 进程间 的内核空间进行 数据交互

再通过 进程内 的用户空间 & 内核空间进行 数据交互，从而实现 进程间的用户空间 的数据交互



示意图

而
Binder
，就是充当 连接 两个进程（内核空间）的通道。

3. Binder 跨进程通信机制 模型

3.1 模型原理

Binder
跨进程通信机制 模型 基于 
Client - Server
模式，模型原理图如下：


相信我，一张图就能解决问题





示意图

3.2 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：

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

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





示意图

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



示意图

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

管理
Binder
模型的线程是采用
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：

Client
进程 需要传两个整数给 
Server
进程

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


Binder
实体是 
Server
进程 在 
Binder
驱动中的存在形式

该对象保存 
Server
和 
ServiceManager
的信息（保存在内核空间中）

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：



示意图

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()；
}
}


总结
下面，我用一个原理图 & 流程图来总结步骤3的内容



原理图


流程图

5. 优点

对比 
Linux
（
Android
基于
Linux
）上的其他进程通信方式（管道/消息队列/共享内存/信号量/Socket），
Binder
机制的优点有：

高效

Binder
数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、
Socket
都需要2次

通过驱动在内核空间拷贝数据，不需要额外的同步处理

安全性高
Binder
机制为每个进程分配了 
UID/PID
来作为鉴别身份的标示，并且在 
Binder
通信时会根据 
UID/PID
进行有效性检测


传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证

如，
Socket
通信 
ip
地址是客户端手动填入，容易出现伪造



使用简单
采用
Client/Server
架构

实现 面向对象 的调用方式，即在使用
Binder
时就和调用一个本地对象实例一样

6. 总结

本文主要详细讲解 跨进程通信模型 
Binder
机制 ，总结如下：



定义


原理图
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