Binder系列—开篇

Posted by Gityuan on October 31, 2015

基于Android 6.0的源码剖析

一、概述

Android系统中,每个应用程序是由Android的ActivityServiceBroadcastContentProvider这四剑客的中一个或多个组合而成,这四剑客所涉及的多进程间的通信底层都是依赖于Binder IPC机制。例如当进程A中的Activity要向进程B中的Service通信,这便需要依赖于Binder IPC。不仅于此,整个Android系统架构中,大量采用了Binder机制作为IPC(进程间通信)方案,当然也存在部分其他的IPC方式,比如Zygote通信便是采用socket。

Binder作为Android系统提供的一种IPC机制,无论从事系统开发还是应用开发,都应该有所了解,这是Android系统中最重要的组成,也是最难理解的一块知识点,错综复杂。要深入了解Binder机制,最好的方法便是阅读源码,借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾说过的一句话:Read The Fucking Source Code

二、 Binder

2.1 IPC原理

从进程角度来看IPC机制

binder_interprocess_communication

每个Android的进程,只能运行在自己进程所拥有的虚拟地址空间。对应一个4GB的虚拟地址空间,其中3GB是用户空间,1GB是内核空间,当然内核空间的大小是可以通过参数配置调整的。对于用户空间,不同进程之间彼此是不能共享的,而内核空间却是可共享的。Client进程向Server进程通信,恰恰是利用进程间可共享的内核内存空间来完成底层通信工作的,Client端与Server端进程往往采用ioctl等方法跟内核空间的驱动进行交互。

2.2 Binder原理

Binder通信采用C/S架构,从组件视角来说,包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动,其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。架构图如下所示:

ServiceManager

可以看出无论是注册服务和获取服务的过程都需要ServiceManager,需要注意的是此处的Service Manager是指Native层的ServiceManager(C++),并非指framework层的ServiceManager(Java)。ServiceManager是整个Binder通信机制的大管家,是Android进程间通信机制Binder的守护进程,要掌握Binder机制,首先需要了解系统是如何首次启动Service Manager。当Service Manager启动之后,Client端和Server端通信时都需要先获取Service Manager接口,才能开始通信服务。

图中Client/Server/ServiceManage之间的相互通信都是基于Binder机制。既然基于Binder机制通信,那么同样也是C/S架构,则图中的3大步骤都有相应的Client端与Server端。

  1. 注册服务(addService):Server进程要先注册Service到ServiceManager。该过程:Server是客户端,ServiceManager是服务端。
  2. 获取服务(getService):Client进程使用某个Service前,须先向ServiceManager中获取相应的Service。该过程:Client是客户端,ServiceManager是服务端。
  3. 使用服务:Client根据得到的Service信息建立与Service所在的Server进程通信的通路,然后就可以直接与Service交互。该过程:client是客户端,server是服务端。

图中的Client,Server,Service Manager之间交互都是虚线表示,是由于它们彼此之间不是直接交互的,而是都通过与Binder驱动进行交互的,从而实现IPC通信方式。其中Binder驱动位于内核空间,Client,Server,Service Manager位于用户空间。Binder驱动和Service Manager可以看做是Android平台的基础架构,而Client和Server是Android的应用层,开发人员只需自定义实现client、Server端,借助Android的基本平台架构便可以直接进行IPC通信。

2.3 C/S模式

BpBinder(客户端)和BBinder(服务端)都是Android中Binder通信相关的代表,它们都从IBinder类中派生而来,关系图如下:

Binder关系图

  • client端:BpBinder.transact()来发送事务请求;
  • server端:BBinder.onTransact()会接收到相应事务。

三、 提纲

在后续的Binder源码分析过程中所涉及的源码,会有部分的精简,主要是去掉所有log输出语句,已减少代码篇幅过于长。通过前面的介绍,下面罗列一下关于Binder系列文章的提纲:

文章是从底层驱动往上层写的,这并不适合大家的理解,建议读者还是从上层往底层看。下面说说这个系列文章之间的彼此联系,也是对你阅读顺序的一个建议,欢迎大家@Gityuan进行技术交流与反馈:

首先阅读Binder系列5—注册服务(addService)Binder系列6—获取服务(getService),这两个过程都需要于ServiceManager打交道,那么这两个过程在开始之前都需要Binder系列4—获取Service Manager,既然要获取Service Manager,那么就需要先Binder系列3—启动Service Manager。在看Binder服务的注册和获取这两个过程中,不断追溯下去,最终调用到底层Binder底层驱动,这时需要了解Binder系列1—Binder Driver初探Binder系列2—Binder Driver再探

看完Binder系列1~系列6,那么对Binder的整个流程会有一个比较清晰的认知,这还只是停留在Native层(C/C++)。接下来,可以看看上层Binder系列7—framework层分析的Binder架构情况,Java层 Binder架构的核心逻辑都是交由Native架构来完成,更多的是对Binder的一个封装过程,只有真正理解了Native层Binder架构,才能算掌握的Binder。

前面的这些都是讲述Binder整个流程以及原理,再接下来你可能想要自己写一套Binder的C/S架构服务。如果你是系统工程师可能会比较关心Native层和framework层分别该如何实现自己的自定义的Binder通信服务,见Binder系列8—如何使用Binder;如果你是应用开发工程师则应该更关心App是如何使用Binder的,那么可以查看文章Binder系列9—如何使用AIDL

最后是对Binder的一个简单总结Binder系列10—总结

四. 源码目录

从上之下, 整个Binder架构所涉及的总共有以下5个目录:

/framework/base/core/java/               (Java)
/framework/base/core/jni/                (JNI)
/framework/native/libs/binder            (Native)
/framework/native/cmds/servicemanager/   (Native)
/kernel/drivers/staging/android          (Driver)

4.1 Java framework

/framework/base/core/java/android/os/  
    - IInterface.java
    - IBinder.java
    - Parcel.java
    - IServiceManager.java
    - ServiceManager.java
    - ServiceManagerNative.java
    - Binder.java  


/framework/base/core/jni/    
    - android_os_Parcel.cpp
    - AndroidRuntime.cpp
    - android_util_Binder.cpp (核心类)

4.2 Native framework

/framework/native/libs/binder         
    - IServiceManager.cpp
    - BpBinder.cpp
    - Binder.cpp
    - IPCThreadState.cpp (核心类)
    - ProcessState.cpp  (核心类)

/framework/native/include/binder/
    - IServiceManager.h
    - IInterface.h

/framework/native/cmds/servicemanager/
    - service_manager.c
    - binder.c

4.3 Kernel

/kernel/drivers/staging/android/
    - binder.c
    - uapi/binder.h

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