Android IPC - Binder 学习总结

转自Android IPC - Binder 学习总结

最近想学些Android Framework中的东西，必经之路就是binder，不夸张的说，binder是整个android架构的基础。本文从Binder的基本概念和框架入手，讲述binder机制的点点滴滴。全文分为以下四部分：1、Android为何设计binder进行进程间通信。2、Binder的框架结构和概述。3、Client和Server通信过程。4、binder总结。

PS，本文绝大部分内容来自网络，是我自己学习binder的一篇总结，而且本文只是binder的入门，不涉及到过多底层的描述，要想更多了解binder的内容，还请移步到引用文献中老罗和邓凡平老师的文章。

Android IPC 为何设计Binder

Android 系统中，为了向应用开发者提供丰富多样的功能，这种通信方式更是无处不在，诸如媒体播放，音频视频捕获，通知，到各种让手机更智能的传感器（加速度，方位，温度，光亮度等）都由不同的Server负责管理，应用程序只需做为Client与这些Server建立连接便可以使用这些服务，花很少的时间和精力就能开发出令人眩目的功能。

设计Binder的原因主要有以下3个：

Linux支持CS通信模式的IPC少 目前linux支持的IPC包括传统的管道，System V IPC，即消息队列/共享内存/信号量，以及socket，其中只有socket支持Client-Server的通信方式。当然也可以在这些底层机制上架设一套协议来实现Client-Server通信，但这样增加了系统的复杂性，在嵌入式这种条件复杂，资源稀缺的系统中可靠性也难以保证。
传输性能低 socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。
安全性不高 Android作为一个开放式，拥有众多开发者的的平台，应用程序的来源广泛，确保智能终端的安全是非常重要的。终端用户不希望从网上下载的程序在不知情的情况下偷窥隐私数据，连接无线网络，长期操作底层设备导致电池很快耗尽等等。传统IPC没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保。首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID（用户ID/进程ID），从而无法鉴别对方身份。

Binder总体概述

Binder框架及概述

Binder是Android中进程间通信最常见的方式，采用Client-Server的通信模型。
Client和Server之间的通信通过Binder驱动间接实现。
Service Manager是一个守护进程，用来管理Server，并向Client提供查询Server接口的能力。

binder框架

四大角色

Binder Driver：Binder驱动，跑在内核空间，由framework实现。
Service Manager：Services管理员，跑在用户空间，由framework实现。
Server: 服务端，跑在用户空间，framework实现了很多系统级的server，也可以在application中实现自己的server。
Client：客户端，跑在用户空间，一般在application中实现。

通讯模型

这四个角色的关系和互联网类似：Server是服务器，Client是客户终端，ServiceManager是域名服务器（DNS），Binder驱动是路由器。

(1)客户端通过某种方式得到服务器端的代理对象。代理对象和他的本地对象没有什么差别，它可以像其他本地对象一样调用其方法，访问其变量。
(2)客户端通过调用代理对象的方法向服务器端发送请求信息。
(3)代理对象通过binder设备节点(/dev/binder)，把用户请求信息发送到Linux内核空间（内存共享），由Binder驱动获取并发送到服务进程。
(4)服务进程处理用户请求，并通过Linux内核的Binder驱动返回处理结果给客户端的代理对象。
(5)客户端收到服务端的返回结果。

四大角色的分工

Binder Driver：Binder驱动虽然默默无闻，却是通信的核心。
尽管名叫‘驱动’，实际上和硬件设备没有任何关系，只是实现方式和设备驱动程序是一样的。驱动和应用程序之间定义了一套接口协议，主要功能由open()、ioctl()接口实现。
ServiceManager：相当于DNS，为服务端的地址取一个好记的名字，便于客户端访问。
有一个有趣的事情，ServiceManager是一个进程，Server在另一个进程，Server向ServiceManager注册一个好记的名字必然会涉及进程间通信。当前实现的是进程间通信却又要用到进程间通信，这就好象蛋可以孵出鸡，前提却是要找只鸡来孵蛋。Binder的实现比较巧妙：预先创造一只‘0号鸡’来孵蛋：ServiceManager和其它进程同样采用Binder通信，这里ServiceManager是Server端，有自己的Binder对象（实体），其它Server和Client进程在这里都是Client，需要通过这个Binder的引用来实现Binder的注册，查询和获取。ServiceManager提供的Binder比较特殊，它没有名字也不需要注册，这个Binder的引用在所有Client中都固定为0而无须通过其它手段获得。类比网络通信，0号引用就好比域名服务器的地址，你必须预先手工或动态配置好。要注意这里说的Client是相对SServiceManager而言的，它本身可能是个提供服务的Server，但对ServiceManager来说它仍然是个Client。
Server：提供各种各样的服务
Server利用保留的0号引用向ServiceManager注册了Binder实体及其名字，ServiceManager收到后，将‘张三’和Binder引用填入到一张查找表中。Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。
Client：获取Server的服务
Client也利用保留的0号引用向ServiceManager请求访问某个Binder：我申请获得名字叫‘张三’的Binder的引用。ServiceManager收到这个连接请求，从请求数据包里获得Binder的名字，在查找表里找到该名字对应的条目，从条目中取出Binder的引用，将该引用作为回复发送给发起请求的Client。
代理对象：是指在客户端应用程序中获取生成的Server代理（proxy）类对象。
从应用程序角度看代理对象和本地对象没有差别，都可以调用其方法，方法都是同步的，并且返回相应的结果。
匿名Binder：并不是所有Binder都需要注册给ServiceManager广而告之的。
Server端可以通过已经建立的Binder连接将创建的Binder实体传给Client，当然这条已经建立的Binder连接必须是通过实名Binder实现。由于这个Binder没有向ServiceManager注册名字，所以是个匿名Binder。Client将会收到这个匿名Binder的引用，通过这个引用向位于Server中的实体发送请求。匿名Binder为通信双方建立一条私密通道，只要Server没有把匿名Binder发给别的进程，别的进程就无法通过穷举或猜测等任何方式获得该Binder的引用，向该Binder发送请求。

从面向对象的角度，这个Binder对象现在有了两个引用：一个位于ServiceManager中，一个位于发起请求的Client中。如果接下来有更多的Client请求该Binder，系统中就会有更多的引用指向该Binder，就象java里一个对象存在多个引用一样。而且类似的这些指向Binder的引用是强类型，从而确保只要有引用Binder实体就不会被释放掉。

Client和Server的通讯过程

前戏

获得ProcessState对象：一个进程会创建一个ProcessState单例对象，每个进程只能创建一个，作用是维护管理当前进程中所有服务代理对象（Service proxy）。具体代码：sp proc(ProcessState::self());
在ProcessState中打开了一个binder设备文件，并返回一个fd（文件描述符），这个fd很重要，用来找到要通信的那个binder对象。
获得ServiceManager的代理对象：ServiceManager是服务管家，它负责系统服务的管理。Client是通过这个代理对象和Service Manager通讯的。具体代码：sp sm = defaultServiceManager(); 这个对象的handle为0，也就是说和ServiceManager通信都使用handle为0的binder。
真正传输的对象IPCThreadState：IPCThreadState也是一个singleton的类型，一个进程中也只能有一个这样的对象。它在android的binder机制中扮演什么样的角色呢？IPCThreadState主要负责信息的传递，所有要到达binder驱动和驱动中出来的信息，都要由IPCThreadState来传递。不管是Client进程和Service进程都是需要用IPCThreadState来和binder设备通讯。

Server初始化（MediaService为例）

Server初始化的代码如下:

//获得一个ProcessState实例
sp proc(ProcessState::self());
//得到一个ServiceManager的代理对象
sp sm = defaultServiceManager();
//初始化MediaPlayerService服务，并向服务管家成功添加了这些服务。
MediaPlayerService::instantiate();
//启动Process的线程池，进入循环状态，以便接收来自客户端的请求
ProcessState::self()->startThreadPool();
//将IPCThreadState对象加入到刚才的线程池
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

作为Service进程，当他完成初始化工作之后，需要进入循环状态等待客户端的请求，Service进程调用它的IPCThreadState对象的joinThreadPool方法，开始轮询binder设备，等待客户端请求的到来。

MediaService通信

Binder总结

如果一个服务需要通过binder机制对外提供跨进程的接口，需要做下面这些事情。
(1)第一步，需要为这个接口定义一个继承自IInterface的接口类，假设叫做IMyService。
(2)第二步，需要定义两个binder类，一个是代理类BpMyService，继承BpInterface；另一个是实现类BnMyService，继承BnInterface。
(3)第三步，定义BnMyService的子类，这个子类可以是任何名字，比如就叫MyService，在其中真正实现接口所提供的各个函数。
(4)第四步，创建MyService的实例，注册到服务管理器，也可以在其它接口的函数中创建。

这篇基本是Binder机制的入门介绍，以后有机会详细研究一下Binder机制。

引用资料

Android Bander设计与实现 - 设计篇
Android深入浅出之Binder机制
老罗的Android之旅
Android学习笔记–Binder