Android系统中,涉及到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,如管道、SystemV、Socket等。那么Android为什么不使用这些原有的技术,而是要使开发一种新的叫Binder的进程间通信机制呢?
为什么要使用Binder?
性能方面
在移动设备上(性能受限制的设备,比如要省电),广泛地使用跨进程通信对通信机制的性能有严格的要求,Binder相对出传统的Socket方式,更加高效。Binder数据拷贝只需要一次,而管道、消息队列、Socket都需要2次,共享内存方式一次内存拷贝都不需要,但实现方式又比较复杂。
安全方面
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,比如Socket通信ip地址是客户端手动填入,很容易进行伪造,而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检,因而大大提升了安全性。
IPC原理
从进程角度来看IPC机制
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。
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:
Binder通信的四个角色
Client进程:使用服务的进程。
Server进程:提供服务的进程。
ServiceManager进程:ServiceManager的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用,使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。
Binder驱动:驱动负责进程之间Binder通信的建立,Binder在进程之间的传递,Binder引用计数管理,数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。
Binder运行机制
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。
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。
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。
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。
Binder运行的实例解释
首先我们看看我们的程序跨进程调用系统服务的简单示例,实现浮动窗口部分代码:
//获取WindowManager服务引用
WindowManager wm = (WindowManager)getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);
//布局参数layoutParams相关设置略...
View view=LayoutInflater.from(getApplication()).inflate(R.layout.float_layout, null);
//添加view
wm.addView(view, layoutParams);
注册服务(addService):在Android开机启动过程中,Android会初始化系统的各种Service,并将这些Service向ServiceManager注册(即让ServiceManager管理)。这一步是系统自动完成的。
获取服务(getService):客户端想要得到具体的Service直接向ServiceManager要即可。客户端首先向ServiceManager查询得到具体的Service引用,通常是Service引用的代理对象,对数据进行一些处理操作。即第2行代码中,得到的wm是WindowManager对象的引用。
使用服务:通过这个引用向具体的服务端发送请求,服务端执行完成后就返回。即第6行调用WindowManager的addView函数,将触发远程调用,调用的是运行在systemServer进程中的WindowManager的addView函数。
使用服务的具体执行过程
以上就是Binder机制原理的简单介绍,后面会以AIDL来具体介绍Binder机制的使用,加深对其的了解。
为了保护进程空间不被别的进程破坏或者干扰,Linux的进程是相互独立的(进程隔离),而且一个进程空间还分为用户空间和内核(Kernel)空间,相当于把Kernel和上层的应用程序抽像的隔离开。这里有两个隔离,一个进程间是相互隔离的,二是进程内有用户和内核的隔离。
Binder框架定义了四个角色:Server,Client,ServiceManager以及Binder驱动。其中Server,Client,ServiceManager运行于用户空间,驱动运行于内核空间。这四个角色的关系类似:Server是服务器,Client是客户终端,ServiceManager是服务注册中心(类似房屋中介)。
要进行Client-Server之间的通信,从面向对象的角度,在Server内部有一个Binder实体,在Client内部有一个Binder对象的引用,其实就是Binder的一个代理,Client通过对Binder引用间接的操作Server内部的Binder实体,这样就实现了通信。
但是现在的问题是会有很多个提供不同服务的Server(比如有媒体播放服务,音视频捕获服务等),而且会有很多Client(比如多个应用都要调用媒体播放服务),那么我们怎么才能够实现正确的Client调用正确的Server呢?就好比房客怎么才能够租到自己想要租的房子(联系上房东),这个时候中介就起到重要作用,房东想要出租自己的房子就必须要到中介注册,房客想要租房子就要去中介那里找,同样的道理,这里Client就是房客,Server就是房东,ServiceManager就是房屋中介,每个Server如果要提供服务就必须要去ServiceManager那里去注册,ServiceManager在一张查找表中记录一个Server的名字,对应着Server的引用。Client想要获得Server,必须通过名字到ServiceManager取找Server的引用,获得这个Server的binder引用,通过这个binder引用去和Server通信。
首先Binder是Android系统进程间通信(IPC)方式之一。
Binder使用Client-Server通信方式。Binder框架定义了四个角色:Server,Client,ServiceManager以及Binder驱动。其中Server,Client,ServiceManager运行于用户空间,驱动运行于内核空间。Binder驱动程序提供设备文件/dev/binder与用户空间交互,Client、Server和Service Manager通过open和ioctl文件操作函数与Binder驱动程序进行通信。
Server创建了Binder实体,为其取一个字符形式,可读易记的名字,将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给ServiceManager,通知ServiceManager注册一个名字为XX的Binder,它位于Server中。驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于内核中的实体结点以及ServiceManager对实体的引用,将名字以及新建的引用打包给ServiceManager。ServiceManager收数据包后,从中取出名字和引用填入一张查找表中。但是一个Server若向ServiceManager注册自己Binder就必须通过0这个引用和ServiceManager的Binder通信。Server向ServiceManager注册了Binder实体及其名字后,Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Clent也利用保留的0号引用向ServiceManager请求访问某个Binder:我申请名字叫XX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引用,将该引用作为回复发送给发起请求的Client。
当然,不是所有的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。
###为什么Binder只进行了一次数据拷贝?
Linux内核实际上没有从一个用户空间到另一个用户空间直接拷贝的函数,需要先用copy_from_user()拷贝到内核空间,再用copy_to_user()拷贝到另一个用户空间。为了实现用户空间到用户空间的拷贝,mmap()分配的内存除了映射进了接收方进程里,还映射进了内核空间。所以调用copy_from_user()将数据拷贝进内核空间也相当于拷贝进了接收方的用户空间,这就是Binder只需一次拷贝的‘秘密’。
最底层的是Android的ashmen(Anonymous shared memory)机制,它负责辅助实现内存的分配,以及跨进程所需要的内存共享。AIDL(android interface definition language)对Binder的使用进行了封装,可以让开发者方便的进行方法的远程调用,后面会详细介绍。Intent是最高一层的抽象,方便开发者进行常用的跨进程调用。
从英文字面上意思看,Binder具有粘结剂的意思那么它是把什么东西粘接在一起呢?在Android系统的Binder机制中,由一系统组件组成,分别是Client、Server、Service Manager和Binder驱动,其中Client、Server、Service Manager运行在用户空间,Binder驱动程序运行内核空间。Binder就是一种把这四个组件粘合在一起的粘连剂了,其中,核心组件便是Binder驱动程序了,ServiceManager提供了辅助管理的功能,Client和Server正是Binder驱动和ServiceManager提供的基础设施上,进行Client-Server之间的通信。
服务器端:一个Binder服务器就是一个Binder类的对象。当创建一个Binder对象后,内部就会开启一个线程,这个线程用户接收binder驱动发送的消息,收到消息后,会执行相关的服务代码。
Binder驱动:当服务端成功创建一个Binder对象后,Binder驱动也会相应创建一个mRemote对象,该对象的类型也是Binder类,客户就可以借助这个mRemote对象来访问远程服务。
客户端:客户端要想访问Binder的远程服务,就必须获取远程服务的Binder对象在binder驱动层对应的binder驱动层对应的mRemote引用。当获取到mRemote对象的引用后,就可以调用相应Binde对象的服务了。
在这里我们可以看到,客户是通过Binder驱动来调用服务端的相关服务。首先,在服务端创建一个Binder对象,接着客户端通过获取Binder驱动中Binder对象的引用来调用服务端的服务。在Binder机制中正是借着Binder驱动将不同进程间的组件bind(粘连)在一起,实现通信。
mmap将一个文件或者其他对象映射进内存。文件被映射进内存。文件被映射到多个页上,如果文件的大小不是所有页的大小之和,最后一个页不被使用的空间将会凋零。munmap执行相反的操作,删除特定地址区域的对象映射。
当使用mmap映射文件到进程后,就可以直接操作这段虚拟地址进行文件的读写等操作,不必再调用read,write等系统调用。但需注意,直接对该段内存写时不会写入超过当前文件大小的内容。
使用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式,则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次内存数据:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共享内存到输出文件。实际上,进程之间在共享内存时,并不总是读写少量数据后就解除映射,有新的通信时,再重新建立共享内存区域,而是保持共享区域,直到通信完成为止,这样,数据内容一直保存在共享内存中,并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除内存映射时才写回文件的。因此,采用共享内存的通信方式效率是非常高的。
aidl主要就帮助了我们完成了包装数据和解包的过程,并调用了transact过程,而用来传递的数据包我们就称为parcel
AIDL:xxx.aidl -> xxx.java ,注册service
用aidl定义需要被调用方法接口
实现这些方法
调用这些方法
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