Android 进程通信--Binder机制

一、起源——为什么在Android中使用binder通信机制？

linux中的进程通信

管道
- 包含无名管道和有名管道两种，前者用于父进程和子进程间的通信，后者用于运行于同一台机器上的任意两个进程间的通信。只能承载无格式的字节流，且缓冲区大小受限。
- 相关链接：https://blog.csdn.net/oguro/article/details/53841949
信号
- 信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身。使用信号，我们创建通知事件，并通过它引起响应，但传递的信息只是一个信号值。
- 相关链接：https://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10128731
信号量
- 信号量就是一种访问机制，让一个临界区域同一时间只有一个线程在访问它，防止出现因多个程序同时访问一个共享资源。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。
- 相关链接
  - https://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10243617
  - Java并发容器-ConcurrentHashMap
消息队列
- 消息队列即消息的链接表，有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息，读走后消失。
- 相关链接：https://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10287879
socket(套接字)机制
- 流套接字/数据套接字又或者说是面向流链接、面向数据链接，是网络编程中的一种通信机制；是网络通信的基本操作单元。两种实现协议：TCP/UDP ；Socket=Ipaddress+TCP/UDP+port
- 相关链接：
  - https://blog.csdn.net/dandelion_gong/article/details/51602209
  - https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/46240775
  - https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/46241975
共享内存
- 共享内存就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存。不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，所有进程都可以访问共享内存中的地址。而如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。因此是进程通信中最为高效的进程间通信方式，但并未提供同步机制，所以需要使用其他机制(例如信号量)来同步对共享内存的访问。
- 相关链接：https://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10253345

Android 中的进程通信

为了解决进程中的通信问题，android 沿用了Linux的进程管理机制，如下实现形式：

名称	特点	使用场景
文件	不能做到进程间的即时通信，并且不适合用于高并发的场景	用于SharedPreference以及IO操作
Bundle	只能传输实现了Serializable或者Parcelable接口或者一些Android支持的特殊对象	用于四大组件之间的进程交互
ContentProvider	可以访问较多的数据，支持一对多的高并发访问，因为ContentProvider已经自动做好了关于并发的机制	用于一对多的数据共享并且需要对数据进行频繁的CRUD操作
Socket	通过网络传输字节流，支持一对多的实时通信，但是实现起来比较复杂	用于网络数据共享
Messenger	底层原理是AIDL，只是对其做了封装，但是不能很好的处理高并发的场景，并且传输的数据只能支持Bundle类型	低并发的一对多的即时通信
AIDL	功能强大，使用Binder机制，支持一对多的高并发实时通信，但是需要处理好线程同步	一对多并且有远程进程通信的场景

IPC 数据拷贝次数对比

IPC	数据拷贝次数
共享内存	0
Binder	1
Socket/管道/消息队列	2

总结：Binder 优势

对设备资源要求低，避免了在底层机制上架设协议
传输性能好。socket作为通用接口，传输效率低，开销大。多用于跨网络的进程通信、或者本机的进程通信。消息队列、管道则采是将数据从发送方的缓存去拷贝到内核开辟的缓存区，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。共享内存无需拷贝，但控制困难，难以使用。
安全性。作为应用之间通信，保证数据的安全是首要。传统的IPC没有任何安全措施，完全依赖上层协议。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。比如命名管道的名称，systemV的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。

二、Binder 是什么

Binder作为Android系统提供的一种进程间通信机制，采用了C/S(client/service)。它提供远程过程调用功能（RPC）。包含Client、Server、ServiceManager和Binder Driver。Binder Driver是Binder驱动程序，运行在Linux内核空间；Client，Server和Service Manager运行在用户空间。

通信机制的整体框架

img

四个角色

Client：使用服务的进程
Service：提供服务的进程
ServiceManager：服务管理进程，也就是将字符形式的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：和路由器一样，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。它工作于内核态，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

通信建立

注册服务：
1. Service创建对应Binder实例对象，然后开启隐藏Binder线程，接收来自客户端的请求，同时，将自身的Binder注册到Service Manager，在Binder驱动创建mRemote对象
2. https://blog.csdn.net/moonshine2016/article/details/54378358
客户端与服务端通信，通过Service Manager查找到服务端的Binder，然后Binder驱动将对应的mRemote对象返回。
通信建立完毕，此时可以开始使用服务。

服务使用

服务代码执行

Client借助通信建立是返回的IBinder对象(Stub/Proxy)，调用服务的方法。在Service未返回结果的时候，Client处于阻塞状态。请求的数据交给Proxy代理处理。
Proxy代理接口将client传递的参数打包成Parcel对象（ transact() ）。
将Parcel发送到内核中的Binder driver。
Binder驱动程序将数据发送个Server，Server对数据进行解析，并根据相应的操作标识进行相应的操作处理。
Server操作完成之后，将执行之后结果数据封装。然后将数据交给Binder驱动程序调度。（onTransact()）。
Binder驱动程序将结果数据交给Client的Proxy代理，Proxy代理将数据解析后将最终结果返回给Client。
Client接收到数据之后，结束阻塞状态。

通信中数据的共享

Binder内存

客户端要调用远程对象函数时，只需把数据写入到Parcel，在调用所持有的Binder引用的transact()函数，transact函数执行过程中会把参数、标识符（标记远程对象及其函数）等数据放入到Client的共享内存
Binder驱动从Client的共享内存中读取数据，根据这些数据找到对应的远程进程的共享内存，把数据拷贝到远程进程的共享内存中，并通知远程进程执行onTransact()函数，这个函数也是属于Binder类。
远程进程Binder对象执行完成后，将得到的写入自己的共享内存中，Binder驱动再将远程进程的共享内存数据拷贝到客户端的共享内存，并唤醒客户端线程。
Binder驱动内存解析

三、实际应用

1、创建服务代码

自定义Binder，需要在Service 提供服务，我们就先创建SService，在内部创建Binder。

public class BookManagerService extends Service {
    //判断Service是否销毁
    private AtomicBoolean isServiceDestory = new AtomicBoolean(false);
    private CopyOnWriteArrayList bookList = new CopyOnWriteArrayList<>();
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        //添加默认数据
        bookList.add(new Book(0, "demo1"));
    }
    @Nullable
    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mBinder;
    }
    //Binder 创建位置 服务中创建
    private Binder mBinder = new IBookManager.Stub() {
        @Override
        public void addBook(Book book) throws RemoteException {
            book.bookId = bookList.size();
            bookList.add(book);
        }
        @Override
        public List getBookList() throws RemoteException {
            return bookList;
        }
        @Override
        public Book getBookById(int bookId) throws RemoteException {
            for (Book book : bookList) {
                if (book.bookId == bookId) {
                    return book;
                }
            }
            return null;
        }
    };
}

2、注册服务

3、客户端绑定

//绑定服务
Intent intent = new Intent(this, BookManagerService.class);
bindService(intent, conn, BIND_AUTO_CREATE);
//服务链接
private ServiceConnection conn = new ServiceConnection() {
    @Override
    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
        Log.d("", "onServiceConnected=>name:" + name);
        //获取代理服务对象
        //同进程时，调用asInterface返回的是Stub对象
        //不同进程，调用asInterface返回的是Stub.Proxy对象。
        mBookManager = IBookManager.Stub.asInterface(service);
    }

    @Override
    public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
        Log.d("", "onServiceDisconnected=>name:" + name);
    }
};

4、使用

new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        if (mBookManager != null) {
            Book book = new Book( 0,"Demo" + new Random().nextInt(1000));
            try {
                mBookManager.addBook(book);
            } catch (RemoteException e) {
                e.printStackTrace();
                Log.e("", e.getLocalizedMessage());
            }
        }

    }
}).start();

Proxy - Stub 设计模式

img

Stub 跟 Proxy 是一对，俗称“代理-桩”，一般用在远程方法调用。
Proxy 相当于是拿在手里的遥控器，而 Stub 相当于长在电视机里的遥控接收器，它们有着一一对应的接口方法，但操作的方向刚好相反。
Proxy 的接口供客户端程序调用，然后它内部会把信息包装好，以某种方式（比如 RMI）传递给 Stub，而后者通过对应的接口作用于服务端系统，从而完成了“远程调用”。
一般不同进程间通信的时候都会用到这种模式。



/**
         * Cast an IBinder object into an com.example.aidl.IBookManager interface,
         * generating a proxy if needed.
         */
public static com.example.aidl.IBookManager asInterface(android.os.IBinder obj) {
    if ((obj == null)) {
        return null;
    }
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
    if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.aidl.IBookManager))) {
        return ((com.example.aidl.IBookManager) iin);
    }
    return new com.example.aidl.IBookManager.Stub.Proxy(obj);
}

源码解析

链接：

Binder通信架构
Binder源码解析
ServiceManager的Java跟Native