Android通信方式篇（七）-Binder机制（Native层（下））

本篇文章针对向ServiceManager注册服务 和 获取服务两个流程来做总结。在这两个过程中，ServiceManager都扮演的是服务端，与客户端之间的通信也是通过Binder IPC。

在此之前先了解下Binder的进程与线程的关系：

用户空间:ProcessState描述一个进程，IPCThreadState对应一个进程中的一个线程。
内核空间：binder_proc描述一个进程，统一由binder_procs全局链表保存，binder_thread对应进程的一个线程。
ProcessState与binder_proc是一一对应的。

Binder线程池：每个Server进程在启动时会创建一个binder线程池，并向其中注册一个Binder线程；之后Server进程也可以向binder线程池注册新的线程，或者Binder驱动在探测到没有空闲binder线程时会主动向Server进程注册新的的binder线程。对于一个Server进程有一个最大Binder线程数限制15，(#define DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS 15)。对于所有Client端进程的binder请求都是交由Server端进程的binder线程来处理的。我的理解是：binder线程是进程进行binder ipc时的一条数据处理路径。

一、 Server通过addService向ServiceManager注册服务

MediaPlayerService向ServiceManager注册过程如下：

相关类：

framework/native/libs/binder/
- Binder.cpp
- BpBinder.cpp
- IPCThreadState.cpp
- ProcessState.cpp
- IServiceManager.cpp
- IInterface.cpp
- Parcel.cpp
frameworks/native/include/binder/
- IInterface.h (包括BnInterface, BpInterface)

整个过程总结如下：
1 获取BpServiceManager 与 BpBinder
由defaultServiceManager()返回的是BpServiceManager，同时会创建ProcessState对象和BpBinder对象。然后通过BpBinder执行transact，把真正工作交给IPCThreadState来处理。

2 BpBinder transact
Binder代理类调用transact()方法，真正工作还是交给IPCThreadState来进行transact工作。

3 通过IPCThreadState 包装并转换数据并进行transact事务处理
每个线程都有一个IPCThreadState，每个IPCThreadState中都有一对Parcel变量：mIn、mOut。相当于两根数据管道：

• mIn 用来接收来自Binder设备的数据，默认大小为256字节；
• mOut用来存储发往Binder设备的数据，默认大小为256字节。
  另外，IPCThreadState进行transact事务处理分3部分：
• errorCheck() //数据错误检查
• writeTransactionData() // 传输数据
• waitForResponse() //f等待响应

最后执行talkWithDriver。

writeTransactionData：将BC Protocol + binder_transaction_data结构体 写入mOut， 然后执行waitForResponse：

由talkWithDriver将数据进一步封装到binder_write_read结构体，通过ioctl（BINDER_WRITE_READ）与驱动通信。同时等待驱动返回的接收BR命令，从mIn取出返回的数据。

mIn包装的数据结构(注册服务handle = 0 ，code 为ADD_SERVICE_TRANSACTION)：

4 Binder Driver
把binder_write_read结构体write_buffer里数据取出来，分别得到BC命令和封装好数据的事务binder_transaction_data, 然后根据handler，在当前binder_proc中，找到相应的binder_ref，由binder_ref再找到目标binder_node实体，由目标binder_node再找到目标进程binder_proc。然后就是插入数据：当binder驱动可以找到合适的线程，就会把binder_transaction节点插入到servciemanager的线程的todo队列中，如果找不到合适的线程，就把节点之间插入servciemanager的binder_proc的todo队列。

5 ServiceManager
经过Binder Driver的处理，数据已经到了ServiceManager进程，在BR_TRANSACTION的引导下，在binder_loop（）中执行binder_parser（）取出数据，执行do_add_service（）操作，最终向 svcinfo 列表中添加已经注册的服务（没有数据的返回）。最后发送 BR_REPLY 命令唤醒等待的线程，通知注册成功。结束MediaPlayerService进程 waitForResponse()的状态，整个注册过程结束。

二、Client通过getService向ServiceManager获取Server的服务

获取服务的过程与注册类似，首先 ServiceManager 向 Binder 驱动发送 BC_TRANSACTION 命令携带 CHECK_SERVICE_TRANSACTION 命令，同时获取服务的线程进入等待状态 waitForResponse()。Binder 驱动收到请求命令向 ServiceManager 的发送 BC_TRANSACTION 查询已注册的服务，会区分请求服务所属进程情况。

• 当请求服务的进程与服务属于不同进程，则为请求服务所在进程创建binder_ref对象，指向服务进程中的binder_node;最终readStrongBinder()，返回的是BpBinder对象；

• 当请求服务的进程与服务属于同一进程，则不再创建新对象，只是引用计数加1，并且修改type为BINDER_TYPE_BINDER或BINDER_TYPE_WEAK_BINDER。最终readStrongBinder()，返回的是BBinder对象的真实子类。

查询到直接响应 BR_REPLY 唤醒等待的线程。若查询不到将与 binder_procs 链表中的服务进行一次通讯再响应。

三、Client与Server的一次完整通信

以startService为例来简单总结下执行流程：

3.1 从方法执行流程来看：

Client ：

1 AMP.startService 标记方法以及通过Parcel包装数据；

2 BinderProxy.transact 实际调用native的 android_os_BinderProxy_transact 传递数据；

3 获取BpServiceManager 与 BpBinder 同时会创建ProcessState。然后通过BpBinder执行transact，把真正工作交给IPCThreadState来处理；

4 IPC.transact 主要执行writeTransactionData，将上层传来的数据重新包装成binder_transaction_data，并将BC Protocol + binder_transaction_data结构体 写入mOut；

5 IPC waitForResponse talkWithDriver + 等待返回数据；

6 talkWithDriver 将数据进一步封装成binder_write_read，通过ioctl（BINDER_WRITE_READ）与驱动通信；

Kernel :

7 binder ioctl 接收BINDER_WRITE_READ ioctl命令；

8 binder_ioctl_write_read 把用户空间数据ubuf拷贝到内核空间bwr；

9 binder_thread_write 当bwr写缓存有数据，则执行binder_thread_write；当写失败则将bwr数据写回用户空间并退出；

10 binder_transaction 找到目标进程binder_proc并插入数据到目标进程的线程todo队列，最终执行到它
时，将发起端数据拷贝到接收端进程的buffer结构体；

11 binder_thread_read 根据binder_transaction结构体和binder_buffer结构体数据生成新的binder_transaction_data结构体，写入bwr的read_buffer，当bwr读缓存有数据，则执行binder_thread_read；当读失败则再将bwr数据写回用户空间并退出；最后，把内核数据bwr拷贝到用户空间ubuf。

12 binder_thread_write + binder_ioctl BR命令和数据传递

Server:

13 IPC.executeCommand 解析kernel传过来的binder_transaction_data数据，找到目标BBinder并调用其transact()方法;

14 IPC.joinThreadPool 采用循环不断地执行getAndExecuteCommand()方法, 处理事务。当bwr的读写buffer都没有数据时,则阻塞在binder_thread_read的wait_event过程. 另外,正常情况下binder线程一旦创建则不会退出.

15 BBinder.transact 到Binder.exeTransact 调用 AMN.onTransact

16 AMN.onTransact 把数据传递到AMS.starService去执行

17 AMS.starService Server处理了Client的请求了

然后原路replay回去，talkWithDriver 到Kernel ，然后找到Client进程，把数据拷贝到read_buffer里，最终唤醒IPC，把反馈传递回AMP.startService。完成启动服务。

3.2 从通信协议流程来看：

非oneWay:

• Binder客户端或者服务端向Binder Driver发送的命令都是以BC_开头,例如BC_TRANSACTION和BC_REPLY, 所有Binder Driver向Binder客户端或者服务端发送的命令则都是以BR_开头, 例如BR_TRANSACTION和BR_REPLY.

• 只有当BC_TRANSACTION或者BC_REPLY时, 才调用binder_transaction()来处理事务. 并且都会回应调用者一个BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE事务, 经过binder_thread_read()会转变成BR_TRANSACTION_COMPLETE.

oneway:

oneway与非oneway区别: 都是需要等待Binder Driver的回应消息BR_TRANSACTION_COMPLETE. 主要区别在于oneway的通信收到BR_TRANSACTION_COMPLETE则返回,而不会再等待BR_REPLY消息的到来. 另外，oneway的binder IPC则接收端无法获取对方的pid.

3.3 从数据流来看

从用户空间开始：

• AMP.startService：组装flat_binder_object对象等组成的Parcel data；

• IPC.writeTransactionData：组装BC_TRANSACTION和binder_transaction_data结构体，写入mOut;

• IPC.talkWithDriver: 组装BINDER_WRITE_READ和binder_write_read结构体，通过ioctl传输到驱动层。

进入驱动后：

• binder_thread_write: 处理binder_write_read.write_buffer数据

• binder_transaction: 处理write_buffer.binder_transaction_data数据；创建binder_transaction结构体，记录事务通信的线程来源以及事务链条等相关信息；分配binder_buffer结构体，拷贝当前线程binder_transaction_data的data数据到binder_buffer->data；

• binder_thread_read: 处理binder_transaction结构体数据。组装cmd=BR_TRANSACTION和binder_transaction_data结构体，写入binder_write_read.read_buffer数据。

回到用户空间：

• IPC.executeCommand：处理BR_TRANSACTION命令, 将binder_transaction_data数据解析成BBinder.transact()所需的参数

• AMN.onTransact: 层层回调，进入该方法，反序列化数据后，调用startService()方法。

参考：
http://gityuan.com/2016/09/04/binder-start-service/
http://gityuan.com/2015/11/28/binder-summary/
http://gityuan.com/2015/11/14/binder-add-service/
http://gityuan.com/2015/11/15/binder-get-service/