理解Android Binder机制(3/3)：Java层
本文是Android Binder机制解析的第三篇，也是最后一篇文章。本文会讲解Binder Framework Java部分的逻辑。
Binder机制分析的前面两篇文章，请移步这里：
理解Android Binder机制(1/3)：驱动篇
理解Android Binder机制(2/3)：C++层)：驱动篇
下文所讲内容的相关源码，在AOSP源码树中的路径如下：
// Binder Framework JNI
/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.h
/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
/frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.h
/frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.cpp
// Binder Framework Java接口
/frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java
/frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java
/frameworks/base/core/java/android/os/IInterface.java
/frameworks/base/core/java/android/os/Parcel.java
主要结构
Android应用程序使用Java语言开发，Binder框架自然也少不了在Java层提供接口。
前文中我们看到，Binder机制在C++层已经有了完整的实现。因此Java层完全不用重复实现，而是通过JNI衔接了C++层以复用其实现。
下图描述了Binder Framework Java层到C++层的衔接关系。
这里对图中Java层和JNI层的几个类做一下说明( 关于C++层的讲解请看这里 )：
| 名称 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| IInterface | interface | 供Java层Binder服务接口继承的接口 |
| IBinder | interface | Java层的IBinder类，提供了transact方法来调用远程服务 |
| Binder | class | 实现了IBinder接口，封装了JNI的实现。Java层Binder服务的基类 |
| BinderProxy | class | 实现了IBinder接口，封装了JNI的实现。提供transact方法调用远程服务 |
| JavaBBinderHolder | class | 内部存储了JavaBBinder |
| JavaBBinder | class | 将C++端的onTransact调用传递到Java端 |
| Parcel | class | Java层的数据包装器，见C++层的Parcel类分析 |
这里的IInterface，IBinder和C++层的两个类是同名的。这个同名并不是巧合：它们不仅仅同名，它们所起的作用，以及其中包含的接口都是几乎一样的，区别仅仅在于一个是C++层，一个是Java层而已。
除了IInterface，IBinder之外，这里Binder与BinderProxy类也是与C++的类对应的，下面列出了Java层和C++层类的对应关系：
| C++ | Java层 |
|---|---|
| IInterface | IInterface |
| IBinder | IBinder |
| BBinder | Binder |
| BpProxy | BinderProxy |
| Parcel | Parcel |
JNI的衔接
JNI全称是Java Native Interface，这个是由Java虚拟机提供的机制。这个机制使得native代码可以和Java代码互相通讯。简单来说就是：我们可以在C/C++端调用Java代码，也可以在Java端调用C/C++代码。
关于JNI的详细说明，可以参见Oracle的官方文档：Java Native Interface ，这里不多说明。
实际上，在Android中很多的服务或者机制都是在C/C++层实现的，想要将这些实现复用到Java层，就必须通过JNI进行衔接。AOSP源码中，/frameworks/base/core/jni/ 目录下的源码就是专门用来对接Framework层的JNI实现的。
看一下Binder.java的实现就会发现，这里面有不少的方法都是用native关键字修饰的，并且没有方法实现体，这些方法其实都是在C++中实现的：
public static final native int getCallingPid();
public static final native int getCallingUid();
public static final native long clearCallingIdentity();
public static final native void restoreCallingIdentity(long token);
public static final native void setThreadStrictModePolicy(int policyMask);
public static final native int getThreadStrictModePolicy();
public static final native void flushPendingCommands();
public static final native void joinThreadPool();
在android_util_Binder.cpp文件中的下面这段代码，设定了Java方法与C++方法的对应关系：
static const JNINativeMethod gBinderMethods[] = {
{ "getCallingPid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingPid },
{ "getCallingUid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingUid },
{ "clearCallingIdentity", "()J", (void*)android_os_Binder_clearCallingIdentity },
{ "restoreCallingIdentity", "(J)V", (void*)android_os_Binder_restoreCallingIdentity },
{ "setThreadStrictModePolicy", "(I)V", (void*)android_os_Binder_setThreadStrictModePolicy },
{ "getThreadStrictModePolicy", "()I", (void*)android_os_Binder_getThreadStrictModePolicy },
{ "flushPendingCommands", "()V", (void*)android_os_Binder_flushPendingCommands },
{ "init", "()V", (void*)android_os_Binder_init },
{ "destroy", "()V", (void*)android_os_Binder_destroy },
{ "blockUntilThreadAvailable", "()V", (void*)android_os_Binder_blockUntilThreadAvailable }
};
这种对应关系意味着：当Binder.java中的getCallingPid方法被调用的时候，真正的实现其实是android_os_Binder_getCallingPid，当getCallingUid方法被调用的时候，真正的实现其实是android_os_Binder_getCallingUid，其他类同。
然后我们再看一下android_os_Binder_getCallingPid方法的实现就会发现，这里其实就是对接到了libbinder中了：
static jint android_os_Binder_getCallingPid(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
return IPCThreadState::self()->getCallingPid();
}
这里看到了Java端的代码是如何调用的libbinder中的C++方法的。那么，相反的方向是如何调用的呢？最关键的，libbinder中的BBinder::onTransact是如何能够调用到Java中的Binder::onTransact的呢？
这段逻辑就是android_util_Binder.cpp中JavaBBinder::onTransact中处理的了。JavaBBinder是BBinder子类，其类结构如下：
JavaBBinder::onTransact关键代码如下：
virtual status_t onTransact(
uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags = 0)
{
JNIEnv* env = javavm_to_jnienv(mVM);
IPCThreadState* thread_state = IPCThreadState::self();
const int32_t strict_policy_before = thread_state->getStrictModePolicy();
jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);
...
}
请注意这段代码中的这一行：
jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);
这一行代码其实是在调用mObject上offset为mExecTransact的方法。这里的几个参数说明如下：
- mObject 指向了Java端的Binder对象
- gBinderOffsets.mExecTransact 指向了Binder类的execTransact方法
- data 调用execTransact方法的参数
- code, data, reply, flags都是传递给调用方法execTransact的参数
而JNIEnv.CallBooleanMethod这个方法是由虚拟机实现的。即：虚拟机会提供native方法来调用一个Java Object上的方法（关于Android上的Java虚拟机，今后我们会专门讲解）。
这样，就在C++层的JavaBBinder::onTransact中调用了Java层Binder::execTransact方法。而在Binder::execTransact方法中，又调用了自身的onTransact方法，由此保证整个过程串联了起来：
private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj,
int flags) {
Parcel data = Parcel.obtain(dataObj);
Parcel reply = Parcel.obtain(replyObj);
boolean res;
try {
res = onTransact(code, data, reply, flags);
} catch (RemoteException|RuntimeException e) {
if (LOG_RUNTIME_EXCEPTION) {
Log.w(TAG, "Caught a RuntimeException from the binder stub implementation.", e);
}
if ((flags & FLAG_ONEWAY) != 0) {
if (e instanceof RemoteException) {
Log.w(TAG, "Binder call failed.", e);
} else {
Log.w(TAG, "Caught a RuntimeException from the binder stub implementation.", e);
}
} else {
reply.setDataPosition(0);
reply.writeException(e);
}
res = true;
} catch (OutOfMemoryError e) {
RuntimeException re = new RuntimeException("Out of memory", e);
reply.setDataPosition(0);
reply.writeException(re);
res = true;
}
checkParcel(this, code, reply, "Unreasonably large binder reply buffer");
reply.recycle();
data.recycle();
StrictMode.clearGatheredViolations();
return res;
}
Java Binder服务举例
和C++层一样，这里我们还是通过一个具体的实例来看一下Java层的Binder服务是如何实现的。
下图是ActivityManager实现的类图:
下面是上图中几个类的说明：
| 类名 | 说明 |
|---|---|
| IActivityManager | Binder服务的公共接口 |
| ActivityManagerProxy | 供客户端调用的远程接口 |
| ActivityManagerNative | Binder服务实现的基类 |
| ActivityManagerService | Binder服务的真正实现 |
看过Binder C++层实现之后，对于这个结构应该也是很容易理解的，组织结构和C++层服务的实现是一模一样的。
对于Android应用程序的开发者来说，我们不会直接接触到上图中的几个类，而是使用android.app.ActivityManager中的接口。
这里我们就来看一下，android.app.ActivityManager中的接口与上图的实现是什么关系。我们选取其中的一个方法来看一下：
public void getMemoryInfo(MemoryInfo outInfo) {
try {
ActivityManagerNative.getDefault().getMemoryInfo(outInfo);
} catch (RemoteException e) {
throw e.rethrowFromSystemServer();
}
}
这个方法的实现调用了ActivityManagerNative.getDefault()中的方法，因此我们在来看一下ActivityManagerNative.getDefault()返回到到底是什么。
static public IActivityManager getDefault() {
return gDefault.get();
}
private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
protected IActivityManager create() {
IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
if (false) {
Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b);
}
IActivityManager am = asInterface(b);
if (false) {
Log.v("ActivityManager", "default service = " + am);
}
return am;
}
};
这段代码中我们看到，这里其实是先通过IBinder b = ServiceManager.getService("activity"); 获取ActivityManager的Binder对象（“activity”是ActivityManagerService的Binder服务标识），接着我们再来看一下asInterface(b)的实现：
static public IActivityManager asInterface(IBinder obj) {
if (obj == null) {
return null;
}
IActivityManager in =
(IActivityManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
if (in != null) {
return in;
}
return new ActivityManagerProxy(obj);
}
这里应该是比较明白了：首先通过queryLocalInterface确定有没有本地Binder，如果有的话直接返回，否则创建一个ActivityManagerProxy对象。很显然，假设在ActivityManagerService所在的进程调用这个方法，那么queryLocalInterface将直接返回本地Binder，而假设在其他进程中调用，这个方法将返回空，由此导致其他调用获取到的对象其实就是ActivityManagerProxy。而在拿到ActivityManagerProxy对象之后在调用其方法所走的路线我想读者应该也能明白了：那就是通过Binder驱动跨进程调用ActivityManagerService中的方法。
这里的asInterface方法的实现会让我们觉得似曾相识。是的，因为这里的实现方式和C++层的实现是一样的模式。
Java层的ServiceManager
源码路径：
frameworks/base/core/java/android/os/IServiceManager.java
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/BinderInternal.java
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
有Java端的Binder服务，自然也少不了Java端的ServiceManager。我们先看一下Java端的ServiceManager的结构：
通过这个类图我们看到，Java层的ServiceManager和C++层的接口是一样的。
然后我们再选取addService方法看一下实现：
public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) {
try {
getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated);
} catch (RemoteException e) {
Log.e(TAG, "error in addService", e);
}
}
private static IServiceManager getIServiceManager() {
if (sServiceManager != null) {
return sServiceManager;
}
// Find the service manager
sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());
return sServiceManager;
}
很显然，这段代码中，最关键就是下面这个调用：
ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());
然后我们需要再看一下BinderInternal.getContextObject()和ServiceManagerNative.asInterface两个方法。
BinderInternal.getContextObject()是一个JNI方法，其实现代码在android_util_Binder.cpp中：
static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
return javaObjectForIBinder(env, b);
}
而ServiceManagerNative.asInterface的实现和其他的Binder服务是一样的套路：
static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)
{
if (obj == null) {
return null;
}
IServiceManager in =
(IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
if (in != null) {
return in;
}
return new ServiceManagerProxy(obj);
}
先通过queryLocalInterface查看能不能获得本地Binder，如果无法获取，则创建并返回ServiceManagerProxy对象。
而ServiceManagerProxy自然也是和其他Binder Proxy一样的实现套路：
public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated)
throws RemoteException {
Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
data.writeString(name);
data.writeStrongBinder(service);
data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);
mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
reply.recycle();
data.recycle();
}
有了上文的讲解，这段代码应该都是比较容易理解的了。
关于AIDL
作为Binder机制的最后一个部分内容，我们来讲解一下开发者经常使用的AIDL机制是怎么回事。
AIDL全称是Android Interface Definition Language，它是Android SDK提供的一种机制。借助这个机制，应用可以提供跨进程的服务供其他应用使用。AIDL的详细说明可以参见官方开发文档：https://developer.android.com/guide/components/aidl.html 。
这里，我们就以官方文档上的例子看来一下AIDL与Binder框架的关系。
开发一个基于AIDL的Service需要三个步骤：
- 定义一个.aidl文件
- 实现接口
- 暴露接口给客户端使用
aidl文件使用Java语言的语法来定义，每个.aidl文件只能包含一个interface，并且要包含interface的所有方法声明。
默认情况下，AIDL支持的数据类型包括：
- 基本数据类型（即int，long，char，boolean等）
- String
- CharSequence
- List（List的元素类型必须是AIDL支持的）
- Map（Map中的元素必须是AIDL支持的）
对于AIDL中的接口，可以包含0个或多个参数，可以返回void或一个值。所有非基本类型的参数必须包含一个描述是数据流向的标签，可能的取值是：in，out或者inout。
下面是一个aidl文件的示例：
// IRemoteService.aidl
package com.example.android;
// Declare any non-default types here with import statements
/** Example service interface */
interface IRemoteService {
/** Request the process ID of this service, to do evil things with it. */
int getPid();
/** Demonstrates some basic types that you can use as parameters
* and return values in AIDL.
*/
void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat,
double aDouble, String aString);
}
这个文件中包含了两个接口 ：
- getPid 一个无参的接口，返回值类型为int
- basicTypes，包含了几个基本类型作为参数的接口，无返回值
对于包含.aidl文件的工程，Android IDE（以前是Eclipse，现在是Android Studio）在编译项目的时候，会为aidl文件生成对应的Java文件。
针对上面这个aidl文件生成的java文件中包含的结构如下图所示：
在这个生成的Java文件中，包括了：
- 一个名称为IRemoteService的interface，该interface继承自android.os.IInterface并且包含了我们在aidl文件中声明的接口方法
- IRemoteService中包含了一个名称为Stub的静态内部类，这个类是一个抽象类，它继承自android.os.Binder并且实现了IRemoteService接口。这个类中包含了一个
onTransact方法 - Stub内部又包含了一个名称为Proxy的静态内部类，Proxy类同样实现了IRemoteService接口
仔细看一下Stub类和Proxy两个中包含的方法，是不是觉得很熟悉？是的，这里和前面介绍的服务实现是一样的模式。这里我们列一下各层类的对应关系：
| C++ | Java层 | AIDL |
|---|---|---|
| BpXXX | XXXProxy | IXXX.Stub.Proxy |
| BnXXX | XXXNative | IXXX.Stub |
为了整个结构的完整性，最后我们还是来看一下生成的Stub和Proxy类中的实现逻辑。
Stub是提供给开发者实现业务的父类，而Proxy的实现了对外提供的接口。Stub和Proxy两个类都有一个asBinder的方法。
Stub类中的asBinder实现就是返回自身对象：
@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
return this;
}
而Proxy中asBinder的实现是返回构造函数中获取的mRemote对象，相关代码如下：
private android.os.IBinder mRemote;
Proxy(android.os.IBinder remote) {
mRemote = remote;
}
@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
return mRemote;
}
而这里的mRemote对象其实就是远程服务在当前进程的标识。
上文我们说了，Stub类是用来提供给开发者实现业务逻辑的父类，开发者者继承自Stub然后完成自己的业务逻辑实现，例如这样：
private final IRemoteService.Stub mBinder = new IRemoteService.Stub() {
public int getPid(){
return Process.myPid();
}
public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean,
float aFloat, double aDouble, String aString) {
// Does something
}
};
而这个Proxy类，就是用来给调用者使用的对外接口。我们可以看一下Proxy中的接口到底是如何实现的：
Proxy中getPid方法实现如下所示：
@Override
public int getPid() throws android.os.RemoteException {
android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
int _result;
try {
_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getPid, _data, _reply, 0);
_reply.readException();
_result = _reply.readInt();
} finally {
_reply.recycle();
_data.recycle();
}
return _result;
}
这里就是通过Parcel对象以及transact调用对应远程服务的接口。而在Stub类中，生成的onTransact方法对应的处理了这里的请求：
@Override
public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags)
throws android.os.RemoteException {
switch (code) {
case INTERFACE_TRANSACTION: {
reply.writeString(DESCRIPTOR);
return true;
}
case TRANSACTION_getPid: {
data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
int _result = this.getPid();
reply.writeNoException();
reply.writeInt(_result);
return true;
}
case TRANSACTION_basicTypes: {
data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
int _arg0;
_arg0 = data.readInt();
long _arg1;
_arg1 = data.readLong();
boolean _arg2;
_arg2 = (0 != data.readInt());
float _arg3;
_arg3 = data.readFloat();
double _arg4;
_arg4 = data.readDouble();
java.lang.String _arg5;
_arg5 = data.readString();
this.basicTypes(_arg0, _arg1, _arg2, _arg3, _arg4, _arg5);
reply.writeNoException();
return true;
}
}
return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}
onTransact所要做的就是：
- 根据code区分请求的是哪个接口
- 通过data来获取请求的参数
- 调用由子类实现的抽象方法
有了前文的讲解，对于这部分内容应当不难理解了。
到这里，我们终于讲解完Binder了。
恭喜你，已经掌握了Android系统最复杂的模块，的其中之一了 ：）
– 以上 –
参考资料和推荐读物
- Android Binder
- Android Interface Definition Language
- Android Bander设计与实现 - 设计篇
- Binder系列—开篇
- 彻底理解Android Binder通信架构
- binder驱动——-之内存映射篇
- Android Binder机制(一) Binder的设计和框架
- Android Binder 分析——内存管理