Android框架揭秘-JAVA服务框架

JAVA服务框架是一系列类的集合， 这些类用于支持开发JAVA系统服务， 这些服务运行在基于JAVA的应用程序框架中。

JAVA服务框架通过JNI与本地框架进行交互， 这样可以重用一些由C/C++编写的代码。

JAVA服务框架与本地服务框架的不同有如下两点：

<1>服务生成：

在JAVA服务框架中， 开发JAVA服务的方法有两种。

第一种是集成Binder类进行开发，这种方式常常用于开发可以实现精确控制的服务中，开发JAVA系统服务时常用这种方式。

Android提供了AIDL语言及编译器，使得编写JAVA系统服务比编写本地系统服务要容易得多。

第二种是继承Service类进行开发， 常常用来开发一些周期执行某些任务的后台服务。

<2>Binder IPC处理：

为了支持Binder IPC， JAVA服务框架将通过JNI使用本地服务框架中的相应组成部分。

JAVA服务管理

<1>与本地系统服务一样， JAVA系统服务注册到Context Manager中， 而后通过Service Manager使用服务。

<2>JAVA应用程序服务由Activity Manager Service而非Context Manager进行管理。

1. JAVA服务框架的层次结构

JAVA服务框架由服务层， RPC层， IPC层三个层构成。

图 JAVA服务框架构成

<1>服务层

与本地服务不同， 需要自己实现FooManager类， 因为SDK包中并不包含ServiceManager类， 应用程序服务使用ServiceManager类来注册或检索服务。

为了让应用程序开发者能够使用系统服务，服务开发者必须将包装类包含到SDK中。

例如， 为了让应用程序开发者能够使用FooService， 系统服务开发者就要编写FooManager包装类， 添加使用ServiceManager获取FooService的功能。

并将其编入SDK中。然后应用程序开发者就可以通过包含在SDK中的FooManager类来使用FooService系统服务了。

图  FooManager包装类的作用

<2>RPC层

JAVA服务框架使用Android平台中的AIDL语言与编译器自动生成服务代理和服务Stub。

首先编写IFooService.aidl文件， 在其中定义服务接口。

然后编译器会自动生成IFooService.Stub与IFooService.Stub.Proxy两个类。

<3>IPC层

使用JAVA服务框架开发的服务与服务代理通过Binder IPC进行交互

为了支持Binder IPC， 本地服务框架提供了BpBinder和BBinder两个类， JAVA服务框架则提供了BinderProxy与Binder两个类。

JAVA服务框架也可以通过JNI使用本地服务框架的Binder IPC，即BidnerProxy与Binder通过JNI使用本地服务框架的BpBinder与BBinder类的功能。

图 BinderProxy与Binder的Binder IPC

2. JAVA服务框架中各个类间的相互作用

首先先看一下客户端

服务客户端与本地服务框架相比， JAVA服务框架在服务客户端中多了两个调用过程

分别是服务用户调用FooManager的foo方法  与BinderProxy的transact方法通过JNI本地函数android_os_BinderProxy_transact调用BpBinder的transact函数的过程。

当BpBinder的transact函数调用执行后， 接下来的过程就与在本地服务框架中的内容一样了。

图客户端内部相互作用

接着再看一下Java系统服务所在的Service Server

在Java服务框架中多了BBinder的transact函数使用JavaBBinder本地服务Stub调用Binder的exacTransact方法的过程。

图Service Server内部相互作用

下面分析一下FooService服务注册到系统以及使用的过程。

图使用FooService时各个部分间的相互作用

<1> 请求服务注册：在向系统注册服务时， 本地服务框架将通过本地服务管理器BpServiceManager来处理服务注册，

而Java服务框架则使用JAVA服务管理器ServiceManager来处理服务注册。

FooService服务在向系统注册时将调用ServiceManager的addService方法， 在ServiceManager内部存在BinderProxy对象，

它通过JIN与持有ContextManager指针的BpBinder连接在一起。

<2>注册服务：ServiceManagerProxy服务代理将调用addService方法的信息转换为RPC数据。

Binder RPC数据被存储在Parcel(Java)类中传递给BinderProxy，而后通过JNI传递给BpBinder，最后通过Binder IPC传递给Context Manager，

如此， FooService服务即被注册到系统之中。

<3>请求服务检索：在使用FooService服务时， 本地服务用户将通过BpServiceManager来检索服务，

而JAVA服务则会调用SDK中的getSystemService方法来检索服务。

<4>服务检索：调用getSystemService方法将引起ServiceManager的getService方法的调用， 在系统中检索FooService服务。

若检索到FooService， 则会向服务用户返回FooManager对象， 该对象可以引用IFooService.Stub.Proxy服务代理。

<5>调用foo服务代理方法：服务用户调用FooManager的foo方法，而后IFooService.Stub.Proxy将foo方法的调用信息转换为RPC数据，

通过BinderProxy传递给BpBinder。

<6>执行foo服务Stub方法：BBinder从Binder Driver接收Binder RPC数据后， 通过JavaBBinder调用Binder的execTransact方法，

而后RPC数据传递给IFooService.Stub服务Stub的onTransact方法， 经过分析后， 调用FooService的foo服务Stub方法。

Java服务框架最重要的特征就是通过JNI复用本地服务框架提供的功能。

使用Java服务框架实现的系统服务被包含在应用程序中， 其中一部分可以使用在SDK中， 在开发应用程序时，

应当额外提供服务管理器(Service Manager)的包装类， 以便使用系统服务。

Android系统也提供了一种接口描述语言AIDL用来自通为服务接口生成服务Stub与代理。

3. 运行机制

下面通过源码分析Java服务框架使用本地服务框架的运作机制。

<1>Java服务框架初始化

在app_process进程启动时， AndroidRuntime类就会调用startReg函数， 将JNI函数加载到Dalvik虚拟机中。

使用register_android_os_Binder函数注册的JNI本地函数就是与JAVA服务框架有关联的本地函数。

图register_android_os_Binder函数

<2>Binder类

注册完JNI函数后， Binder类的本地方法将被映射到JNI本地函数中。

图Binder类的本地方法与JNI本地函数的映射关系。

<3>生成Binder对象

为了进行Binder IPC， 使用BBinder提供的功能， Binder类中生成Binder对象的同时将生成BBinder对象。

Binder类中构造方法中调用init本地方法， init本地方法与JNI的android_os_Binder_init函数映射在一起。

android_os_Binder_init函数首先生成JavaBBinderHolder类的对象， 而后调用名称为SetIntField的JNI函数，

将刚创建的JavaBBinderHolder对象的地址保存到Binder的mObject变量中。

图 android_os_Binder_init函数

<4>生成JavaBBinder对象

在创建Binder对象的同时会生成BBinder对象，JavaBBinder是对象是在JavaBBinderHolder的get函数中创建的，

在get函数中直接调用JavaBBinder类的构造函数， 生成了JavaBBinder对象。

JavaBBinder类继承并实现了父类BBinder， 创建JavaBBinder对象时也会生成BBinder对象。

图  JavaBBinderHolder的get函数

下面简单描述了生成BBinder对象的过程

图 生成BBinder对象

<5>Binder类与JavaBBinder服务Stub的相互作用

BBinder的transact函数将引起对JavaBBinder的onTransact函数的调用。除了基本的Binder RPC函数外， 若想扩展BBinder的功能，

需要在继承BBinder的服务Stub类中重新定义onTransact方法。

JavaBBinder服务Stub类继承了BBinder类， 重定义了onTransact方法，在其中调用了Binder的execTransact方法。

4. BinderProxy

<1>BinderProxy类的JNI设定

如同Binder类， 使用BinderProxy类之前， 也需要先将BinderProxy类本地方法对应的JNI本地函数注册到虚拟机中。

调用int_register_android_os_BinderProxy函数时， BinderProxy类的本地方法与JNI本地函数映射在一起。

<2>生成BinderProxy对象

BinderProxy类中执行Binder IPC时需要使用本地服务框架的BpBinder功能， 因此在创建BinderProxy对象时将同时生成BpBinder对象。

前面讲过BpBinder对象是由Parcel(c++) 的readStrongBinder函数创建的。

因此， BinderProxy对象是在调用Parcel(java)的readStrongBinder方法时生成的。当调用Parcel(java)的readStrongBinder方法时，

Parcel(c++)的readStrongBinder函数以及javaObjectForBinder函数将一次被调用， 从而生成BpBinder与BinderProxy对象。

如下图

图 生成BinderProxy对象-调用Parcel(java)的readStrongBinder方法

<3>BinderProxy类与 BpBinder类的相互作用

由于BinderProxy的transact本地方法与JNI本地函数android_os_BinderProxy_transact映射在一起

所以，当调用BinderProxy的transact本地方法时， android_os_BinderProxy_transact函数即会被调用。

在android_os_BinderProxy_transact函数中，获取到mObejct变量中的BpBinder对象地址， 而后调用transact函数。

5. Parcel

在BinderIPC期间， Parcel(java)类用来保存由发送端向接收端发送的数据。

特别地， Parcel(java)内部缓冲区中持有IBinder对象的引用， 并且在进程间移动时需要维持这个引用。

<1>Parcel(java)类的JNI设定

Parcel(java)类的本地方法通过JNI与Parcel(c++)类中的同名的本地成员函数映射在一起，

调用int_register_android_os_BinderProxy函数时， Parcel(java)类的部分信息就被保存到gParcelOffsets全局变量中，

并且将Parcel(java)类的本地方法与JNI本地函数映射在一起。

<2>生成Parcel(java)对象

生成Parcel(java)对象的过程与Binder和BinderProxy略有不同，

首先看Parcel(java)的构造方法， 它有一个私有方法， 外部代码不能使用new Parcel语句创建Parcel(java)的实例对象。

但是Parcel(java)类提供了一个名称为obtain方法， 使用该方法即可创建Parcel(java)类的实例对象。

obtain方法调用Parcel(java)的私有构造方法， 构造方法将调用init本地方法， 从而引起对本地函数

android_os_Parcel_init的调用，本地函数创建了Parcel(c++)类的实例对象。

<3>Parcel(java)类与Parcel(c++)类间的相互作用

一般地， Parcel(java)类用来在服务代理中保存Binder RPC数据，

例如，FooService服务用户在调用IFooService.Stub.Proxy服务代理的foo代理方法时， 就会调用Parcel(java)类的

obtain函数创建出Parcel(java)对象， 并将其传入到transact方法中。

图 Parcel(java)类与Parcel(c++)类的相互作用

6 JAVA系统服务的实现

下面以闹钟服务为基础， 分析系统服务的结构

<1>闹钟服务分析

下图显示了实现闹钟服务的类图结构。

图 实现闹钟服务的类图

<1.1>闹钟服务的实现方式

在编写本地系统服务时， 开发者必须亲自实现服务接口， 服务代理， 服务Stub， 服务。

而在编写Java系统服务时，开发者可以使用AIDL语言自动生成他们。

首先编写AIDL接口文件， IAlarmManager.aidl，系统会自动编译生成IAlarmManager.Stub类。

应该编写服务类继承Stub类，重新定义IAlarmManager.Stub类Binder类的onTransact方法， 并添加系统Binder RPC功能。

AlarmManagerService的服务Stub类重定义了onTransact方法， 并且实现了与IAlarmManager接口中5个方法相关的代码。

<1.2>使用闹钟服务(AlarmManagerService)

应用程序开发者若要使用系统服务， 需要调用SDK中的getSystemService方法。

首先调用ServiceManager的getService方法， 请求AlarmManagerService服务，返回一个指向AlarmManagerService服务的BinderProxy对象。

调用IAlarmManager.Stub服务Stub的asInterface方法，获取IAlarmManager.Stub.Proxy服务代理类的对象。

创建并返回AlarmManager对象。

调用getSystemService方法获取AlarmManager对象， 以Context的ALARM_SERVICE变量为参数， 通过强制类型转换， 获得AlarmManager对象。

注意： ServiceManager 在android.os包中， ServiceManager类被标记成@hide 

在SDK中没有对外开放，Context在android.app包中， 对外开放，

所以不能APP开发者不能使用ServiceManager获取系统服务。需要写AlarmManager包装类， 使APP开发者能够通过Context获取AlarmManager，

从而使用服务。

7. 编写HelloWorldService系统服务

图 HelloWorldService系统服务类图

首先编写HelloWorldService服务接口aidl文件，

然后系统自动生成HelloWorldService服务接口， 服务代理， 服务Stub

之后再实现HelloWorldService与HelloWorldManager类。

实现HelloWorldService服务

HelloWorldService服务实现类   HelloWorldService.java在com.android.app包中。

HelloWorldService要继承并实现服务IHelloWorld.Stub类（由编译器根据aidl文件自动生成）。

注册HelloWorldService服务

在SystemServer.java的ServerThread的run方法中注册HelloWorldService服务。

helloWorldService = new HelloWorldService(context);

ServiceManager.addService(Context.HELLO_SERVICE, helloWorldService);

使用HelloWorldService系统服务

编写HelloWorldManager包装类， 构造方法接收IHelloWorld.Stub.Proxy类的实例对象，

HelloWorldManager类的构造方法访问权限为default， 只有同一个包(android.app)中的类才能调用它。

获取HelloWorldManager

应用程序开发者可以通过ContextImpl的getSystemService方法来使用系统服务。

调用getSystemService方法接收一个字符串参数， 若字符串与HELLO_SERVICE变量中的字符串相同， 则调用getHelloWorldManager方法。

getHelloWorldManager方法向ServiceManager请求检索HelloWorldService服务， 若ServiceManager检索到HelloWorldService服务，

则返回一个指向它的BinderProxy对象。getHelloWorldManager方法将接收到的BinderProxy对象传递给HelloWorld.Stub服务Stub的asInterface方法。

生成IHelloWorld.Stub.Proxy服务代理对象。并将这个服务代理对象传递给HelloWorldManager构造方法， 生成HelloWorldManager对象，

并且其mService变量中保存着IHelloWorld.Stub.Proxy服务代理对象的引用。

最后返回HelloWorldManager对象。

为了使用HelloWorldService服务， 应用程序将调用ContextImpl的getSystemService方法， 把Context.HELLO_SERVICE传入方法中，

然后将返回值转换成HelloWorldService类型， 这样就可以使用HelloWorldService服务了。

8 Java Service Manager

Java系统服务于本地服务一样都是由Context Manager进行管理的， 通常使用Java服务框架编写的系统服务都是通过Java Service Manager注册到系统中的。

<1>Java Service Manager简介

Java Service Manager由服务层，RPC层， IPC层组成， IServiceManager服务接口与ServiceManager包装类位于服务层中，

它们由Service Manager用户使用。 ServiceManagerProxy服务代理位于RPC层， 它将方法的调用信息转换为Binder RPC数据。

Binder Proxy位于IPC层， 它通过JNI 与BpBinder类连接在一起。