如何在android面试中说清楚android中binder机制的实现过程

在进行Android面试时,面试官有时会问到binder机制,而大多数面试者只是大体了解binder的作用,而不能够说出binder机制的具体实现原理。那么可以从这几方面展开对binder机制的说明:

  • Binder是Android系统中的一种IPC进程间通信结构。
  • Binder的整个设计是C/S结构,客户端进程通过获取服务端进程的代理,并通过向这个代理接口方法中读写数据来完成进程间的数据通信。
  • Android之所以选择Binder,我觉得有2个方面的原因。

    1. 是安全,每个进程都会被Android系统分配UID和PID,不像传统的在数据里加入UID,这就让那些恶意进程无法直接和其他进程通信,进程间通信的安全性得到提升。
    2. 是高效,像Socket之类的IPC每次数据拷贝都需要2次,而Binder只要1次,在手机这种资源紧张的情况下很重要。

作者:Gityuan
链接:https://www.zhihu.com/question/39440766/answer/89210950
来源:知乎

为什么Android要采用Binder作为IPC机制?

在开始回答 前,先简单概括性地说说Linux现有的所有进程间IPC方式:

  1. 管道:在创建时分配一个page大小的内存,缓存区大小比较有限;
  2. 消息队列:信息复制两次,额外的CPU消耗;不合适频繁或信息量大的通信;
  3. 共享内存:无须复制,共享缓冲区直接付附加到进程虚拟地址空间,速度快;但进程间的同步问题操作系统无法实现,必须各进程利用同步工具解决;
  4. 套接字:作为更通用的接口,传输效率低,主要用于不通机器或跨网络的通信;
  5. 信号量:常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
  6. 信号: 不适用于信息交换,更适用于进程中断控制,比如非法内存访问,杀死某个进程等;

Android的内核也是基于Linux内核,为何不直接采用Linux现有的进程IPC方案呢,难道Linux社区那么多优秀人员都没有考虑到有Binder这样一个更优秀的方案,是google太过于牛B吗?事实是真相并非如此,请细细往下看,您就明白了。


接下来正面回答这个问题,从5个角度来展开对Binder的分析:

(1)从性能的角度
数据拷贝次数:Binder数据拷贝只需要一次,而管道、消息队列、Socket都需要2次,但共享内存方式一次内存拷贝都不需要;从性能角度看,Binder性能仅次于共享内存。

(2)从稳定性的角度
Binder是基于C/S架构的,简单解释下C/S架构,是指客户端(Client)和服务端(Server)组成的架构,Client端有什么需求,直接发送给Server端去完成,架构清晰明朗,Server端与Client端相对独立,稳定性较好;而共享内存实现方式复杂,没有客户与服务端之别, 需要充分考虑到访问临界资源的并发同步问题,否则可能会出现死锁等问题;从这稳定性角度看,Binder架构优越于共享内存。

仅仅从以上两点,各有优劣,还不足以支撑google去采用binder的IPC机制,那么更重要的原因是:

(3)从安全的角度
传统Linux IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID,从而无法鉴别对方身份;而Android作为一个开放的开源体系,拥有非常多的开发平台,App来源甚广,因此手机的安全显得额外重要;对于普通用户,绝不希望从App商店下载偷窥隐射数据、后台造成手机耗电等等问题,传统Linux IPC无任何保护措施,完全由上层协议来确保。

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,前面提到C/S架构,Android系统中对外只暴露Client端,Client端将任务发送给Server端,Server端会根据权限控制策略,判断UID/PID是否满足访问权限,目前权限控制很多时候是通过弹出权限询问对话框,让用户选择是否运行。Android 6.0,也称为Android M,在6.0之前的系统是在App第一次安装时,会将整个App所涉及的所有权限一次询问,只要留意看会发现很多App根本用不上通信录和短信,但在这一次性权限权限时会包含进去,让用户拒绝不得,因为拒绝后App无法正常使用,而一旦授权后,应用便可以胡作非为。

针对这个问题,google在Android M做了调整,不再是安装时一并询问所有权限,而是在App运行过程中,需要哪个权限再弹框询问用户是否给相应的权限,对权限做了更细地控制,让用户有了更多的可控性,但同时也带来了另一个用户诟病的地方,那也就是权限询问的弹框的次数大幅度增多。对于Android M平台上,有些App开发者可能会写出让手机异常频繁弹框的App,企图直到用户授权为止,这对用户来说是不能忍的,用户最后吐槽的可不光是App,还有Android系统以及手机厂商,有些用户可能就跳果粉了,这还需要广大Android开发者以及手机厂商共同努力,共同打造安全与体验俱佳的Android手机。

Android中权限控制策略有SELinux等多方面手段,下面列举从Binder的一个角度的权限控制:
Android源码的Binder权限是如何控制? -Gityuan的回答

传统IPC只能由用户在数据包里填入UID/PID;另外,可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的,无法建立私有通道。从安全角度,Binder的安全性更高。

说到这,可能有人要反驳,Android就算用了Binder架构,而现如今Android手机的各种流氓软件,不就是干着这种偷窥隐射,后台偷偷跑流量的事吗?没错,确实存在,但这不能说Binder的安全性不好,因为Android系统仍然是掌握主控权,可以控制这类App的流氓行为,只是对于该采用何种策略来控制,在这方面android的确存在很多有待进步的空间,这也是google以及各大手机厂商一直努力改善的地方之一。在Android 6.0,google对于app的权限问题作为较多的努力,大大收紧的应用权限;另外,在Google举办的Android Bootcamp 2016大会中,google也表示在Android 7.0 (也叫Android N)的权限隐私方面会进一步加强加固,比如SELinux,Memory safe language(还在research中)等等,在今年的5月18日至5月20日,google将推出Android N。

话题扯远了,继续说Binder。

(4)从语言层面的角度
大家多知道Linux是基于C语言(面向过程的语言),而Android是基于Java语言(面向对象的语句),而对于Binder恰恰也符合面向对象的思想,将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法,而其独特之处在于Binder对象是一个可以跨进程引用的对象,它的实体位于一个进程中,而它的引用却遍布于系统的各个进程之中。可以从一个进程传给其它进程,让大家都能访问同一Server,就像将一个对象或引用赋值给另一个引用一样。Binder模糊了进程边界,淡化了进程间通信过程,整个系统仿佛运行于同一个面向对象的程序之中。从语言层面,Binder更适合基于面向对象语言的Android系统,对于Linux系统可能会有点“水土不服”。

另外,Binder是为Android这类系统而生,而并非Linux社区没有想到Binder IPC机制的存在,对于Linux社区的广大开发人员,我还是表示深深佩服,让世界有了如此精湛而美妙的开源系统。也并非Linux现有的IPC机制不够好,相反地,经过这么多优秀工程师的不断打磨,依然非常优秀,每种Linux的IPC机制都有存在的价值,同时在Android系统中也依然采用了大量Linux现有的IPC机制,根据每类IPC的原理特性,因时制宜,不同场景特性往往会采用其下最适宜的。比如在Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket(套接字)机制,Android中的Kill Process采用的signal(信号)机制等等。而Binder更多则用在system_server进程与上层App层的IPC交互。

(5) 从公司战略的角度

总所周知,Linux内核是开源的系统,所开放源代码许可协议GPL保护,该协议具有“病毒式感染”的能力,怎么理解这句话呢?受GPL保护的Linux Kernel是运行在内核空间,对于上层的任何类库、服务、应用等运行在用户空间,一旦进行SysCall(系统调用),调用到底层Kernel,那么也必须遵循GPL协议。

而Android 之父 Andy Rubin对于GPL显然是不能接受的,为此,Google巧妙地将GPL协议控制在内核空间,将用户空间的协议采用Apache-2.0协议(允许基于Android的开发商不向社区反馈源码),同时在GPL协议与Apache-2.0之间的Lib库中采用BSD证授权方法,有效隔断了GPL的传染性,仍有较大争议,但至少目前缓解Android,让GPL止步于内核空间,这是Google在GPL Linux下 开源与商业化共存的一个成功典范。

有了这些铺垫,我们再说说Binder的今世前缘

Binder是基于开源的 OpenBinder实现的,OpenBinder是一个开源的系统IPC机制,最初是由 Be Inc. 开发,接着由Palm, Inc.公司负责开发,现在OpenBinder的作者在Google工作,既然作者在Google公司,在用户空间采用Binder 作为核心的IPC机制,再用Apache-2.0协议保护,自然而然是没什么问题,减少法律风险,以及对开发成本也大有裨益的,那么从公司战略角度,Binder也是不错的选择。

另外,再说一点关于OpenBinder,在2015年OpenBinder以及合入到Linux Kernel主线 3.19版本,这也算是Google对Linux的一点回馈吧。

综合上述5点,可知Binder是Android系统上层进程间通信的不二选择。

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