Android的IPC机制Binder的详解汇总

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第一部分 Binder的组成 
1.1 驱动程序部分驱动程序的部分在以下的文件夹中：

 kernel/include/linux/binder.h
 kernel/drivers/android/binder.c

 kernel/include/linux/binder.h
 kernel/drivers/android/binder.c

    binder驱动程序是一个miscdevice，主设备号为10，此设备号使用动态获得（MISC_DYNAMIC_MINOR），其设备的节点为： 
/dev/binder 
    binder驱动程序会在proc文件系统中建立自己的信息，其文件夹为/proc/binder，其中包含如下内容： 
proc目录：调用Binder各个进程的内容 
state文件：使用函数binder_read_proc_state 
stats文件：使用函数binder_read_proc_stats 
transactions文件：使用函数binder_read_proc_transactions 
transaction_log文件：使用函数binder_read_proc_transaction_log，其参数为binder_transaction_log (类型为struct binder_transaction_log) 
failed_transaction_log文件：使用函数binder_read_proc_transaction_log 其参数为 
binder_transaction_log_failed (类型为struct binder_transaction_log) 

    在binder文件被打开后，其私有数据（private_data）的类型： 
struct binder_proc 
    在这个数据结构中，主要包含了当前进程、进程ID、内存映射信息、Binder的统计信息和线程信息等。 
    在用户空间对Binder驱动程序进行控制主要使用的接口是mmap、poll和ioctl，ioctl主要使用的ID为：

 #define BINDER_WRITE_READ        _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
 #define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT  _IOW('b', 3, int64_t)
 #define BINDER_SET_MAX_THREADS   _IOW('b', 5, size_t)
 #define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, int)
 #define BINDER_SET_CONTEXT_MGR   _IOW('b', 7, int)
 #define BINDER_THREAD_EXIT       _IOW('b', 8, int)
 #define BINDER_VERSION           _IOWR('b', 9, struct binder_version)

 #define BINDER_WRITE_READ        _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
 #define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT  _IOW('b', 3, int64_t)
 #define BINDER_SET_MAX_THREADS   _IOW('b', 5, size_t)
 #define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, int)
 #define BINDER_SET_CONTEXT_MGR   _IOW('b', 7, int)
 #define BINDER_THREAD_EXIT       _IOW('b', 8, int)
 #define BINDER_VERSION           _IOWR('b', 9, struct binder_version)

    BR_XXX等宏为BinderDriverReturnProtocol，表示Binder驱动返回协议。 
    BC_XXX等宏为BinderDriverCommandProtocol，表示Binder驱动命令协议。 
    binder_thread是Binder驱动程序中使用的另外一个重要的数据结构，数据结构的定义如下所示：

 struct binder_thread {
       struct binder_proc *proc;
      struct rb_node rb_node;
      int pid;
      int looper;
      struct binder_transaction *transaction_stack;
      struct list_head todo;
      uint32_t return_error;
      uint32_t return_error2;
      wait_queue_head_t wait;
      struct binder_stats stats;
 };

 struct binder_thread {
       struct binder_proc *proc;
      struct rb_node rb_node;
      int pid;
      int looper;
      struct binder_transaction *transaction_stack;
      struct list_head todo;
      uint32_t return_error;
      uint32_t return_error2;
      wait_queue_head_t wait;
      struct binder_stats stats;
 };

    binder_thread 的各个成员信息是从rb_node中得出。 
    BINDER_WRITE_READ是最重要的ioctl，它使用一个数据结构binder_write_read定义读写的数据。

 struct binder_write_read {
      signed long write_size;
      signed long write_consumed;
      unsigned long write_buffer;
      signed long read_size;
      signed long read_consumed;
      unsigned long read_buffer;
 };

 struct binder_write_read {
      signed long write_size;
      signed long write_consumed;
      unsigned long write_buffer;
      signed long read_size;
      signed long read_consumed;
      unsigned long read_buffer;
 };

1.2 servicemanager部分        servicemanager是一个守护进程，用于这个进程的和/dev/binder通讯，从而达到管理系统中各个服务的作用。 
        可执行程序的路径： 
        /system/bin/servicemanager        
开源版本文件的路径：

 frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.h
 frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.c
 frameworks/base/cmds/servicemanager/service_manager.c

 frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.h
 frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.c
 frameworks/base/cmds/servicemanager/service_manager.c

       程序执行的流程： 

open()：打开binder驱动 

mmap()：映射一个128*1024字节的内存 

ioctl(BINDER_SET_CONTEXT_MGR)：设置上下文为mgr 
       进入主循环binder_loop() 
             ioctl(BINDER_WRITE_READ)，读取 
                       binder_parse()进入binder处理过程循环处理 
         binder_parse()的处理，调用返回值： 
        当处理BR_TRANSACTION的时候，调用svcmgr_handler()处理增加服务、检查服务等工作。各种服务存放在一个链表（svclist）中。其中调用binder_等开头的函数，又会调用ioctl的各种命令。 
        处理BR_REPLY的时候，填充binder_io类型的数据结 
1.3 binder的库的部分 
    binder相关的文件作为Android的uitls库的一部分，这个库编译后的名称为libutils.so，是Android系统中的一个公共库。 
    主要文件的路径如下所示：

 frameworks/base/include/utils/*
 frameworks/base/libs/utils/*

 frameworks/base/include/utils/*
 frameworks/base/libs/utils/*

   
    主要的类为： 
RefBase.h : 
    引用计数，定义类RefBase。 
Parcel.h : 
    为在IPC中传输的数据定义容器，定义类Parcel 
IBinder.h： 
    Binder对象的抽象接口， 定义类IBinder 
Binder.h： 
    Binder对象的基本功能， 定义类Binder和BpRefBase 
BpBinder.h： 
BpBinder的功能，定义类BpBinder 
IInterface.h： 
为抽象经过Binder的接口定义通用类， 
    定义类IInterface，类模板BnInterface，类模板BpInterface 
ProcessState.h 
    表示进程状态的类，定义类ProcessState 
IPCThreadState.h 
    表示IPC线程的状态，定义类IPCThreadState 
各个类之间的关系如下所示： 



    在IInterface.h中定义的BnInterface和BpInterface是两个重要的模版，这是为各种程序中使用的。 
BnInterface模版的定义如下所示：

 template
 class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
 {
 public:
     virtual sp  queryLocalInterface(const String16& _descriptor);
     virtual String16        getInterfaceDescriptor() const;
 protected:
     virtual IBinder*        onAsBinder();
 };
      BnInterface模版的定义如下所示：
 template
 class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
 {
 public:
                             BpInterface(const sp& remote);
 protected:
     virtual IBinder*    onAsBinder();
 };

 template
 class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
 {
 public:
     virtual sp  queryLocalInterface(const String16& _descriptor);
     virtual String16        getInterfaceDescriptor() const;
 protected:
     virtual IBinder*        onAsBinder();
 };
      BnInterface模版的定义如下所示：
 template
 class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
 {
 public:
                             BpInterface(const sp& remote);
 protected:
     virtual IBinder*    onAsBinder();
 };

         这两个模版在使用的时候，起到得作用实际上都是双继承：使用者定义一个接口INTERFACE，然后使用BnInterface和BpInterface两个模版结合自己的接口，构建自己的BnXXX和BpXXX两个类。 
         DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE两个宏用于帮助BpXXX类的实现：

 #define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               \
     static const String16 descriptor;                                   \
     static sp asInterface(const sp& obj);        \
     virtual String16 getInterfaceDescriptor() const;                    \
 #define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \
     const String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);                      \
     String16 I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {             \
         return I##INTERFACE::descriptor;                                \
     }                                                                   \
     sp I##INTERFACE::asInterface(const sp& obj)  \
     {                                                                   \
         sp intr;                                          \
         if (obj != NULL) {                                              \
             intr = static_cast(                          \
                 obj->queryLocalInterface(                               \
                         I##INTERFACE::descriptor).get());               \
             if (intr == NULL) {                                         \
                 intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          \
             }                                                           \
         }                                                               \
         return intr;                                                    \
     }

 #define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               \
     static const String16 descriptor;                                   \
     static sp asInterface(const sp& obj);        \
     virtual String16 getInterfaceDescriptor() const;                    \
 #define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \
     const String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);                      \
     String16 I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {             \
         return I##INTERFACE::descriptor;                                \
     }                                                                   \
     sp I##INTERFACE::asInterface(const sp& obj)  \
     {                                                                   \
         sp intr;                                          \
         if (obj != NULL) {                                              \
             intr = static_cast(                          \
                 obj->queryLocalInterface(                               \
                         I##INTERFACE::descriptor).get());               \
             if (intr == NULL) {                                         \
                 intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          \
             }                                                           \
         }                                                               \
         return intr;                                                    \
     }

  
   在定义自己的类的时候，只需要使用DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE两个接口，并 
结合类的名称，就可以实现BpInterface中的asInterface()和getInterfaceDescriptor()两个函数。 
第二部分 Binder的运作 
　　2.1 Binder的工作机制 
      Service Manager是一个守护进程，它负责启动各个进程之间的服务，对于相关的两个需要通讯的进程，它们通过调用libutil.so库实现通讯，而真正通讯的机制，是内核空间中的一块共享内存。 
      


　　2.2 从应　　用程序的角度看Binder 

　　从应用程序的角度看Binder一共有三个方面： 
　　Native 本地：例如BnABC，这是一个需要被继承和实现的类。 
　　Proxy 代理：例如BpABC，这是一个在接口框架中被实现，但是在接口中没有体现的类。 
　　客户端：例如客户端得到一个接口ABC，在调用的时候实际上被调用的是BpABC 



本地功能（Bn）部分做的： 
    实现BnABC:: BnTransact() 
    注册服务：IServiceManager：：AddService 
代理部分（Bp）做的： 
    实现几个功能函数，调用BpABC::remote()->transact() 
客户端做的： 
    获得ABC接口，然后调用接口（实际上调用了BpABC，继而通过IPC调用了BnABC，然后调用了具体的功能） 

       在程序的实现过程中BnABC和BpABC是双继承了接口ABC。一般来说BpABC是一个实现类，这个实现类不需要在接口中体现，它实际上负责的只是通讯功能，不执行具体的功能；BnABC则是一个接口类，需要一个真正工作的类来继承、实现它，这个类才是真正执行具体功能的类。 
       在客户端中，从ISeriviceManager中获得一个ABC的接口，客户端调用这个接口，实际上是在调用BpABC，而BpABC又通过Binder的IPC机制和BnABC通讯，BnABC的实现类在后面执行。 
　　事实上， 
服务器 
的具体实现和客户端是两个不同的进程，如果不考虑进程间通讯的过程，从调用者的角度，似乎客户端在直接调用另外一个进程间的函数——当然这个函数必须是接口ABC中定义的。 
　　2.3 ISericeManager的作用 

    ISericeManager涉及的两个文件是ISericeManager.h和ISericeManager.cpp。这两个文件基本上是 
ISericeManager。ISericeManager是系统最先被启动的服务。非常值得注意的是：ISericeManager本地功能并没有使 
现，它实际上由ServiceManager守护进程执行，而用户程序通过调用BpServiceManager来获得其他的服务。 
      在ISericeManager.h中定义了一个接口，用于得到默认的ISericeManager： 
        sp defaultServiceManager(); 
     这时得到的ISericeManager实际上是一个全局的ISericeManager。 
第三部分 程序中Binder的具体实现 
　　3.1 一个利用接口的具体实现 
    PermissionController也是libutils中定义的一个有关权限控制的接口，它一共包含两个文件：IPermissionController.h和IPermissionController.cpp这个结构在所有类的实现中都是类似的。 
     头文件IPermissionController.h的主要内容是定义IPermissionController接口和类BnPermissionController：

 class IPermissionController : public IInterface
 {
 public:
     DECLARE_META_INTERFACE(PermissionController);
     virtual bool   checkPermission(const String16& permission,int32_t pid, int32_t uid) = 0;
     enum {
         CHECK_PERMISSION_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION
     };
 };
 class BnPermissionController : public BnInterface
 {
 public:
     virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
                                     const Parcel& data,
                                     Parcel* reply,
                                     uint32_t flags = 0);
 };

 class IPermissionController : public IInterface
 {
 public:
     DECLARE_META_INTERFACE(PermissionController);
     virtual bool   checkPermission(const String16& permission,int32_t pid, int32_t uid) = 0;
     enum {
         CHECK_PERMISSION_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION
     };
 };
 class BnPermissionController : public BnInterface
 {
 public:
     virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
                                     const Parcel& data,
                                     Parcel* reply,
                                     uint32_t flags = 0);
 };

    IPermissionController是一个接口类，只有checkPermission()一个纯虚函数。 


BnPermissionController继承了以BnPermissionController实例化模版类BnInterface。因 
此，BnPermissionController，事实上BnPermissionController双继承了BBinder和 
IPermissionController。 
    实现文件IPermissionController.cpp中，首先实现了一个BpPermissionController。

 class BpPermissionController : public BpInterface
 {
 public:
     BpPermissionController(const sp& impl)
         : BpInterface(impl)
     {
     }
     virtual bool checkPermission(const String16& permission, int32_t pid, int32_t uid)
     {
         Parcel data, reply;
         data.writeInterfaceToken(IPermissionController::
                                        getInterfaceDescriptor());
         data.writeString16(permission);
         data.writeInt32(pid);
         data.writeInt32(uid);
         remote()->transact(CHECK_PERMISSION_TRANSACTION, data, &reply);
         if (reply.readInt32() != 0) return 0;
         return reply.readInt32() != 0;
     }
 };

 class BpPermissionController : public BpInterface
 {
 public:
     BpPermissionController(const sp& impl)
         : BpInterface(impl)
     {
     }
     virtual bool checkPermission(const String16& permission, int32_t pid, int32_t uid)
     {
         Parcel data, reply;
         data.writeInterfaceToken(IPermissionController::
                                        getInterfaceDescriptor());
         data.writeString16(permission);
         data.writeInt32(pid);
         data.writeInt32(uid);
         remote()->transact(CHECK_PERMISSION_TRANSACTION, data, &reply);
         if (reply.readInt32() != 0) return 0;
         return reply.readInt32() != 0;
     }
 };

IMPLEMENT_META_INTERFACE(PermissionController, "android.os.IPermissionController"); 


BpPermissionController继承了BpInterface，它本身是一个 
已经实现的类，而且并没有在接口中体现。这个类按照格式写就可以，在实现checkPermission()函数的过程中，使用Parcel作为传输数据 
的容器，传输中时候transact()函数，其参数需要包含枚举值CHECK_PERMISSION_TRANSACTION。 
IMPLEMENT_META_INTERFACE用于扶助生成。 
    BnPermissionController中实现的onTransact()函数如下所示：

 status_t BnPermissionController:: BnTransact(
     uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
 {
     switch(code) {
         case CHECK_PERMISSION_TRANSACTION: {
             CHECK_INTERFACE(IPermissionController, data, reply);
             String16 permission = data.readString16();
             int32_t pid = data.readInt32();
             int32_t uid = data.readInt32();
             bool res = checkPermission(permission, pid, uid);
             reply->writeInt32(0);
             reply->writeInt32(res ? 1 : 0);
             return NO_ERROR;
         } break;
         default:
             return BBinder:: BnTransact(code, data, reply, flags);
     }
 }

 status_t BnPermissionController:: BnTransact(
     uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
 {
     switch(code) {
         case CHECK_PERMISSION_TRANSACTION: {
             CHECK_INTERFACE(IPermissionController, data, reply);
             String16 permission = data.readString16();
             int32_t pid = data.readInt32();
             int32_t uid = data.readInt32();
             bool res = checkPermission(permission, pid, uid);
             reply->writeInt32(0);
             reply->writeInt32(res ? 1 : 0);
             return NO_ERROR;
         } break;
         default:
             return BBinder:: BnTransact(code, data, reply, flags);
     }
 }

     在onTransact()函数中根据枚举值判断数据使用的方式。注意，由于BnPermissionController也是继承了类 
IPermissionController，但是纯虚函数checkPermission()依然没有实现。因此这个 
BnPermissionController类并不能实例化，它其实也还是一个接口，需要一个实现类来继承它，那才是实现具体功能的类。 
　　3.2 BnABC的实现 
    本地服务启动后将形成一个守护进程，具体的本地服务是由一个实现类继承BnABC来实现的，这个服务的名称通常叫做ABC。 
    在其中，通常包含了一个instantiate()函数，这个函数一般按照如下的方式实现： 
void ABC::instantiate() { 
    defaultServiceManager()->addService( 
            String16("XXX.ABC"), new ABC ()); 
} 
    按照这种方式，通过调用defaultServiceManager()函数，将增加一个名为"XXX.ABC"的服务。 
    在这个defaultServiceManager()函数中调用了： 
ProcessState::self()->getContextObject(NULL)); 
    IPCThreadState* ipc = IPCThreadState::self(); 
   IPCThreadState::talkWithDriver() 
在ProcessState 类建立的过程中调用open_driver()打开 
驱动 
程序，在talkWithDriver()的执行过程中。 
　　3.3 BpABC调用的实现 
    BpABC调用的过程主要通过mRemote()->transact() 来传输数据，mRemote()是BpRefBase的成员，它是一个IBinder。这个调用过程如下所示： 
   

 mRemote()->transact()
     Process::self()
     IPCThreadState::self()->transact()
     writeTransactionData()
     waitForResponse()
     talkWithDriver()
     ioctl(fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr)

 mRemote()->transact()
     Process::self()
     IPCThreadState::self()->transact()
     writeTransactionData()
     waitForResponse()
     talkWithDriver()
     ioctl(fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr)

    在IPCThreadState::executeCommand()函数中，实现传输操作。