Binder整体架构
之前的文章从binder驱动层,到最终要的ServiceManager,分析了ServiceManager的启动,开启一个服务进行binder通信如何获取到ServiceManager,以及注册服务和获取服务。整个流程下来,对binder通信的理解是更深了一层。不只是觉得它浮于表面了。
上面的binder整体架构图出自一位大神之手。从图中可以看到binder在framework层,采用JNI技术来调用native(c/c++)层的binder架构,从而为上层应用程序提供服务。native层也是分为C/S架构,分为Bn(server)端和Bp(client)端,同样实现了一套IPC通信架构。
图解:
- 图中红色代表整个framework层binder架构相关组件
- Binder类代表Server端,BinderProxy类代表Client端
- 图中蓝色代表Native层Binder架构相关组件
- 上层framework层的Binder逻辑是建立在Native层架构基础之上的,核心逻辑都是交予Native层方法来处理的。
- framework层的ServiceManager类与Native层的功能并不完全对应,framework层的ServiceManager类的实现最终是通过BinderProxy传递给Native层来完成的。
Binder类图
这张图出自gityuan之手,他把framework层和Binder相关的类之间的关系都表示很清楚,主要就是Binder和ServiceManager,主要就是要去搞清楚上层和底层的Binder是如何交互的。先看看这几个类分别在干什么。
- ServiceManager:通过getIServiceManager方法获取的是ServiceManagerProxy对象;ServiceManager的addService,getService实际工作都由ServiceManagerProxy的相应方法来处理;
- ServiceManagerProxy: 其成员变量mRemote指向BinderProxy对象,ServiceManagerProxy的addService,getService方法最终是交由mRomate来完成;
- ServiceManagerNative:其方法asInterface()返回的是ServiceManagerProxy对象,ServiceManager便是借助ServiceManagerNative类来找到ServiceManagerProxy;
- Binder:其成员变量mObject和方法execTransact()用于native方法
- BinderInternal:内部有一个GcWatcher类,用于处理和调试与Binder相关的垃圾回收
- IBinder:接口常量FLAG_ONEWAY:客户端利用Binder跟服务端通信是阻塞式的,但如果设置了FLAG_ONEWAY,这成为非阻塞式的调用方式,客户端能立即返回,服务端采用回调方式来通知客户端完成情况。另外IBinder接口有一个内部接口DeathDecipient(死亡通告)
根据这几个类的作用在去源码中看看,整个Binder从Kernel至Native,JNI,Framework层到底是怎么串到一起的。
初始化
在Android系统开机过程中,Zygote启动时会有一个虚拟机注册过程,该过程调用AndroidRunntime::startReg方法来完成jni方法的注册
startReg
int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
env->PushLocalFrame(200);
//注册jni方法
if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
env->PopLocalFrame(NULL);
return -1;
}
env->PopLocalFrame(NULL);
return 0;
}
注册jni方法,其中gRegJNI是一个数组,记录所有需要注册的jni方法,其中有一项就是REG_JNI(register_android_os_Binder)。
register_android_os_Binder
int register_android_os_Binder(JNIEnv* env) {
// 注册Binder类的jni方法
if (int_register_android_os_Binder(env) < 0)
return -1;
// 注册BinderInternal类的jni方法
if (int_register_android_os_BinderInternal(env) < 0)
return -1;
// 注册BinderProxy类的jni方法
if (int_register_android_os_BinderProxy(env) < 0)
return -1;
...
return 0;
}
注册Binder
static int int_register_android_os_Binder(JNIEnv* env) {
//其中kBinderPathName = "android/os/Binder";查找kBinderPathName路径所属类
jclass clazz = FindClassOrDie(env, kBinderPathName);
//将Java层Binder类保存到mClass变量;
gBinderOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);
//将Java层execTransact()方法保存到mExecTransact变量;
gBinderOffsets.mExecTransact = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "execTransact", "(IJJI)Z");
//将Java层mObject属性保存到mObject变量
gBinderOffsets.mObject = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mObject", "J");
//注册JNI方法
return RegisterMethodsOrDie(env, kBinderPathName, gBinderMethods,
NELEM(gBinderMethods));
}
注册Binder的方法中一直在和java层的Binder打交道。把有关Binder的重要变量都保存到了gBinderOffsets中。主要有三步:
- mClass:保存java层的Binder类
- mExecTransact:保存execTransact()方法
- mObject:保存mObject属性
gBinderOffsets
gBinderOffsets是全局静态结构体,定义如下:
static struct bindernative_offsets_t
{
jclass mClass; //记录Binder类
jmethodID mExecTransact; //记录execTransact()方法
jfieldID mObject; //记录mObject属性
} gBinderOffsets;
gBinderOffsets保存了Binder.java类本身以及成员方法execTransact()和成员属性mObject,这为JNI层访问java层提供通道。另外是通过查询获取java层Binder信息后保存到gBidnerOffsets不需要每次查找binder类信息的方式大幅度提高效率。解决了每次查询需要花费较多cpu事件,用结构体保存也是一种空间换时间的方法。
去看看Binder.java中的这三个重要的竖向和方法:
//指向JavaBBinderHolder对象的原始本机指针。由此java对象拥有,不为空。
private final long mObject;
//mObject出现在Binder中
public Binder() {
mObject = getNativeBBinderHolder();//调用native层的方法
····
}
可以看出在execTransact方法中调用了onTransact方法向Binder线程池发送Parcel数据
//android_util_Binder.cpp的onTransact的入口
private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj,
int flags) {
BinderCallsStats binderCallsStats = BinderCallsStats.getInstance();
BinderCallsStats.CallSession callSession = binderCallsStats.callStarted(this, code);
Parcel data = Parcel.obtain(dataObj);
Parcel reply = Parcel.obtain(replyObj);
boolean res;
final boolean tracingEnabled = Binder.isTracingEnabled();
try {
if (tracingEnabled) {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ALWAYS, getClass().getName() + ":" + code);
}
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;
} finally {
if (tracingEnabled) {
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ALWAYS);
}
}
checkParcel(this, code, reply, "Unreasonably large binder reply buffer");
reply.recycle();
data.recycle();
StrictMode.clearGatheredViolations();
binderCallsStats.callEnded(callSession);
return res;
}
//Binder实现了IBinder,Binder是远程对象的基类,我们一般在aidl文件中继承Binder实现了自定义的RPC协议。Binder类只是一个基本的IPC原语,它对应用程序的生命周期并且在创建它的进程中运行才有效。
public class Binder implements IBinder
gBinderMethods
static const JNINativeMethod gBinderMethods[] = {
/* 名称, 签名, 函数指针 */
{ "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 }
};
RegisterMethodsOrDie()中为gBinderMethods数组中的方法建立了一一映射关系,从而为java层访问JNI层提供通道。
int_register_android_os_Binder方法的主要功能:
- 通过gBinderOffsets,保存java层Binder类的信息,为JNI层访问java层提供通道
- 通过RegisterMethodsOrDie,将gBinderMethods数组完成映射关系,从而为java层访问jni层提供通道。
也就是说该过程建立了Binder类在Native层与framework层之间相互调用的桥梁。
注册BinderInternal
static int int_register_android_os_BinderInternal(JNIEnv* env) {
//其中kBinderInternalPathName = "com/android/internal/os/BinderInternal"
jclass clazz = FindClassOrDie(env, kBinderInternalPathName);
gBinderInternalOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);
gBinderInternalOffsets.mForceGc = GetStaticMethodIDOrDie(env, clazz, "forceBinderGc", "()V");
return RegisterMethodsOrDie(
env, kBinderInternalPathName,
gBinderInternalMethods, NELEM(gBinderInternalMethods));
}
注册了BinderInternal类的jni方法,gBinderInternalOffsets保存了BinderInternal的forceBinderGC()方法。
下面是BinderInternal类的jni方法注册:
static const JNINativeMethod gBinderInternalMethods[] = {
{ "getContextObject", "()Landroid/os/IBinder;", (void*)android_os_BinderInternal_getContextObject },
{ "joinThreadPool", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_joinThreadPool },
{ "disableBackgroundScheduling", "(Z)V", (void*)android_os_BinderInternal_disableBackgroundScheduling },
{ "handleGc", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_handleGc }
};
和注册Binder非常类似,该过程建立了BinderInternal类在Native层与framework层之间的相互调用的桥梁。
注册BinderProxy
static int int_register_android_os_BinderProxy(JNIEnv* env) {
//gErrorOffsets保存了Error类信息
jclass clazz = FindClassOrDie(env, "java/lang/Error");
gErrorOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);
//gBinderProxyOffsets保存了BinderProxy类的信息
//其中kBinderProxyPathName = "android/os/BinderProxy"
clazz = FindClassOrDie(env, kBinderProxyPathName);
gBinderProxyOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);
gBinderProxyOffsets.mConstructor = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "", "()V");
gBinderProxyOffsets.mSendDeathNotice = GetStaticMethodIDOrDie(env, clazz, "sendDeathNotice", "(Landroid/os/IBinder$DeathRecipient;)V");
gBinderProxyOffsets.mObject = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mObject", "J");
gBinderProxyOffsets.mSelf = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mSelf", "Ljava/lang/ref/WeakReference;");
gBinderProxyOffsets.mOrgue = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mOrgue", "J");
//gClassOffsets保存了Class.getName()方法
clazz = FindClassOrDie(env, "java/lang/Class");
gClassOffsets.mGetName = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "getName", "()Ljava/lang/String;");
return RegisterMethodsOrDie(
env, kBinderProxyPathName,
gBinderProxyMethods, NELEM(gBinderProxyMethods));
}
注册BinderProxy类的jni方法,gBinderProxyOffsets保存了BinderProxy的构造方法,sendDeathNotice(),mObject,mSelf,mOrgue信息。
BinderProxy类在Binder类中,是本地IBinder对象的java代理,由本地javaObjectforIBinder函数分配构造。BinderProxy类中还有一个静态不可变的内部类ProxyMap,将BinderProxy作为弱引用对象放入ArrayList集合。
这里也是建立了BinderProxy类在Native层与framework层之间相互调用的桥梁。
注册服务
SM.addService
public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) {
try {
//先获取SMP对象,则执行注册服务操作
getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated);
} catch (RemoteException e) {
Log.e(TAG, "error in addService", e);
}
}
getIServiceManager
private static IServiceManager getIServiceManager() {
if (sServiceManager != null) {
return sServiceManager;
}
//这里调用了ServiceManagerNative获取sServiceManager
sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());
return sServiceManager;
}
采用单例模式获取ServiceManager getIServiceManager()返回的是ServiceManagerProxy对象
getContextObject
static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
sp b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
return javaObjectForIBinder(env, b);
}
BinderInternal.java中有一个native方法getContextObject(),JNI调用执行上述方法。
这里有个熟悉的ProcessState::self()->getContextObject()在分析获取ServiceManager的时候调用过,就相当于是new BpBinder(0)
javaObjectForIBinder
object javaObjectForIBinder(JNIEnv* env, const sp& val) {
if (val == NULL) return NULL;
if (val->checkSubclass(&gBinderOffsets)) { //返回false
jobject object = static_cast(val.get())->object();
return object;
}
AutoMutex _l(mProxyLock);
jobject object = (jobject)val->findObject(&gBinderProxyOffsets);
if (object != NULL) { //第一次object为null
jobject res = jniGetReferent(env, object);
if (res != NULL) {
return res;
}
android_atomic_dec(&gNumProxyRefs);
val->detachObject(&gBinderProxyOffsets);
env->DeleteGlobalRef(object);
}
//创建BinderProxy对象
object = env->NewObject(gBinderProxyOffsets.mClass, gBinderProxyOffsets.mConstructor);
if (object != NULL) {
//BinderProxy.mObject成员变量记录BpBinder对象
env->SetLongField(object, gBinderProxyOffsets.mObject, (jlong)val.get());
val->incStrong((void*)javaObjectForIBinder);
jobject refObject = env->NewGlobalRef(
env->GetObjectField(object, gBinderProxyOffsets.mSelf));
//将BinderProxy对象信息附加到BpBinder的成员变量mObjects中
val->attachObject(&gBinderProxyOffsets, refObject,
jnienv_to_javavm(env), proxy_cleanup);
sp drl = new DeathRecipientList;
drl->incStrong((void*)javaObjectForIBinder);
//BinderProxy.mOrgue成员变量记录死亡通知对象
env->SetLongField(object, gBinderProxyOffsets.mOrgue, reinterpret_cast(drl.get()));
android_atomic_inc(&gNumProxyRefs);
incRefsCreated(env);
}
return object;
}
这个方法中出现了重要的BinderPrody对象。根据BpBinder(c++)生成BinderProxy(java)对象,并把BpBinder对象地址保存到BinderProxy.mObject成员变量。可以知道:
ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject())
等价于
ServiceManagerNative.asInterface(new BinderProxy());
SMN.asInterface
static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)
{
if (obj == null) { //obj为BpBinder
return null;
}
//由于obj为BpBinder,该方法默认返回null
IServiceManager in = (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
if (in != null) {
return in;
}
return new ServiceManagerProxy(obj);
}
这里可以知道ServiceManagerNative.asInterface(new BinderProxy())等价于ServiceManagerProxy(new BinderProxy)
ServiceManagerProxy初始化
class ServiceManagerProxy implements IServiceManager {
public ServiceManagerProxy(IBinder remote) {
mRemote = remote;
}
}
mRemote为BinderProxy对象,该BinderProxy对象对应于BpBinder(0),其作为Binder代理端,指向Native层大管家SerivceManager。
可以说ServiceManager.getIServiceManager == new ServiceManagerProxy(new BinderProxy()),也就意味着getIServiceManager.addService == ServiceManagerProxy.addService()
总结
- framework层的ServiceManager的调用实际上是交给了ServiceManagerProxy的成员变量BinderProxy;
- BinderProxy通过jni方式,最终会调用BpBinder对象。
说明上层binder架构的核心功能依赖native架构。
SMP.addService
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为BinderProxy
mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
reply.recycle();
data.recycle();
}
这段代码有一种很熟悉的感觉,在写aidl的文件中Proxy代理类中就这样包装数据,并调用transact()方法发送数据。
writeStrongBinder
public writeStrongBinder(IBinder val){
//此处为Native调用
nativewriteStrongBinder(mNativePtr, val);
}
android_os_Parcel_writeStrongBinder
static void android_os_Parcel_writeStrongBinder(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong nativePtr, jobject object) {
//将java层Parcel转换为native层Parcel
Parcel* parcel = reinterpret_cast(nativePtr);
if (parcel != NULL) {
const status_t err = parcel->writeStrongBinder(ibinderForJavaObject(env, object));
if (err != NO_ERROR) {
signalExceptionForError(env, clazz, err);
}
}
}
ibinderForJavaObject
sp ibinderForJavaObject(JNIEnv* env, jobject obj)
{
if (obj == NULL) return NULL;
//Java层的Binder对象
if (env->IsInstanceOf(obj, gBinderOffsets.mClass)) {
JavaBBinderHolder* jbh = (JavaBBinderHolder*)
env->GetLongField(obj, gBinderOffsets.mObject);
return jbh != NULL ? jbh->get(env, obj) : NULL;
}
//Java层的BinderProxy对象
if (env->IsInstanceOf(obj, gBinderProxyOffsets.mClass)) {
return (IBinder*)env->GetLongField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);
}
return NULL;
}
根据Binder(java)生成JavaBBinderHolder(C++)对象。主要工作是创建JavaBBinderHolder对象,并把JavaBBinderHolder对象地址保存到Binder.mObject成员变量。
JavaBBinderHolder.get()
sp get(JNIEnv* env, jobject obj)
{
AutoMutex _l(mLock);
sp b = mBinder.promote();
if (b == NULL) {
//首次进来,创建JavaBBinder对象
b = new JavaBBinder(env, obj);
mBinder = b;
}
return b;
}
JavaBBinderHolder有一个成员变量mBinder,保存当前创建的JavaBBinder对象,这是一个弱引用类型的,可能会被垃圾回收器给回收,所以每次使用前都需要判断是否存在。
JavaBBinder初始化
JavaBBinder(JNIEnv* env, jobject object)
: mVM(jnienv_to_javavm(env)), mObject(env->NewGlobalRef(object))
{
android_atomic_inc(&gNumLocalRefs);
incRefsCreated(env);
}
创建JavaBBinder,该对象继承于BBinder对象。
data.writeStrongBinder(service)等价于parcel->writeStrongBinder(new JavaBinder(env,obj));
writeStrongBinder(C++)
status_t Parcel::writeStrongBinder(const sp& val)
{
return flatten_binder(ProcessState::self(), val, this);
}
flatten_binder
status_t flatten_binder(const sp& /*proc*/,
const sp& binder, Parcel* out)
{
flat_binder_object obj;
obj.flags = 0x7f | FLAT_BINDER_FLAG_ACCEPTS_FDS;
if (binder != NULL) {
IBinder *local = binder->localBinder();
if (!local) {
BpBinder *proxy = binder->remoteBinder();
const int32_t handle = proxy ? proxy->handle() : 0;
obj.type = BINDER_TYPE_HANDLE; //远程Binder
obj.binder = 0;
obj.handle = handle;
obj.cookie = 0;
} else {
obj.type = BINDER_TYPE_BINDER; //本地Binder,进入该分支
obj.binder = reinterpret_cast(local->getWeakRefs());
obj.cookie = reinterpret_cast(local);
}
} else {
obj.type = BINDER_TYPE_BINDER; //本地Binder
obj.binder = 0;
obj.cookie = 0;
}
return finish_flatten_binder(binder, obj, out);
}
将Binder对象扁平化,转成flat_binder_object对象。
- 对于Binder实体,则cookie记录Binder实体指针;
- 对于Binder代理,则用handle记录Binder代理的句柄。
BinderProxy.transact
回到mRemote.transact方法
public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
//用于检测Parcel大小是否大于800k
Binder.checkParcel(this, code, data, "Unreasonably large binder buffer");
return transactNative(code, data, reply, flags);
}
mRemote是BinderProxy。transactNative经过jni调用,进入下面的方法
android_os_BinderProxy_transact
static jboolean android_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,
jint code, jobject dataObj, jobject replyObj, jint flags)
{
...
//java Parcel转为native Parcel
Parcel* data = parcelForJavaObject(env, dataObj);
Parcel* reply = parcelForJavaObject(env, replyObj);
...
//gBinderProxyOffsets.mObject中保存的是new BpBinder(0)对象
IBinder* target = (IBinder*)
env->GetLongField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);
...
//此处便是BpBinder::transact(), 经过native层,进入Binder驱动程序
status_t err = target->transact(code, *data, reply, flags);
...
return JNI_FALSE;
}
java层的BinderProxy.transact()最终交由Native层的BpBinder::transact()完成。
小结:
addService核心过程:
public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) throws RemoteException {
...
Parcel data = Parcel.obtain(); //此处还需要将java层的Parcel转为Native层的Parcel
data->writeStrongBinder(new JavaBBinder(env, obj));
BpBinder::transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, *data, reply, 0); //与Binder驱动交互
...
}
注册服务过程就是通过BpBinder来发送ADD_SERVICE_TRANSACTION命令,与实现与binder驱动进行数据交互。
参考资料
Binder系列7——framework层分析