Android 进阶——Binder IPC之Binder IPC架构及原理概述（九）
文章大纲
- 引言
- 一、Binder IPC 基础架构
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- 1、Binder IPC核心角色
- 2、Binder IPC的数据流
- 二、Binder IPC 协议通信流程
- 三、Binder IPC 核心角色详解
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- 1、Server 进程及Server 组件
- 2、Client进程及Client组件
- 3、Service Manager 与实名 Binder
- 4、Binder 驱动
- 四、Binder 通信过程
- 七、开发使用Binder
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- 1、注册服务
- 2、获取服务
- 3、使用服务
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- 3.1、Client进程将参数（整数a和b）发送到Server进程
- 3.2、Server进程根据Client进程要求调用目标方法（即加法函数）
- 3.3、Server进程将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程
引言
前面几篇文章，为我们学习Binder IPC通信机制提供了扎实的理论基础，接下来将正式进入Binder IPC通信架构及原理的解读。
一、Binder IPC 基础架构
Binder 是基于 C/S 架构的，由一系列的组件组成，包括 Client进程、Server进程、Service Manager进程、Binder 驱动。其中 Client进程、Server进程、Service Manager进程运行在用户空间，互相隔离，而Binder 驱动运行在内核空间。因此Client进程、Server进程、Service Manager 进程间的交互必须通过Binder驱动（系统调用 open、mmap 和 ioctl 函数来访问设备文件 /dev/binder，实现与 Binder 驱动的交互来间接的实现跨进程通信），而非直接交互的原因是，**因为Client进程、Server进程、Service Manager进程属于进程空间的用户空间，不可进行进程间交互，而Binder驱动属于进程空间的内核空间，可进行进程间(进程内)直接交互。**Binder IPC中的每一个Client、Server进程都各自独立维护着一个Binder线程池来处理IPC请求，因此Server、Client 进程都可以并发地发出IPC请求和响应IPC请求。
Server Manager进程与Binder驱动的交互也是通过Binder实现的。
1、Binder IPC核心角色
由上图可知Binder IPC 主要参与角色有五种：
| 角色 | 说明 | 参与对象 |
|---|---|---|
| Client进程 | Binder服务的使用者 | Binder 代理对象 |
| Server进程 | Binder服务的供应商 | Binder本地对象 |
| Service Manager进程 | Binder服务的管理者，负责把Binder的名称到引用对象的转换，类似DNS的功能 | \ |
| Binder驱动 | 实现各种Binder的底层交互和管理，类似路由器。 | Binder实体对象、Binder引用对象（实体的引用） |
Server 进程启动时主动向Binder驱动发起注册自己的Service组件IPC请求，然后Binder驱动响应IPC请求并转发该请求给Service Manager进程，再由Service Manager进程注册管理该Service 组件，于是Service Manager进程拥有了对应Server进程的信息（即完成了服务注册）。当Client 进程向Service Manager进程发起携带服务唯一标识的获取服务IPC请求时，再次由Binder驱动响应并转发给Service Manager进程，Service Manager进程根据注册信息找到对应的服务对象，交由Binder驱动返回给Client。
2、Binder IPC的数据流
二、Binder IPC 协议通信流程
Client进程和Server进程的一次IPC 流程可以从整体通信上分为五个步骤：
| 步骤 | 说明 |
|---|---|
| 1 | Client 将通信数据封装为Parcel对象并传递到Binder驱动 |
| 2 | Client向Binder驱动发送BC_TRANSACTION_COMPLETE协议，Binder驱动根据协议内容找到目标Server进程后回复一个BR_TRANSACTION_COMPLETE告知Client其通信请求已被接受，Client接到BR_TRANSACTION_COMPLETE并处理后，会再次进入到Binder驱动程序中等待Server进程的响应结果 |
| 3 | Binder驱动在给Client回复一个BR_TRANSACTION_COMPLETE的同时，向目标Server进程发送一个BR_TRANSACTION返回协议，请求目标Server进程处理这个IPC请求 |
| 4 | Server进程接受BR_TRANSACTION并处理后，给驱动回复一个BC_REPLY协议，驱动根据协议内容找到目标Client进程后再次向Server进程发送一个BR_TRANSACTION_COMPLETE返回协议，告知Server已接到返回的相应结果，Server接到并处理了BR_TRANSACTION_COMPLETE协议后，一次IPC流程就结束了，接着会重新进入到驱动程序中等待下一次IPC请求 |
| 5 | Binder驱动在给Server进程发送BR_TRANSACTION_COMPLETE的同时，也会向目标Client进程发送一个BR_REPLY返回协议，代表Server进程已经处理完成IPC请求了并将结果返回给Client |
从具体对象来看，一次Binder IPC （即Binder库 与 Binder 驱动的交互）需要至少五种核心对象参与：BpBinder、BBinder、Binder实体对象、Binder代理对象、Binder驱动程序。核心流程为BpBinder——>Binder引用对象——>Binder实体对象——>BBinder——>Binder 事务
| 步骤 | 说明 |
|---|---|
| 1 | Client进程里的Binder代理对象在向Binder驱动中的Binder引用对象发起IPC请求，Binder驱动根据Client进程传入过来的Binder 代理对象的句柄值（BpBinder中的mHandle）找到目标Binder引用对象。 |
| 2 | Binder驱动再根据Binder引用对象寻找对应的Binder实体对象并创建一个Binder事务，封装此次IPC请求。 |
| 3 | Binder驱动在根据Binder实体对象找到运行在Server进程的Binder本地对象，将Client进程发送的IPC请求携带的数据交给Binder本地对象处理。 |
| 4 | Binder本地对象在Server进程继续处理IPC请求，处理完成后将结果返回到Binder驱动，Binder驱动把结果封装到步骤2创建的Binder事务中。 |
| 5 | Binder 驱动最后根据Binder事务的相关属性，找到发出IPC请求的Client进程，并通知Client进程把结果返回给Binder代理对象处理。 |
在浏览器输入一个域名地址http://www.xxx.com 按下回车后，因为不能直接通过域名找到目标服务器，接着访问 DNS 域名服务器（保存了域名和IP的映射）筛选出目标服务器，然后通过这个 ip 地址才能放到到 http://www.xxx.com 对应的服务器。
三、Binder IPC 核心角色详解
1、Server 进程及Server 组件
Server 进程运行于进程空间内的用户空间，作为Binder服务的供应商，Server组件启动时通过Binder驱动主动把自己注册到Server Manager进程之中（即主动建立binder服务名称和Binder引用对象的映射），方便Client随时通过Server Manager进程获取相应的Binder代理对象进而得到使用其服务提供的能力。
同一个Server进程可以同时运行多个Server组件（即提供Binder服务的代码模块），同一个Client进程也可以同时向多个Server 组件发起IPC 请求，每一个请求对应一个Client组件（或者成为Server代理），
2、Client进程及Client组件
Client进程是Binder服务的使用者，使用时通过Service Manager 进程通信获取Binder（本地对象的）代理对象，通过Binder代理对象经过Binder驱动去向Server进程发起IPC请求。
3、Service Manager 与实名 Binder
运行于用户空间的Service Manager守护进程是提供Binder服务的查询功能，根据注册时的Binder服务名称就能返回其对应的Binder引用对象，对于Binder服务通常是有一个唯一的字符串名称，主要想Servive Manager 注册了，应用就可以通过这个字符串名称来得到对应的Binder 引用对象，而Service Manager进程也是通过Binder IPC与其他进程进行通信的，至于实现细节后续再表，其作用就类似于DNS功能。
4、Binder 驱动
**Binder 驱动运行于内核空间，是整个Binder IPC的核心（由Android系统内核实现），Binder驱动实现open、mmap和ioctl系统调用，完成内核空间和用户空间缓存的映射以及对缓存和Server组件的管理。**包括不限于负责进程之间 Binder 通信的建立，Binder 在进程之间的传递，Binder对象生命周期管理（采用引用计数计数），数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持，类似网络通信中路由器的功能。Server进程与Client进程的通信都需要依赖Binder驱动间接完成，Binder驱动抽象了一个虚拟设备文件dev/binder/并向用户空间暴露，使得应用程序进程可以通过它间接建立通信通道。
四、Binder 通信过程
BC_XXX代表用户空间的进程发送给Binder驱动的命令，而BR_XXX是Binder驱动返回给用户空间进程的命令。
至此，我们大致能总结出 Binder 通信过程：
- 首先，一个进程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令通过 Binder 驱动将自己注册成为 ServiceManager；
- Server 通过驱动向 ServiceManager 中注册 Binder（Server 中的 Binder 实体），表明可以对外提供服务。驱动为这个 Binder 创建位于内核中的实体节点以及 ServiceManager 对实体的引用，将名字以及新建的引用打包传给 ServiceManager，ServiceManger 将其填入查找表。
- Client 通过名字，在 Binder 驱动的帮助下从 ServiceManager 中获取到对 Binder 实体的引用，通过这个引用就能实现和 Server 进程的通信。
我们看到整个通信过程都需要 Binder 驱动的接入。下图能更加直观的展现整个通信过程(为了进一步抽象通信过程以及呈现上的方便，下图我们忽略了 Binder 实体及其引用的概念)：
Binder驱动，通过虚拟出的物理设备(/dev/binder)，连接Service进程、Client进程与Service Manager进程
七、开发使用Binder
Binder驱动、Service Manager进程属于Android基础架构是系统已经实现的，Client进程、Server 进程属于Android应用层需要开发者自己实现。跨进程通信时，开发者只需自定义Client、Server进程并显式使用上述3个步骤(注册服务，获取服务，使用服务)，最终借助Android的基本架构功能就可完成进程间通信。
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Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类，其实现了IBinder接口
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用一个应用Binder的实例来介绍怎么显式使用注册服务，获取服务，使用服务完成进程间通讯
以 Client进程通过Server进程实现加法函数(两个整数相加) 为例
- Client进程将两个整数传给Server进程
- Server进程将相加之后的结果返回给Client进程
1、注册服务
Server进程通过Binder驱动向ServiceManager进程注册服务
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
sp<CalcService> service = new CalcService();
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
sm->addService(“CalcService”, service);
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
- ProcessState::self()调用ProcessState的构造函数，创建一个实例，该操作打开binder驱动，并进行mmap函数，映射出binder驱动对应的映射内存缓冲区
- 创建CalcService实例，加法函数是CalcService的一个方法
- 获取一个ServiceManager对象BpServiceManager
- 调用BpServiceManager的addService方法，将服务(CalcService)注册到Service Manager
- 创建线程池并加入线程池，执行主线程和工作线程
- 注册服务后，Binder驱动持有 Server进程创建的Binder实体
2、获取服务
Client进程使用某个service前（此处是CalcService），需通过Binder驱动向ServiceManager进程获取相应的Service信息
sp sm = defaultServiceManager();
sp binder = sm->getService(“CalcService”);
sp calcService = interface_cast (binder);
- 获取一个ServiceManager对象BpServiceManager
- 调用BpServiceManager的getService方法，根据服务名(“CalcService”)获取到ServiceManager管理的IBinder
- 通过interface_cast调用asInterface()函数，返回IBinder的客户端，通过该客户端与服务端通讯。此时Client进程与Server进程创建了连接
3、使用服务
Client进程根据获取到的Service信息（Binder代理对象），通过Binder驱动建立与该Service所在Server进程通信的链路，并开始使用服务
3.1、Client进程将参数（整数a和b）发送到Server进程
status_t myAdd(int a, int b, String8& result)
{
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken("CalcService");
data.writeInt(a);
data.writeInt(b);
remote()->transact(CALC_ADD, data, &reply);
//status_t ret = reply.readInt32();
//String8 tempResult = reply.readString8();
//result.setTo(tempResult);
//return ret;
}
目标参数与接口标识赋值，调用代理对象BpInterface的transact（） 将上述数据发送到Binder驱动
transact(CALC_ADD, data, reply, 0)
// 参数说明：
// 1. CALC_ADD：目标方法的标识符（Client进程和Server进程自身约定，可为任意）
// 2. data ：上述的Parcel对象
// 3. reply：返回结果
// 0：可不管
// 注：在发送数据后，Client进程的该线程会暂时被挂起,若Server进程执行的耗时操作，请不要使用主线程，以防止ANR
Binder驱动根据代理对象找到对应的真身Binder对象所在的Server 进程（系统自动执行），Binder驱动把数据发送到Server进程中，并通知Server 进程执行解包（系统自动执行）
3.2、Server进程根据Client进程要求调用目标方法（即加法函数）
收到Binder驱动通知后，Server 进程通过回调Binder对象onTransact（）进行数据解包 & 调用目标方法
status_t BnCalcService::onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
// code即在transact（）中约定的目标方法的标识符
switch (code) {
case CALC_ADD： {
String8 tempResult;
//获得目标方法的参数
int arg0 = data.readInt();
int arg1 = data.readInt();
//调用服务端方法进行计算
status_t ret = myAdd(arg0, arg1, tempResult);
//将计算结果写入到reply返回
reply->writeInt32(ret);
reply->writeString8(tempResult);
return NO_ERROR;
}
}
}
将结算结果返回到Binder驱动
3.3、Server进程将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程
- Binder驱动根据 代理对象 沿原路 将结果返回 并通知Client进程获取返回结果
- 通过代理对象 接收结果（之前被挂起的线程被唤醒）
status_t ret = reply.readInt32();
String8 tempResult = reply.readString8();
result.setTo(tempResult);