Android跨进程通信:Binder机制原理

目录

1. Binder到底是什么?

2. 知识储备

2.1 进程空间划分

2.2 进程隔离 & 跨进程通信( IPC )

2.3 内存映射

2.3.1 作用

2.3.2 实现过程

2.3.3 特点

2.3.4 应用场景

2.3.5 实例讲解

① 文件读 / 写操作

② 跨进程通信

3. Binder 跨进程通信机制 模型

3.1 模型原理图

3.2 模型组成角色说明

3.3 模型原理步骤说明

3.4 额外说明

4. Binder机制 在Android中的具体实现原理

步骤1:注册服务

步骤2:获取服务

步骤3:使用服务

步骤1: Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程

步骤2:Server进程根据Client进要求 调用 目标方法(即加法函数)

步骤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

5. 优点


1. Binder到底是什么?

网上有很多对Binder的定义:Binder是跨进程通信方式、它实现了IBinder接口,是连接 ServiceManager的桥

我认为:对于Binder的定义,在不同场景下其定义不同

Android跨进程通信:Binder机制原理_第1张图片

在本文的讲解中,按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder,即:

先从机制、模型的角度去分析整个Binder跨进程通信机制的模型,其中,会详细分析模型组成中的 Binder驱动

再从源码实现角度,分析 Binder在 Android中的具体实现,从而全方位地介绍 Binder。

2. 知识储备

在讲解Binder前,我们先了解一些Linux的基础知识

2.1 进程空间划分

一个进程空间分为 用户空间 & 内核空间(Kernel),即把进程内 用户 & 内核 隔离开来

二者区别:

  1. 进程间,用户空间的数据不可共享,所以用户空间 = 不可共享空间
  2. 进程间,内核空间的数据可共享,所以内核空间 = 可共享空间

所有进程共用1个内核空间

进程内 用户空间 & 内核空间 进行交互 需通过 系统调用,主要通过函数:

  1. copy_from_user():将用户空间的数据拷贝到内核空间
  2. copy_to_user():将内核空间的数据拷贝到用户空间

Android跨进程通信:Binder机制原理_第2张图片

2.2 进程隔离 & 跨进程通信( IPC )

  • 进程隔离
    为了保证 安全性 & 独立性,一个进程 不能直接操作或者访问另一个进程,即Android的进程是相互独立、隔离的
  • 跨进程通信( IPC )
    即进程间需进行数据交互、通信
  • 跨进程通信的基本原理

Android跨进程通信:Binder机制原理_第3张图片

a. 而Binder的作用则是:连接 两个进程,实现了mmap()系统调用,主要负责 创建数据接收的缓存空间 & 管理数据接收缓存
b. 注:传统的跨进程通信需拷贝数据2次,但Binder机制只需1次,主要是使用到了内存映射,具体下面会详细说明

2.3 内存映射

  • 内存映射 在 Linux操作系统中非常重要,因为其涉及到高效的跨进程通信 & 文件操作

关联进程中的1个虚拟内存区域 & 1个磁盘上的对象,使得二者存在映射关系

  1. 上述的映射过程 = 初始化该虚拟内存区域
  2. 虚拟内存区域被初始化后,就会在交换空间中换你来还去
  3. 被映射的对象称为:共享对象(普通文件 / 匿名文件)

2.3.1 作用

若存在上述映射关系,则具备以下特征

  • 在多个进程的虚拟内存区域 已和同1个共享对象 建立映射关系的前提下
  • 若 其中1个进程对该虚拟区域进行写操作
  • 那么,对于 也把该共享对象映射到其自身虚拟内存区域的进程 也是可见的

示意图如下

  1. 假设进程1、2的虚拟内存区域同时映射到同1个共享对象;
  2. 当进程1对其虚拟内存区域进行写操作时,也会映射到进程2中的虚拟内存区域


 

Android跨进程通信:Binder机制原理_第4张图片

2.3.2 实现过程

  • 内存映射的实现过程主要是通过Linux系统下的系统调用函数:mmap()
  • 该函数的作用 = 创建虚拟内存区域 + 与共享对象建立映射关系
  • 其函数原型、具体使用 & 内部流程 如下
/**
  * 函数原型
  */
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

/**
  * 具体使用(用户进程调用mmap())
  * 下述代码即常见了一片大小 = MAP_SIZE的接收缓存区 & 关联到共享对象中(即建立映射)
  */
  mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);

/**
  * 内部原理
  * 步骤1:创建虚拟内存区域
  * 步骤2:实现地址映射关系,即:进程的虚拟地址空间 ->> 共享对象
  * 注: 
  *    a. 此时,该虚拟地址并没有任何数据关联到文件中,仅仅只是建立映射关系
  *    b. 当其中1个进程对虚拟内存写入数据时,则真正实现了数据的可见
  */

2.3.3 特点

  • 提高数据的读、写 & 传输的时间性能
    1. 减少了数据拷贝次数
    2. 用户空间 & 内核空间的高效交互(通过映射的区域 直接交互)
    3. 用内存读写 代替 I/O读写
  • 提高内存利用率:通过虚拟内存 & 共享对象

2.3.4 应用场景

在Linux系统下,根据内存映射的本质原理 & 特点,其应用场景在于:

  1. 实现内存共享:如 跨进程通信
  2. 提高数据读 / 写效率 :如 文件读 / 写操作

2.3.5 实例讲解

下面,我将详细讲解 内存映射应用在跨进程通信 & 文件操作的实例

① 文件读 / 写操作
  • 传统的Linux系统文件操作流程如下

Android跨进程通信:Binder机制原理_第5张图片

  • 使用了内存映射的 文件读 / 写 操作

Android跨进程通信:Binder机制原理_第6张图片


从上面可看出:使用了内存映射的文件读/写 操作方式效率更加高、性能最好!

② 跨进程通信
  • 传统的跨进程通信

Android跨进程通信:Binder机制原理_第7张图片

  • 使用了内存映射的 跨进程通信

Android跨进程通信:Binder机制原理_第8张图片



从上面可看出:使用了内存映射的跨进程通信 效率最高、性能最好!

3. Binder 跨进程通信机制模型

3.1 模型原理图

Binder 跨进程通信机制 模型 基于 Client - Server 模式

Android跨进程通信:Binder机制原理_第9张图片

3.2 模型组成角色说明

Android跨进程通信:Binder机制原理_第10张图片

此处重点讲解 Binder驱动的作用 & 原理:

  • 简介

Android跨进程通信:Binder机制原理_第11张图片

  • 跨进程通信的核心原理

Android跨进程通信:Binder机制原理_第12张图片

Android跨进程通信:Binder机制原理_第13张图片

3.3 模型原理步骤说明

Android跨进程通信:Binder机制原理_第14张图片

3.4 额外说明

说明1:Client进程、Server进程 & Service Manager 进程之间的交互 都必须通过Binder驱动(使用 openioctl文件操作函数),而非直接交互

原因:

  1. 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
  2. Binder驱动 属于 进程空间的 内核空间,可进行进程间 & 进程内交互

所以,原理图可表示为以下:

虚线表示并非直接交互

Android跨进程通信:Binder机制原理_第15张图片


说明2: Binder驱动 & Service Manager进程 属于 Android基础架构(即系统已经实现好了);而Client 进程 和 Server 进程 属于Android应用层(需要开发者自己实现)

所以,在进行跨进程通信时,开发者只需自定义Client & Server 进程 并 显式使用上述3个步骤,最终借助 Android的基本架构功能就可完成进程间通信

Android跨进程通信:Binder机制原理_第16张图片

说明3:Binder请求的线程管理

  • Server进程会创建很多线程来处理Binder请求
  • Binder模型的线程管理 采用Binder驱动的线程池,并由Binder驱动自身进行管理

而不是由Server进程来管理的

  • 一个进程的Binder线程数默认最大是16,超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。

所以,在进程间通信时处理并发问题时,如使用ContentProvider时,它的CRUD(创建、检索、更新和删除)方法只能同时有16个线程同时工作

  • 至此,我相信大家对Binder 跨进程通信机制 模型 已经有了一个非常清晰的定性认识
  • 下面,我将通过一个实例,分析Binder跨进程通信机制 模型在 Android中的具体代码实现方式

即分析 上述步骤在Android中具体是用代码如何实现的

4. Binder机制 在Android中的具体实现原理

  • Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类,其实现了IBinder 接口,下面会详讲
  • 实例说明:Client进程 需要调用 Server进程的加法函数(将整数a和b相加)

即:

  1. Client进程 需要传两个整数给 Server进程
  2. Server进程 需要把相加后的结果 返回给Client进程
  • 具体步骤
    下面,我会根据Binder 跨进程通信机制 模型的步骤进行分析

步骤1:注册服务

  • 过程描述
    Server进程 通过Binder驱动 向 Service Manager进程 注册服务
  • 代码实现
    Server进程 创建 一个 Binder 对象
  1. Binder 实体是 Server进程 在 Binder 驱动中的存在形式
  2. 该对象保存 Server 和 ServiceManager 的信息(保存在内核空间中)
  3. Binder 驱动通过 内核空间的Binder 实体 找到用户空间的Server对象
  • 代码分析
    
    Binder binder = new Stub();
    // 步骤1:创建Binder对象 ->>分析1

    // 步骤2:创建 IInterface 接口类 的匿名类
    // 创建前,需要预先定义 继承了IInterface 接口的接口 -->分析3
    IInterface plus = new IPlus(){

          // 确定Client进程需要调用的方法
          public int add(int a,int b) {
               return a+b;
         }

          // 实现IInterface接口中唯一的方法
          public IBinder asBinder(){ 
                return null ;
           }
};
          // 步骤3
          binder.attachInterface(plus,"add two int");
         // 1. 将(add two int,plus)作为(key,value)对存入到Binder对象中的一个Map对象中
         // 2. 之后,Binder对象 可根据add two int通过queryLocalIInterface()获得对应IInterface对象(即plus)的引用,可依靠该引用完成对请求方法的调用
        // 分析完毕,跳出


<-- 分析1:Stub类 -->
    public class Stub extends Binder {
    // 继承自Binder类 ->>分析2

          // 复写onTransact()
          @Override
          boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
          // 具体逻辑等到步骤3再具体讲解,此处先跳过
          switch (code) { 
                case Stub.add: { 

                       data.enforceInterface("add two int"); 

                       int  arg0  = data.readInt();
                       int  arg1  = data.readInt();

                       int  result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0,  arg1); 

                        reply.writeInt(result); 

                        return true; 
                  }
           } 
      return super.onTransact(code, data, reply, flags); 

}
// 回到上面的步骤1,继续看步骤2

<-- 分析2:Binder 类 -->
 public class Binder implement IBinder{
    // Binder机制在Android中的实现主要依靠的是Binder类,其实现了IBinder接口
    // IBinder接口:定义了远程操作对象的基本接口,代表了一种跨进程传输的能力
    // 系统会为每个实现了IBinder接口的对象提供跨进程传输能力
    // 即Binder类对象具备了跨进程传输的能力

        void attachInterface(IInterface plus, String descriptor);
        // 作用:
          // 1. 将(descriptor,plus)作为(key,value)对存入到Binder对象中的一个Map对象中
          // 2. 之后,Binder对象 可根据descriptor通过queryLocalIInterface()获得对应IInterface对象(即plus)的引用,可依靠该引用完成对请求方法的调用

        IInterface queryLocalInterface(Stringdescriptor) ;
        // 作用:根据 参数 descriptor 查找相应的IInterface对象(即plus引用)

        boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags);
        // 定义:继承自IBinder接口的
        // 作用:执行Client进程所请求的目标方法(子类需要复写)
        // 参数说明:
        // code:Client进程请求方法标识符。即Server进程根据该标识确定所请求的目标方法
        // data:目标方法的参数。(Client进程传进来的,此处就是整数a和b)
        // reply:目标方法执行后的结果(返回给Client进程)
         // 注:运行在Server进程的Binder线程池中;当Client进程发起远程请求时,远程请求会要求系统底层执行回调该方法

        final class BinderProxy implements IBinder {
         // 即Server进程创建的Binder对象的代理对象类
         // 该类属于Binder的内部类
        }
        // 回到分析1原处
}

<-- 分析3:IInterface接口实现类 -->

 public interface IPlus extends IInterface {
          // 继承自IInterface接口->>分析4
          // 定义需要实现的接口方法,即Client进程需要调用的方法
         public int add(int a,int b);
// 返回步骤2
}

<-- 分析4:IInterface接口类 -->
// 进程间通信定义的通用接口
// 通过定义接口,然后再服务端实现接口、客户端调用接口,就可实现跨进程通信。
public interface IInterface
{
    // 只有一个方法:返回当前接口关联的 Binder 对象。
    public IBinder asBinder();
}
  // 回到分析3原处

注册服务后,Binder驱动持有 Server进程创建的Binder实体

步骤2:获取服务

  • Client进程 使用 某个 service前(此处是 相加函数),须 通过Binder驱动 向 ServiceManager进程 获取相应的Service信息
  • 具体代码实现过程如下:

Android跨进程通信:Binder机制原理_第17张图片


此时,Client进程与 Server进程已经建立了连接

步骤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

  • 过程描述
    1. Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程
    2. Server进程 根据Client进程要求调用 目标方法(即加法函数)
    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
  • 代码实现过程

步骤1: Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程

// 1. Client进程 将需要传送的数据写入到Parcel对象中
// data = 数据 = 目标方法的参数(Client进程传进来的,此处就是整数a和b) + IInterface接口对象的标识符descriptor
  android.os.Parcel data = android.os.Parcel.obtain();
  data.writeInt(a); 
  data.writeInt(b); 

  data.writeInterfaceToken("add two int");;
  // 方法对象标识符让Server进程在Binder对象中根据"add two int"通过queryLocalIInterface()查找相应的IInterface对象(即Server创建的plus),Client进程需要调用的相加方法就在该对象中

  android.os.Parcel reply = android.os.Parcel.obtain();
  // reply:目标方法执行后的结果(此处是相加后的结果)

// 2. 通过 调用代理对象的transact() 将 上述数据发送到Binder驱动
  binderproxy.transact(Stub.add, data, reply, 0)
  // 参数说明:
    // 1. Stub.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
// 所以,若Server进程执行的耗时操作,请不要使用主线程,以防止ANR


// 3. 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)
// 4. 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)

步骤2:Server进程根据Client进要求 调用 目标方法(即加法函数)

// 1. 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
  public class Stub extends Binder {

          // 复写onTransact()
          @Override
          boolean 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 Stub.add: { 
                  // a. 解包Parcel中的数据
                       data.enforceInterface("add two int"); 
                        // a1. 解析目标方法对象的标识符

                       int  arg0  = data.readInt();
                       int  arg1  = data.readInt();
                       // a2. 获得目标方法的参数
                      
                       // b. 根据"add two int"通过queryLocalIInterface()获取相应的IInterface对象(即Server创建的plus)的引用,通过该对象引用调用方法
                       int  result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0,  arg1); 
                      
                        // c. 将计算结果写入到reply
                        reply.writeInt(result); 
                        
                        return true; 
                  }
           } 
      return super.onTransact(code, data, reply, flags); 
      // 2. 将结算结果返回 到Binder驱动


步骤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

  // 1. 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
  // 2. 通过代理对象 接收结果(之前被挂起的线程被唤醒)

    binderproxy.transact(Stub.ADD, data, reply, 0);
    reply.readException();;
    result = reply.readInt();
          }
}
  • 总结
    下面,我用一个原理图 & 流程图来总结步骤3的内容

Android跨进程通信:Binder机制原理_第18张图片

Android跨进程通信:Binder机制原理_第19张图片

5. 优点

对比 Linux (Android基于Linux)上的其他进程通信方式(管道、消息队列、共享内存、
信号量、Socket),Binder 机制的优点有:

Android跨进程通信:Binder机制原理_第20张图片

特别地,对于从模型结构组成的Binder驱动来说:

Android跨进程通信:Binder机制原理_第21张图片

  • 整个Binder模型的原理步骤 & 源码分析

Android跨进程通信:Binder机制原理_第22张图片

该博主相关文章写的都很好,非常推荐阅读,原文链接:

Android跨进程通信:图文详解 Binder机制 原理_android binder机制_Carson带你学Android的博客-CSDN博客

操作系统:图文详解 内存映射 - 简书

你可能感兴趣的:(Android,Framework,Framework,binder)