Service与Android系统设计（2）-- Parcel

特别声明：本系列文章LiAnLab.org著作权所有，转载请注明出处。作者系LiAnLab.org资深Android技术顾问吴赫老师。本系列文章交流与讨论:@宋宝华Barry

共18次连载，讲述Android Service背后的实现原理，透析Binder相关的RPC。

Parcel与Parcelable

当我们在调用远程方法时，需要在进程间传递参数以及返回结果。这种类似的处理方式，需要把数据与进程相关性去除，变成一种中间形式，然后按统一的接口进行读写操作。这样的机制，一般在高级编程语言里都被称为序列化。

在Android世界里处理数据的序列化操作的，使用了一种Parcel类，而能够处理数据序列能力，则是实现Parcelable接口来实现。于是，当我们需要在进程间传输一个对象，则实现这一对象的类必须实现Parcelable接口里定义的相应属性或方法，而在使用这一对象时，则可以使用一个Parcel引用来处理传输时的基本操作。

前面说明的AIDL编程，都只是针对String，Int等Java的基本数据类型，如果我们需要处理一些复杂的数据类型，或是需要定义一些自定义的数据类型，这时，我们需要aidl里的另一种效用，导入Parcelable接口。

在aidl环境里使用Parcelable接口，相对来说会更简单。我们前面也强调过，在aidl工作的实现上，为了达到简洁高效的设计目标，aidl只支持基本的数据类型，一个接口类在aidl环境里仅会定义方法，而不会涉及属性定义，所以这种限制作用到Parcelable，Parcelable在aidl会只是简单的一行，其他aidl使用到这些Parcelable接口的部分，可以直接引用定义这一Parcelable的aidl文件即可。

基于我们前面的例子来拓展一个Parcelable的例子，假如我们希望在进程能够传递一些进程间的描述信息，我们会把这样的数据组织到一个类时进行传输，我们可以把这个类叫TaskInfo，于是在单进程环境里，我们大致会有这样一个类：

 class TaskInfo {
     public long mPss;
     public long mTotalMemory;
     public long mElapsedTime;
     public int mPid;
     public int mUid;
     public String mPackageName;

    TaskInfo() {
        mPss = 0;
        mTotalMemory = 0;
        mElapsedTime = 0;
        mPid = -1;
        mUid = -1;
        mPackageName = null;
     }
 }

我们通过这一个类来创建一个对象时，这个对象的有效使用范围只是在一个进程里，因为进程空间是各自独立的，在进程空间里，实际上这一对象是保存在堆空间（Heap）里的。如果我们希望通过IPC机制来直接传递这么一个对象也是不现实的，因为在Java环境里对象是通过引用来访问，一个对象里对其他对象，比如访问TaskInfo类的packageName，则是会通过一个类似于指针的引用来访问。

所以，通过IPC来复制结构比较复杂的对象时，必须要通过某种机制可以将对象拆解成一种中间格式，通过在IPC里传输这种中间格式然后得到对象在进程之间互相传递的效果。无论是使用什么样的IPC机制，这种传输过程都是会是一边把数据写进去，另一边读出来，根据我们前面的分析，我们使用一个继承自Binder的对象即可完成这种功能。但这种读写两端的代码会不停重复，也容易引起潜在的错误，Android系统会使用面向对象的技巧来简化这种操作。与进程间方法的相互调用不同，在进程间传递对象不在乎交互，而更关注使用时的灵活性。在对象传递时，共性是传输机制，差异性是传输的对象构成，于是我们在Binder类之上，再派生出一个Parcel类，专用于处理属于共性部分的数据传递，而针对差异性部分对象的构成，则通过一个Parcelable的接口类，可以通过这一接口将对象组成上的差异性通知到Parcel。

有了Parcel类与Parcelable接口类之后，我们要传递像TaskInfo对象则变得更容易。我们可以让我们的TaskInfo类来实现Parcelable功能，使这一类生成的对象，都将在底层通过Parcel对象来完成底层的传输。我们前面定义的TaskInfo类，则会被变成如下的样子：

 package org.lianlab.services;
 import android.os.Parcel;
 import android.os.Parcelable;

 public class TaskInfo implements Parcelable {
     public long mPss;
     public long mTotalMemory;
     public long mElapsedTime;
     public int mPid;
     public int mUid;
     public String mPackageName;

    TaskInfo() {
        mPss = 0;
        mTotalMemory = 0;
        mElapsedTime = 0;
        mPid = -1;
        mUid = -1;
        mPackageName = null;
     }

     public int describeContents() {                1
        return 0;
     }

     public void writeToParcel(Parcel out, int flags) {    2
        out.writeLong(mPss);
        out.writeLong(mTotalMemory);
        out.writeLong(mElapsedTime);
        out.writeInt(mPid);
        out.writeInt(mUid);
        out.writeString(mPackageName);
     }

     public static final Parcelable.Creator<TaskInfo>CREATOR = new Parcelable.Creator<TaskInfo>() {                 3
        public TaskInfo createFromParcel(Parcel in) {            4
            return new TaskInfo(in);
        }

        public TaskInfo[] newArray(int size) {             5
            return new TaskInfo[size];
        }
     };

     privateTaskInfo(Parcel in) {                 6
        mPss = in.readLong();
        mTotalMemory = in.readLong();
        mElapsedTime = in.readLong();
        mPid = in.readInt();
        mUid = in.readInt();
        mPackageName = in.readString();
     }
 }

1. describeContents()，Parcelabl所需要的接口方法之一，必须实现。这一方法作用很简单，就是通过返回的整形来描述这一Parcel是起什么作用的，通过这一整形每个bit来描述其类型，一般会返回0。
2. writeToParcel()，Parcelabl所需要的接口方法之二，必须实现。writeToParcel()方法的作用是发送，就是将类所需要传输的属性写到Parcel里，被用来提供发送功能的Parcel，会作为第一个参数传入，于是在这个方法里都是使用writeInt()、writeLong()写入到Parcel里。这一方法的第二参数是一个flag值，可以用来指定这样的发送是单向还是双向的，可以与aidl的in、out、inout三种限定符匹配。
3. CREATOR对象，Parcelable接口所需要的第三项，必须提供实现，但这是一个是接口对象。正如我们看到的，这一CREATOR对象，是使用模板类Parcelable.Creator，套用到TaskInfo来得到的，Parcelable.Creator<TaskInfo>。这个CREATOR对象在很大程度上是一个工厂（Factory）类，用于远程对象在接收端的创建。从某种意义上来说，writeToParcel()与CREATOR是一一对应的，发送端进程通过writeToParcel()，使用一个Parcel对象将中间结果保存起来，而接收端进程则会使用CREATOR对象把作为Parcel对象的中间对象再恢复出来，通过类的初始化方法以这个Parcel对象为基础来创建新对象。后续的4-6，则是完成这个CREATOR对象的实现。
4. createFromParcel()，这是ParcelableCreator<T>模板类所必须实现的接口方法，提供从Parcel转义出新的对象的能力。接收端来接收传输过来的Parcel对象时，便会以这一个接口方法来取得对象。我们这里直接调用基于Parcel 的类的初始化方法，然后将创建的对象返回。
5. newArray()，这是ParcelableCreator<T>模板类所必须实现的另一个接口方法，但这一方法用于创建多个这种实现了Parcelable接口的类。通过这一方法，CREATOR对象不光能创建单个对象，也能返回多个创建好的空对象，但多个对象不能以某个Parcel对象为基础创建，于是会使用默认的类创始化方法。
6. 实现具体的以Parcel为参照的初始化方法，这并非必须，我们也可以在createFromParcel()里直接根据Parcel的值赋值到对象来实现，但这样实现则更清晰。这一方法，基本上与writeToParcel()是成对的，以什么顺序将对象属性写入Parcel，则在createFromParcel()会就会以同样的顺序对象属性从Parcel里读出来，使用Parcel的readInt()、readLong()等方法来完成。

通过上述的这一个类的定义，我们便得到了一个可以被跨进程传输的类，通过这个类所创建的对象，可以无缝地在进程进行传输。如果需要使用这一我们已经定义好的 Parcelable类，我们只需要新建一个aidl文件，描述这一Parcelable的存在信息，从而通知到aidl编译工具。如果是基于我们前面例子里定义的Parcelable类TaskInfo，我们会需要使用一个与之同名的，叫TaskInfo.aidl的文件：

package org.lianlab.services;

parcelableTaskInfo;

这一文件很简单，实际就是一行用于定义包名，一行定义存在一个实现了Parcelable接口的TaskInfo类。然后，我们在需要使用它的部分再将这一aidl文件导入，我们可以在前面的ITaskService.aidl进行拓展，定义一个新的getTaskStatus()接口方法来返回一个TaskInfo对象。在这些定义接口方法的aidl文件里使用Parcelable类很简单，只需要引用定义这一Parcelable类的aidl文件即可：

 package org.lianlab.services;
 importorg.lianlab.services.ITaskServiceCallback;
 import org.lianlab.services.TaskInfo;

 interface ITaskService {
     intgetPid (ITaskServiceCallback callback);
    TaskInfo getTaskStatus ();
 }

当然，这时我们的ITaskService接口变掉了，于是我们会需要改写我们的Stub类的实现，我们需要到TaskService.java的实现里，新增强getTaskStatus()方法的实现：

 private final ITaskService.StubmTaskServiceBinder =new ITaskService.Stub() {
    public int getPid(ITaskServiceCallback callback) {
        mCount++;
        try {
             callback.valueCounted(mCount);
        } catch (RemoteException e) {
             e.printStackTrace();
        }
        return Process.myPid();
    }

    public TaskInfo getTaskStatus() {

        TaskInfo mTaskInfo = new TaskInfo();
        mTaskInfo.mUid = Process.myUid();
        Debug.MemoryInfo memInfo = new Debug.MemoryInfo();
        Debug.getMemoryInfo(memInfo);
        mTaskInfo.mPss = memInfo.nativePss;

        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        mTaskInfo.mTotalMemory = runtime.totalMemory();

        mTaskInfo.mPid = Debug.getBinderReceivedTransactions();
        mTaskInfo.mElapsedTime = Process.getElapsedCpuTime();
        mTaskInfo.mPackageName = getPackageName();
        return mTaskInfo;
    }

 };

在我们新增的getTaskStatus()方法里，我们会创建一个新的TaskInfo对象，然后根据当前的进程上下文环境给这一TaskInfo对象进行赋值，然后再返回这一对象。由于TaskInfo现在已经荣升成Parcelable对象了，于是这一返回，实际上会发生跨进程环境里，在Remote Service的调用端返回这一对象。

从上面的代码示例，我们大致也可以分析到通过Parcel来传递对象的原理。这跟我们中寄送由零部件组成的物品类似。生活中，我们寄运由零部件构成的物品，一般是把东西拆散成零组件，于是好包装也方便运输，把零部件尽可能灵活摆放塞进一个盒子里，再寄送出去。接收到这个包裹的那方，会从盒子里将零部件拆散开来，再按拆卸时同样的构架再将零部件组装到一起，于是我们就得到了原来的造型各式的物品。出于这样的类比性，于是我们的负责搬运的类叫Parcel，就是包裹的意思，而用于搬运的拆装过程，或者准确的是说是可拆卸然后再组装的能力，就叫称为Parcelable。

对于Parcel的传输，0xLab的黄敬群先生（JServ）作了一个形象的比喻，希望通过传真机来发送一个纸盒子到远端。传真机不是时空传送带，并不会真正可以实现某个物品的跨空间传递，但我们一定的变通来完成：

       我们可以把一个纸盒子拆解摊开，这时得到一个完全平面化的带六个格子的一个图形。我们通过传真机传送时就有了可能，我们传真这个带六个格子的图形到远端，这时远端的传真机就会收到同是六个格子的传真图像，打印到一张纸上。然后我们再将这张纸裁减开来，重新粘贴到一起，于是也可以得到一个纸盒子，跟我们原始的纸盒有着一模一样的外观。

于是，在发送时，我们大体上可认为是把对象进行拆解打包，然后塞进Parcel对象里。Parcel此时相当于容器的作用，于是其内容一定会有一段buffer用于存放这种中间结果。于是这一过程就会是通过writeToParcel()方法，将对象的属性分拆开，填写到这个Parcel的buffer里：

因为这一过程，在计算处理上相当于把原有来非线性存放的对象，通过平整化转移到一个线性的内存空间里进行保存，于是这一操作被称为平整化”flatter”。从前面的代码我们也可以看到，所谓的平整化操作，就是通过writeToParcel()写入到一个Parcel对象里。我们更细一点来观察的话，这一过程就是通过Parcel对象的writeInt()、writeLogn()、writeString()等不同操作方法，将对象的属性写入到Parcel的内置buffer里。

在读取的那一端，我们会通过某种手段，将Parcel对象读出来，通过CREATOR里定义的初始化方法，得到Parcel里保存的对象：

对应于发送时的flatten，我们接收时的操作就是unflatten，将对象从一个线性化保存在Parcel的内置buffer里的数据，还原成具体的对象。这一步骤会是通过CREATOR里通过Parcel来初始化对象的createFromParcel()来完成。

到此，我们至少就得到通过一个中间区域来搬运与传送对象的能力。对象不能直接拷贝与传输，但线性化内存是可以的，我们可以把内存从0到结果的位置通过某种IPC机制发送出去，在另一端进行接收，就可以得到这段内存的内容。最后，如果我们把Parcel对象的这段内容通过Binder通信来进行传输，此时我们就得到了进程间对象互相传送的能力：

我们在进行跨进程的对象传递过程里，都通过Parcel这样的包装来进行传输。所以只要我们的Parcel足够强大与灵活，我们可以进程间传递一切。我们的例子里仅使用Int、Long、String等基本类型，实际上Parcel的能力远不止如此。Parcel支持全部的基本数据型，同时因为Parcelable.Creator<T>模板同时支持newArray()与createFromParcel()两种接口方法，于是在传输时可以将两者结合，通过newArray()进行对象创建，同时通过createFromParcel()再依次初始化，于是Parcel自动会支持数组类型的数据。而对[]操作符的支持，使在Parcel对象里实现List、Map等类型非常容易。出于对传输时的节省存储与拷贝时的开销，于是在Array之上来提供了对SpareArray这样松散数组的支持。Parcel还可以包含Parcel子类型，于是进一步提升了其对对象封装处理的能力。最后，通过IBinder、Bundle、Serializable类型的支持几乎完善了Parcel所能传输对象的能力。Parcel所能完整支持数据类型有：

•   null
•   String
•   Byte
•   Short
•   Integer
•   Long
•   Float
•   Double
•   Boolean
•   String[]
•   boolean[]
•   byte[]
•   int[]
•   long[]
•   Object[]
•   Bundle
•   Map
•   Parcelable
•   Parcelable[]
•   CharSequence
•   List
•   SparseArray
•   IBinder
•   Serializable

但Parcel并不提供完整的序列化支持，仅是一种跨进程传输时的高效手段，我们的对象在打包成Parcel时并非自动支持，都是靠writeToParcel()实现将对象分拆写入的，我们必须保证读与写的顺序一致，createFromParcel()与writeToParcel()里的操作必须是一一对应的。另外，Parcel对象被存储完成后，也是我们自定义的存储，如果有任何读写上的变动，则这一保存过的中间结果就失效了。如果有序列化的需求，必须通过Parcel来传递Bundle类型来实现。但从实现上来看，这样简化设计，也是我们得到了更高效地对象传输能力，在Parcel内部操作里，大部分还是靠JNI实现的更高效版本。所以，这种传输机制并不被称为序列化操作，而被称为Parcelable传输协议。

所以，在跨进程间的通信过程时，我们不但通过Binder来构造出了能够以RPC方式进行通信的能力，也得到了通过Parcel来传递复杂对象的能力。这样，我们的跨进程通信的能力就几乎可以完成任何操作了。在我们应用程序程序里，通过aidl设计，可以使构架更灵活，一些需要有后台长期存在又会被多个部分所共享的代码，都可以使用aidl实现，这时虽然会带来一定的进程调度上的开销，但使我们的构架将变得更加灵活。这样应用情境有下载、登录、第三方API、音乐播放等诸多使用上的实例。

Aidl对于Android系统的重要性更大，因为整个Android环境，都是构建在一种多进程的“沙盒”模型之上。为了支撑这种高灵活性的多进程设计，Android必然需要大量地使用aidl将系统功能拆分开。而aidl是仅对Java有效的一种编程环境，于是对于Android系统构架来说，aidl是Android系统实现里由Java构建的基础环境，我们每种需要暴露出来供应用程序使用的系统功能，必然都会是基于aidl实现的跨进程调用。当然，Android系统实现上并非全是由Java来构建的，对于底层一些有更高性能要求的代码，有可能也是由C/C++编写出来的，这就是我们在稍后要介绍的NativeService，但我们要知道，所谓的NativeService，也只不过是通过可执行代码接入到aidl环境，通过Native代码来模拟aidl的Service代码实现的。上层代码都使用跟aidl一模一样调用方式，底层实现的细节，对上层来说，是透明的。