Android系统的Binder机制

Android系统的Binder机制之一——Service Manager

 

Android虽然构建在Linux上面,但是在IPC(进程间)机制方面,没有利用Linux提供IPC机制,而是自己实现了一套轻量级的IPC机制——binder机制。并且Android Binder机制之上,Android框架提供了一套封装,可以实现对象代理(在本地进程中代理远程进程的对象)。本文简单分析一下Android Binder机制。

Binder情景分析

    一个IPC通讯我们可以理解成客户端-服务器模式,因此我们先在这里分析一下典型的Binder应用模式:

1、客户端通过某种方式(后文会详细介绍)得到服务器端的代理对象。从客户端角度看来代理对象和他的本地对象没有什么差别。它可以像其他本地对象一样调用其方法,访问其变量。 
2、客户端通过调用服务器代理对象的方法向服务器端发送请求。 
3、代理对象把用户请求通过Android内核(Linux内核)的Binder驱动发送到服务器进程。 
4、服务器进程处理用户请求,并通过Android内核(Linux内核)的Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象。 
5、客户端收到服务器端的返回结果。

    如果你对COM或者Corba熟悉的话,以上的情景是否会让你联想到什么呢?没错!都是对象代理。以上的情景,在Android中经常会被用到。如果你还没有注意到这点儿,那么本文非常适合你。

Binder机制的组成

1、Binder驱动

    binder是内核中的一个字符驱动设备位于:/dev/binder。这个设备是Android系统IPC的核心部分,客户端的服务代理用来通过它向服务器(server)发送请求,服务器也是通过它把处理结果返回给客户端的服务代理对象。我们只需要知道它的功能就可以了,本文我们的重点不在这里,所以后面不会专门介绍这部分,因为很少会有人会显示打开这个设备去开发Android程序。如果想深入了解的话,请研究内核源码中的binder.c。

2、Service Manager

    负责管理服务。对应于第一步中,客户端需要向Service Manager来查询和获得所需要服务。服务器也需要向Service Manager注册自己提供的服务。可以看出Service Manager是服务的大管家。

3、服务(Server)

    需要强调的是这里服务是指的是System Server,而不是SDK server,请参考《(转)高焕堂——Android框架底层结构知多少?》关于两种Server的介绍(其实应该是三种,丢掉了init调用的server,在init.rc中配置)。

4、客户端

    一般是指Android系统上面的应用程序。它可以请求Server中的服务。

5、对象代理

    是指在客户端应用程序中生成的Server代理(proxy)。从应用程序角度看代理对象和本地对象没有差别,都可以调用其方法,方法都是同步的,并且返回相应的结果。

大内总管——Service Manager

    Android系统Binder机制的总管是Service Manager,所有的Server(System Server)都需要向他注册,应用程序需要向其查询相应的服务。可见其作用是多么的重要,所以本文首先介绍Service Manager。

    通过上面介绍我们知道Service Manager非常重要,责任重大。那么怎样才能成为Service Manager呢?是不是谁都可以成为Service Manager呢?怎样处理server的注册和应用程序的查询和获取服务呢?为了回答这些问题先查看,Android中Service Manager的源码,其源码位于:

frameworks/base/cmds/servicemanager/service_manager.c

我们发现了main函数,说明他自己就是一个进程,在init.rc中我们发现:

service servicemanager /system/bin/servicemanager
    user system
    critical
    onrestart restart zygote
    onrestart restart media

说明其是Android核心程序,开机就会自动运行。

    下面我们在研究一下它的代码,main函数很简单:

int main(int argc, char **argv)
{
    struct binder_state *bs;
    void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;

    bs = binder_open(128*1024);

    if (binder_become_context_manager(bs)) {
        LOGE("cannot become context manager (%s)/n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    svcmgr_handle = svcmgr;
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    return 0;
}

我们看到它先调用binder_open打开binder设备(/dev/binder),其次它调用了binder_become_context_manager函数,这个函数使他自己变为了“Server大总管”,其代码如下:

 

int binder_become_context_manager(struct binder_state *bs)
{
    return ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);
}

也就是通过ioctl向binder设备声明“我就是server大总管”。

    Service Manager作为一个Server大总管,本身也是一个server。既然是一个server就要时刻准备为客户端提供服务。最好Service Manager调用binder_loop进入到循环状态,并提供了一个回调函数,等待用户的请求。注意他的Service Manager的客户端既包括应用程序(查询和获取服务),也包括Server(注册服务)。

    Service Manager的客户怎样才能请求其服务呢?答案是上文我们提到的情景一样。客户需要在自己进程中创建一个服务器代理。现在没有地方去查询服务,那么怎样它的客户怎样生成他的服务代理对象呢?答案是binder设备(/devbinder)为每一个服务维护一个句柄,调用binder_become_context_manager函数变为“Server大总管”的服务,他的句柄永远是0,是一个“众所周知”的句柄,这样每个程序都可以通过binder机制在自己的进程空间中创建一个

Service Manager代理对象了。其他的服务在binder设备在设备中的句柄是不定的,需要向“Server大总管”查询才能知道。

    现在我们需要研究Server怎样注册服务了,还是在其源码中,我们可以看到在其服务处理函数中(上文提到binder_loop函数注册给binder设备的回调函数)有如下代码:

 

 

    case SVC_MGR_ADD_SERVICE:
        s = bio_get_string16(msg, &len);
        ptr = bio_get_ref(msg);
        if (do_add_service(bs, s, len, ptr, txn->sender_euid))
            return -1;
        break;

有server向binder设备写入请求注册Service时,Service Manager的服务处理回调函数将会被调用。我们在仔细看看do_add_service函数的实现:

int do_add_service(struct binder_state *bs,
                   uint16_t *s, unsigned len,
                   void *ptr, unsigned uid)
{
    struct svcinfo *si;
//    LOGI("add_service('%s',%p) uid=%d/n", str8(s), ptr, uid);

    if (!ptr || (len == 0) || (len > 127))
        return -1;

    if (!svc_can_register(uid, s)) {
        LOGE("add_service('%s',%p) uid=%d - PERMISSION DENIED/n",
             str8(s), ptr, uid);
        return -1;
    }

    si = find_svc(s, len);
    if (si) {
        if (si->ptr) {
            LOGE("add_service('%s',%p) uid=%d - ALREADY REGISTERED/n",
                 str8(s), ptr, uid);
            return -1;
        }
        si->ptr = ptr;
    } else {
        si = malloc(sizeof(*si) + (len + 1) * sizeof(uint16_t));
        if (!si) {
            LOGE("add_service('%s',%p) uid=%d - OUT OF MEMORY/n",
                 str8(s), ptr, uid);
            return -1;
        }
        si->ptr = ptr;
        si->len = len;
        memcpy(si->name, s, (len + 1) * sizeof(uint16_t));
        si->name[len] = '/0';
        si->death.func = svcinfo_death;
        si->death.ptr = si;
        si->next = svclist;
        svclist = si;
    }

    binder_acquire(bs, ptr);
    binder_link_to_death(bs, ptr, &si->death);
    return 0;
}

我们看到首先检查是否有权限注册service,没权限就对不起了,出错返回;然后检查是否已经注册过,注册过的service将不能再次注册。然后构造一个svcinfo对象,并加入一个全局链表中svclist中。最后通知binder设备:有一个service注册进来。

    我们再来看看客户端怎样通过Service Manager获得Service,还是在服务处理函数中(上文提到binder_loop函数注册给binder设备的回调函数)有如下代码:

    case SVC_MGR_GET_SERVICE:
    case SVC_MGR_CHECK_SERVICE:
        s = bio_get_string16(msg, &len);
        ptr = do_find_service(bs, s, len);
        if (!ptr)
            break;
        bio_put_ref(reply, ptr);
        return 0;

    我们可以看到通过do_find_service查找Service如果查找到的话,写入reply中返回给客户端。

    本文我们简单分析了一下Service Manager,后续我们会继续分析Android binder机制的其他部分。

 

Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)

    上文《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》我们学习了Service Manager在Android Binder中的作用——服务(Service)注册,服务(Service)查询的功能。本文我们一起学习服务(Service)在客户端中的代理机制。重点介绍其核心对象BpBinder。 

1、服务代理的原理

    如下是客户端请求service服务的场景:

1、首先客户端向Service manager查找相应的Service。上文《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》有比较详细的介绍。注意客户端和Service可能在两个不同的进程中。 
2、Android系统将会为客户端进程中创建一个Service代理。下文将详细介绍该创建过程。 
3、
客户端视角只有Service代理,他所有对Service的请求都发往Service代理,然后有Service代理把用户请求转发给Service本身。Service处理完成之后,把结果返回给Service代理,Service代理负责把处理结果返回给客户端。注意客户端对Service代理的调用都是同步调用(调用挂住,直到调用返回为止),这样客户端视角来看调用远端Service的服务和调用本地的函数没有任何区别。这也是Binder机制的一个特点。

2、Android进程环境——ProcessState类型和对象

    在Android系统中任进程何,要想使用Binder机制,必须要创建一个ProcessState对象和IPCThreadState对象。当然如果Android进程不使用Binder机制,那么这两个对象是不用创建的。这种情况很少见,因为Binder机制是整个Android框架的基础,可以说影响到Android方方面面。所以说了解这两个对象的作用非常重要。

    台湾的高焕堂先生一片文章《认识ProcessState类型和对象》,可以在我的博文《(转)高焕堂——Android框架底层结构知多少?》中找到。可以先通过这篇文章对ProcessState进行一个大概了解。

    ProcessState是一个singleton类型,一个进程只能创建一个他的对象。他的作用是维护当前进程中所有Service代理(BpBinder对象)。一个客户端进程可能需要多个Service的服务,这样可能会创建多个Service代理(BpBinder对象),客户端进程中的ProcessState对象将会负责维护这些Service代理。

我们研究一下创建一个Service代理的代码:

   1: sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle) 
   2: { 
   3:     sp<IBinder> result; 
   4:   
   5:     AutoMutex _l(mLock); 
   6:   
   7:     handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle); 
   8:   
   9:     if (e != NULL) { 
  10:         // We need to create a new BpBinder if there isn't currently one, OR we 
  11:         // are unable to acquire a weak reference on this current one.  See comment 
  12:         // in getWeakProxyForHandle() for more info about this.

13: IBinder* b = e->binder; 

  14:         if (b == NULL || !e->refs->attemptIncWeak(this)) { 
  15:             b = new BpBinder(handle);  
  16:             e->binder = b; 
  17:             if (b) e->refs = b->getWeakRefs(); 
  18:             result = b; 
  19:         } else { 
  20:             // This little bit of nastyness is to allow us to add a primary 
  21:             // reference to the remote proxy when this team doesn't have one 
  22:             // but another team is sending the handle to us. 
  23:             result.force_set(b); 
  24:             e->refs->decWeak(this); 
  25:         } 
  26:     } 
  27:   
  28:     return result; 
  29: }

 

    getWeakProxyForHandle函数的作用是根据一个binder句柄(上文《 Android系统的Binder机制之一——Service Manager 》提到Binder驱动为每个Service维护一个Binder句柄,客户端可以通过句柄来和Service通讯)创建对应的Service代理对象。

    当前进程首先调用lookupHandleLocked函数去查看当前进程维护的Service代理对象的列表,该待创建Service代理对象是否已经在当前进程中创建,如果已经创建过了,则直接返回其引用就可以了。否则将会在Service代理对象的列表增加相应的位置(注意系统为了减少分配开销,可能会多分配一些空间,策略是“以空间换时间”),保存将要创建的代理对象。具体代码请参考lookupHandleLocked的源码。

    后面代码就好理解了,如果Service代理对象已经创建过了,直接增加引用计数就行了。若没有创建过,则需要创建一个新的Service代理对象。

3、Android进程环境——IPCThreadState类型和对象

    Android进程中可以创建一个ProcessState对象,该对象创建过程中会打开/dev/binder设备,并保存其句柄。并初始化该设备。代码如下:

   1: ProcessState::ProcessState() 
   2:     : mDriverFD(open_driver()) 
   3:     , mVMStart(MAP_FAILED) 
   4:     , mManagesContexts(false) 
   5:     , mBinderContextCheckFunc(NULL) 
   6:     , mBinderContextUserData(NULL) 
   7:     , mThreadPoolStarted(false) 
   8:     , mThreadPoolSeq(1) 
   9: { 
  10:     if (mDriverFD >= 0) { 
  11:         // XXX Ideally, there should be a specific define for whether we 
  12:         // have mmap (or whether we could possibly have the kernel module 
  13:         // availabla). 
  14: #if !defined(HAVE_WIN32_IPC) 
  15:         // mmap the binder, providing a chunk of virtual address space to receive transactions. 
  16:         mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0); 
  17:         if (mVMStart == MAP_FAILED) { 
  18:             // *sigh*
  19:             LOGE("Using /dev/binder failed: unable to mmap transaction memory./n"); 
  20:             close(mDriverFD); 
  21:             mDriverFD = -1; 
  22:         } 
  23: #else 
  24:         mDriverFD = -1; 
  25: #endif 
  26:     } 
  27:     if (mDriverFD < 0) { 
  28:         // Need to run without the driver, starting our own thread pool. 
  29:     } 
  30: } 
    mDriverFD保存了/dev/binder设备的句柄,如果仔细查看ProcessState的源码会发现这个句柄不会被ProcessState对象使用。那么保存这个句柄做什么用呢?被谁使用呢?非常奇怪。经过查看ProcessState的头文件,发现如下代码:
   1: friend class IPCThreadState;

 

    发现IPCThreadState是ProcessState的友元类,那么就可以怀疑这个句柄是被IPCThreadState的对象使用的,然后查看代码发现确实如此。

    IPCThreadState也是一个singleton的类型,一个进程中也只能有一个这样的对象。我们查看一下它的talkWithDriver函数:

   1: ........... 
   2: if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0) 
   3:     err = NO_ERROR; 
   4: else 
   5:     err = -errno; 
   6: ........... 
    IPCThreadState通过ioctl系统调用对ProcessState打开的句柄进行读写。这样我们也可以看出IPCThreadState对象的作用:
1、维护当前进程中所有对/dev/binder的读写。换句话说当前进程通过binder机制进行跨进程调用都是通过IPCThreadState对象来完成的。

2、
IPCThreadState也可以理解成/dev/binder设备的封装,用户可以不直接通过ioctl来操作binder设备,都通过IPCThreadState对象来代理即可。
     我们这里可以再深入地聊一下,不管是客户端进程和Service进程都是需要用IPCThreadState来和binder设备通讯的。如果是客户端进程则通过服务代理BpBinder对象,调用transact函数,该函数作用就是把客户端的请求写入binder设备另一端的Service进程,具体请参阅IPCThreadState类的transact方法。作为Service进程,当他完成初始化工作之后,他需要他们需要进入循环状态等待客户端的请求,Service进程调用它的IPCThreadState对象的joinThreadPool方法,开始轮询binder设备,等待客户端请求的到来,后面我们讨论Service时候会进一步讨论joinThreadPool方法。有兴趣的朋友可以先通过查看代码来了解joinThreadPool方法。

4、Service代理对象BpBinder

    上文关于ProcessState的介绍提到了,客户端进程创建的Service代理对象其实就是BpBinder对象。
    我们首先了解怎样创建BpBinder对象。
   1: BpBinder::BpBinder(int32_t handle) 
   2:     : mHandle(handle) 
   3:     , mAlive(1) 
   4:     , mObitsSent(0) 
   5:     , mObituaries(NULL) 
   6: { 
   7:     LOGV("Creating BpBinder %p handle %d/n", this, mHandle); 
   8:   
   9:     extendObjectLifetime(OBJECT_LIFETIME_WEAK); 
  10:     IPCThreadState::self()->incWeakHandle(handle); 
  11: }

 

    我们可以看出首先是通过IPCThreadState读写binder设备增加中相应binder句柄上的Service的引用计数。然后本地保存代理Service的binder句柄mHandle。

    客户进程对Service的请求都通过调用BpBinder的transact方法来完成:

   1: status_t BpBinder::transact( 
   2:     uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags) 
   3: { 
   4:     // Once a binder has died, it will never come back to life. 
   5:     if (mAlive) { 
   6:         status_t status = IPCThreadState::self()->transact( 
   7:             mHandle, code, data, reply, flags); 
   8:         if (status == DEAD_OBJECT) mAlive = 0; 
   9:         return status; 
  10:     } 
  11:   
  12:     return DEAD_OBJECT; 
  13: } 
在transact方法中,还是调用客户进程的IPCThreadState对象来完成对相应Service请求。注意transact方法是同步方法,将会挂住客户进程的当前线程,直到service把请求处理完成,并返回结果。这时客户进程当前线程的transact方法返回。

5、Android系统对Binder机制的抽象——IBinder

    上面我们讲解了Binder机制比较底层的机制,这些机制直接用还是比较麻烦的,比如使用binder设备的ioctl,需要记住很多ioctl的代码。

    Android为了是Binder机制容易使用,对Binder机制进行了抽象,定义了IBinder接口,该接口在C/C++和Java层都有定义。IBinder定义了一套使用Binder机制使用和实现客户程序和服务器的通讯协议。可以理解如下定义:

1、向Android注册的Service也必须是IBinder(继承扩展IBinder接口)对象。后续文章中我们讨论Service的时候我们会介绍到这方面的内容。

2、客户端得到Service代理对象也必须定义成IBinder(继承扩展IBinder接口)对象。这也是为什么BpBinder就是继承自IBinder。

3、客户端发送请求给客户端,调用接口的Service代理对象IBinder接口的transact方法。

4、Android系统Binder机制将负责把用户的请求,调用Service对象IBinder接口的onTransact方法。具体实现我们将在以后介绍Service的时候讨论。

6、Service Manager代理对象

    我们知道Service Manager是Android Binder机制的大管家。所有需要通过Binder通讯的进程都需要先获得Service Manager的代理对象才能进行Binder通讯。Service Manager即在C/C++层面提供服务代理,又在Java层面提供服务代理,本文先介绍一下C/C++层面的服务代理,Java层面的服务代理将在后续文章中介绍。

    进程在C/C++层面上面,Android在Android命名空间中定义了一个全局的函数defaultServiceManager(定义在framework/base/libs/binder),通过这个函数可以使进程在C/C++层面获得Service Manager的代理。我们先看一下该函数的定义:

   1: sp<IServiceManager> defaultServiceManager() 
   2: { 
   3:     if (gDefaultServiceManager != NULL) return gDefaultServiceManager; 
   4:      
   5:     { 
   6:         AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock); 
   7:         if (gDefaultServiceManager == NULL) { 
   8:             gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>( 
   9:                 ProcessState::self()->getContextObject(NULL)); 
  10:         } 
  11:     } 
  12:      
  13:     return gDefaultServiceManager; 
  14: }

 

    我们可以看到defaultServiceManager是调用ProcessState对象的getContextObject方法获得Service Manager的getContextObject方法获得Service Manager代理对象。我们再看一下getContextObject函数的定义:

   1: sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& caller) 
   2: { 
   3:     if (supportsProcesses()) { 
   4:         return getStrongProxyForHandle(0); 
   5:     } else { 
   6:         return getContextObject(String16("default"), caller); 
   7:     } 
   8: } 

    我们可以看出其实是调用我们上面描述过的getStrongProxyForHandle方法,并以句柄0为参数来获得Service Manager的代理对象。

    ProcessState::self()->getContextObject(NULL)返回一个IBinder对象,怎样把它转化成一个IServiceManager的对象呢?这就是模板函数interface_cast<IServiceManager>的作用了。调用的是IServiceManager.asInterface方法。IServiceManager的asInterface方法通过DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE宏来定义,详细情况请查看IServiceManager类的定义。IMPLEMENT_META_INTERFACE宏关于asInterface的定义如下:

   1: android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(                / 
   2:         const android::sp<android::IBinder>& obj)                   / 
   3: {                                                                   / 
   4:     android::sp<I##INTERFACE> intr;                                 / 
   5:     if (obj != NULL) {                                              / 
   6:         intr = static_cast<I##INTERFACE*>(                          / 
   7:             obj->queryLocalInterface(                               / 
   8:                     I##INTERFACE::descriptor).get());               / 
   9:         if (intr == NULL) {                                         / 
  10:             intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          / 
  11:         }                                                           / 
  12:     }                                                               / 
  13:     return intr;                                                    / 
  14: }                                                                   /

 

    最终asInterface将会用一个IBinder对象创建一个BpServiceManager对象,并且BpServiceManager继承自IServiceManager,这样我们就把IBinder对象转换成了IServiceManager对象。如果你仔细查看BpServiceManager的定义,你会发现查询Service,增加Service等方法其实都是调用底层的IBinder对象来完成的。

    当我们在C/C++层面编写程序使用Binder机制的时候将会调用defaultServiceManager函数来获得Service Manager,比如:很多Android系统Service都是在C/C++层面实现的,他们就需要向Service Manager注册其服务,那么这些服务将调用defaultServiceManager获得Service Manager代理对象。我们在后续介绍Android系统Service的时候将会详细介绍。

7、总结

    本文中我们介绍了C++层面的Service代理,后续文章我们将介绍Java层面的Service代理。

 

 

Android进程的C/C++层面和Java层

    Android中程序大部分都是java开发,底层通过JNI调用C/C++的代码。这样一个程序就分为了两个层面C/C++层面和Java层面。运行状态下,我们说它们都在一个进程之中,拥有相同的进程属性(UID,GID等等)。

    Binder客户程序的C/C++层面的对象和原理我们在上文Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)》已经学习。下面我们将介绍客户程序怎样在Java层面通过JNI调用底层C/C++代码的创建服务代理。

ServiceManager类型和对象

    我在《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》中介绍过,客户端要想获得服务代理,首先要向ServiceManager查询Service。在Java层面也是这样,所以我们首先分析Java层面ServiceManager类。

    我们通过查看ServiceManager的源码我们发现,ServiceManager类型也是一个Singleton类型。所有的方法都是静态方法,所有静态方法都是访问它的IServiceManager类型的静态变量sServiceManager,定义如下:

   1: private static IServiceManager sServiceManager;

 

所以可以理解ServiceManager就是IServiceManager对象的一个代理。为创建和访问这个变量都是通过ServiceManager的getIServiceManager方法,定义如下:

   1: private static IServiceManager getIServiceManager() { 
   2:     if (sServiceManager != null) { 
   3:         return sServiceManager; 
   4:     } 
   5:   
   6:     // Find the service manager 
   7:     sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject()); 
   8:     return sServiceManager;
   9: }

 

    通过上面的代码,非常清晰的告诉我们ServiceManager类型是一个Singleton类型。现在我们主要研究sServiceManager对象怎样创建的。如下代码创建IServiceManager对象:

   1: sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());

 

我们首先查看BinderInternal类的getContextObject方法的代码,发现是Native代码(哈哈!有终于到达C/C++层面了,我们已经熟悉了),对应的代码为android_util_binder.cpp中的android_os_BinderInternal_getContextObject函数,代码如下:

   1: static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz) 
   2: { 
   3:     sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL); 
   4:     return javaObjectForIBinder(env, b); 
   5: }

 

    终于看到我们上文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)》介绍过的ProcessState对象了,我们再去查看ProcessState对象的getContextObject方法,代码如下:

   1: sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& caller) 
   2: { 
   3:     if (supportsProcesses()) { 
   4:         return getStrongProxyForHandle(0); 
   5:     } else { 
   6:         return getContextObject(String16("default"), caller); 
   7:     } 
   8: }

 

    我们看到在当前进程的ProcessState对象其实是调用getStrongProxyForHandle方法来创建binder句柄为0的服务代理对象——BpBinder对象,我们在《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》提到过ServiceManager的binder句柄是一个闻名句柄0。上文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)》已经介绍过ProcessState对象的getStrongProxyForHandle方法,这里就不多说了。

    我们可以看出Java调用C/C++,创建一个服务代理对象BpBinder,在查看BpBinder的定义我们发现继承自IBinder接口,然后在android_util_binder.cpp中的方法android_os_BinderInternal_getContextObject中,把C/C++层面的IBinder对象封装成Java层面的IBinder对象。具体实现可以查看上文的android_os_BinderInternal_getContextObject方法。

    至此我们已经清楚BinderInternal.getContextObject(),返回的是ServiceManager的服务代理对象——BpBinder对象。那么ServiceManagerNative类的静态方法asInterface做什么用呢?我们还是通过代码来分析,在ServiceManagerNative.java中,asInterface的代码如下:

   1: static public IServiceManager asInterface(IBinder obj) 
   2: { 
   3:     if (obj == null) { 
   4:         return null; 
   5:     } 
   6:     IServiceManager in = 
   7:         (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor); 
   8:     if (in != null) { 
   9:         return in; 
  10:     } 
  11:      
  12:     return new ServiceManagerProxy(obj); 
  13: }

 

将会用IBinder对象创建一个ServiceManagerProxy对象,ServiceManagerProxy类型继承了IServiceManager接口,所以asInterface方法最终目的是用一个IBinder对象创建一个IServiceManager对象。

    为什么要用IBinder对象创建一个IServiceManager对象呢?通过ServiceManager的代理对象——IBinder对象(BpBinder对象)应该可以直接请求ServiceManager中的服务了啊?我们在前文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)》简单介绍了一下IBinder类型,客户端通过transact方法向Service发送请求,客户端的onTransact被调用处理客户端的请求,请求通过请求代码来区分。具体请参考Android手册。如果客户端直接用调用ServiceManager的代理对象的IBinder接口,那么客户端必须要记住所有请求的请求代码,对客户端来说不太友好。所以在ServiceManagerNative类中就把ServiceManager的代理对象——IBinder对象(BpBinder对象)封装成ServiceManagerProxy对象,暴露给客户程序一个IServiceManager接口,这样IServiceManager对象将会代理客户程序发往ServiceManager的代理对象的请求。并且是调用IServiceManager对象的方法来给ServiceManager发送请求,这样对客户程序来讲和本地的函数调用是一致的,接口非常友好。比如我们客户程序需要调用IServiceManager的getService方法来查询一个Service,ServiceManagerProxy实现代码如下:

   1: public IBinder getService(String name) throws RemoteException { 
   2:     Parcel data = Parcel.obtain(); 
   3:     Parcel reply = Parcel.obtain(); 
   4:     data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor); 
   5:     data.writeString(name); 
   6:     mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0); 
   7:     IBinder binder = reply.readStrongBinder(); 
   8:     reply.recycle(); 
   9:     data.recycle(); 
  10:     return binder; 
  11: }

 

    我们可以非常清晰的看到ServiceManagerProxy对象将客户程序的请求转换成对ServiceManager代理对象——IBinder对象(BpBinder对象)的调用。后文我们将会详细介绍怎样通过IServiceManager查询和获得一个系统Service代理对象。

    到这里我们已经分析完了,ServiceManager的Singleton对象——sServiceManager的创建。如果有不清楚的地方请查看代码。

查询和获得Service代理对象

    客户程序通过调用ServiceManager类型的静态方法asInterface获得了IServiceManager对象,但是最终目的一般都是要查询和获得其他的Service,一般都是要调用IServiceManager的getService方法,向ServiceManager获得其他的Service。比如:

   1: IBinder b = ServiceManager.getService(Context.NETWORKMANAGEMENT_SERVICE);

 

    上面的代码中就是调用ServiceManager的静态方法获得网络管理服务代理对象。我们顺藤摸瓜,看看系统是怎样生成这个Service代理对象的。这里只是简单说明一下调用顺序,详细过程请查看源码。

1、调用ServiceManager.java中的ServiceManager静态方法getService。

2、调用ServiceManagerNative.java中的ServiceManagerProxy方法getService。代码如下:

   1: public IBinder getService(String name) throws RemoteException { 
   2:     Parcel data = Parcel.obtain(); 
   3:     Parcel reply = Parcel.obtain(); 
   4:     data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor); 
   5:     data.writeString(name); 
   6:     mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0); 
   7:     IBinder binder = reply.readStrongBinder(); 
   8:     reply.recycle(); 
   9:     data.recycle(); 
  10:     return binder; 
  11: }

 

    请注意IBinder的transact方法是同步方法(本例中ServiceManager处理完成请求之后才会返回),我们可以看出调用transact之后,调用reply.readStrongBinder()来读取IBinder对象。

3、查看Parcel.java中的readStrongBinder方法,发现是Native方法,将会调用到C/C++的代码。

4、查看android_util_binder.cpp中的android_os_Parcel_readStrongBinder函数。代码如下:

   1: static jobject android_os_Parcel_readStrongBinder(JNIEnv* env, jobject clazz) 
   2: { 
   3:     Parcel* parcel = parcelForJavaObject(env, clazz); 
   4:     if (parcel != NULL) { 
   5:         return javaObjectForIBinder(env, parcel->readStrongBinder()); 
   6:     } 
   7:     return NULL; 
   8: }

 

parcel->readStrongBinder()将会产生一个IBinder对象。

5、查看Parcel.cpp中,Parcel的方法readStrongBinder。代码如下:

   1: sp<IBinder> Parcel::readStrongBinder() const 
   2: { 
   3:     sp<IBinder> val; 
   4:     unflatten_binder(ProcessState::self(), *this, &val); 
   5:     return val; 
   6: }

 

6、查看Parcel.cpp中,Parcel的方法unflatten_binder。代码如下:

   1: status_t unflatten_binder(const sp<ProcessState>& proc, 
   2:     const Parcel& in, sp<IBinder>* out) 
   3: { 
   4:     const flat_binder_object* flat = in.readObject(false); 
   5:      
   6:     if (flat) { 
   7:         switch (flat->type) { 
   8:             case BINDER_TYPE_BINDER: 
   9:                 *out = static_cast<IBinder*>(flat->cookie); 
  10:                 return finish_unflatten_binder(NULL, *flat, in); 
  11:             case BINDER_TYPE_HANDLE: 
  12:                 *out = proc->getStrongProxyForHandle(flat->handle); 
  13:                 return finish_unflatten_binder( 
  14:                     static_cast<BpBinder*>(out->get()), *flat, in); 
  15:         }    
  16:     } 
  17:     return BAD_TYPE; 
  18: } 

终于看到调用我们的老朋友ProcessState对象的getStrongProxyForHandle方法了,这样将会创建一个BpBinder对象,然后该BpBinder对象将会被转换成IBinder对象返回给Java层。

7、Java层为了用使用Service方便,可以把Service代理对象——BpBinder对象(IBinder对象)封装成一个对客户程序友好的代理对象,就如前面ServiceManagerProxy所示那样。

8、用户程序就可以通过该代理对象访问相应Service了。

    通过所述,我们了解了Service代理对象在Java层的创建和使用。Android系统的Binder机制博大精深,我在本文中很多方面都是蜻蜓点水,如果想深入学习请参阅Android的源码。

 

 

 

1、系统Service实例——Media server

    首先我们先看一下Android一个实例Media Service,代码位于framework/base/media/mediaserver/main_mediaserver.cpp文件:

   1: // System headers required for setgroups, etc. 
   2: #include <sys/types.h> 
   3: #include <unistd.h> 
   4: #include <grp.h> 
   5:   
   6: #include <binder/IPCThreadState.h> 
   7: #include <binder/ProcessState.h> 
   8: #include <binder/IServiceManager.h> 
   9: #include <utils/Log.h> 
  10:   
  11: #include <AudioFlinger.h> 
  12: #include <CameraService.h> 
  13: #include <MediaPlayerService.h> 
  14: #include <AudioPolicyService.h> 
  15: #include <private/android_filesystem_config.h> 
  16:   
  17: using namespace android; 
  18:   
  19: int main(int argc, char** argv) 
  20: { 
  21:     sp<ProcessState> proc(ProcessState::self()); 
  22:     sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager(); 
  23:     LOGI("ServiceManager: %p", sm.get()); 
  24:     AudioFlinger::instantiate(); 
  25:     MediaPlayerService::instantiate(); 
  26:     CameraService::instantiate(); 
  27:     AudioPolicyService::instantiate(); 
  28:     ProcessState::self()->startThreadPool(); 
  29:     IPCThreadState::self()->joinThreadPool(); 
  30: }

 

    我们发现Media Server是一个进程,并且该程序的实现表面上也挺简单,其实并不简单,让我们慢慢分析一下Media Server。

1、第一句创建创建一个ProcessState的引用,但是这个对象后面并没有被调用到,那么为什么创建呢?请回想一下我在博文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)》中介绍ProcessState对象时提到:如果一个进程要使用Binder机制,那么他的进程中必须要创建一个ProcessState对象来负责管理Service的代理对象。

2、第二句调用defaultServiceManager获得一个Service Manager代理对象,我在《
Android系统的Binder机制之二——服务代理对象(1)》已经对此有了详细的介绍这里就不赘述了。

3、后面几行都是创建具体的Service,我们展开之后发现都是一些调用Service Manager的addService进行注册的函数,以AudioFlinger为例,instantiate代码如下:

   1: void AudioFlinger::instantiate() { 
   2:     defaultServiceManager()->addService( 
   3:             String16("media.audio_flinger"), new AudioFlinger()); 
   4: }

 

4、最后调用ProcessState的startThreadPool方法和IPCThreadState的joinThreadPool使Media Server进入等待请求的循环当中。

    我们可以看出一个进程中可以有多个Service,Media Server这个进程中就存在AudioFlinger,MediaPlayerService,CameraService,AudioPolicyService四个Service。

2、系统Service的基础——BBinder

    我们仔细查看一下Media Server中定义的四个Service我们将会发现他们都是继承自BBinder,而BBinder又继承自IBinder接口,详细情况请自行查看他们的代码。每个Service都改写了BBinder的onTransact虚函数,当用户发送请求到达Service时,框架将会调用Service的onTransact函数,后面我们将会详细的介绍这个机制。

3、Service注册

    每个Service都需要向“大管家”Service Manager进行注册,调用Service Manager的addService方法注册。这样Service Manager将会运行客户端查询和获取该Service(代理对象),然后客户端就可以通过该Service的代理对象请求该Service的服务。

4、Service进入等待请求的循环

    每个Service必须要进入死循环,等待客户端请求的到达,本例中最后两句就是使Service进行等待请求的循环之中。ProcessState的startThreadPool方法最终调用的也是IPCThreadState的joinThreadPool方法,具体请查看代码。IPCThreadState的joinThreadPool方法的代码如下:

   1: void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain) 
   2: {
   3:       ......   
   4:       do { 
   5:         int32_t cmd; 
   6:          
   7:         ...... 
   8:   
   9:         // now get the next command to be processed, waiting if necessary 
  10:         result = talkWithDriver(); 
  11:         if (result >= NO_ERROR) { 
  12:             ...... 
  13:   
  14:             result = executeCommand(cmd);
  15:         } 
  16:          
  17:         ...... 
  18:     } while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF); 
  19:   
  20:     ...... 
  21: } 

    Service在IPCThreadState的joinThreadPool方法中,调用talkWithDriver方法和Binder驱动进行交互,读取客户端的请求。当客户端请求到达之后调用executeCommand方法进行处理。

    我们再看一下Service怎样处理客户端的请求?我们们查看一下executeCommand方法的源码:

   1: status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd) 
   2: { 
   3:     BBinder* obj; 
   4:     RefBase::weakref_type* refs; 
   5:     status_t result = NO_ERROR; 
   6:      
   7:     switch (cmd) { 
   8:         ......  
   9:          case BR_TRANSACTION: 
  10:         { 
  11:             ...... 
  12:             if (tr.target.ptr) { 
  13:                 sp<BBinder> b((BBinder*)tr.cookie); 
  14:                 const status_t error = b->transact(tr.code, buffer, &reply, 0); 
  15:                 if (error < NO_ERROR) reply.setError(error); 
  16:                  
  17:             }  
  18:             ......             
  19:         } 
  20:         break; 
  21:      
  22:     ...... 
  23:     } 
  24:   
  25:     if (result != NO_ERROR) { 
  26:         mLastError = result; 
  27:     } 
  28:      
  29:     return result; 
  30: }

 

可以看到IPCThreadState将会直接调用BBinder的transact方法来处理客户端请求,我们再看一下BBinder的transact方法:

   1: status_t BBinder::transact( 
   2:     uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags) 
   3: { 
   4:     data.setDataPosition(0); 
   5:   
   6:     status_t err = NO_ERROR; 
   7:     switch (code) { 
   8:         case PING_TRANSACTION: 
   9:             reply->writeInt32(pingBinder()); 
  10:             break; 
  11:         default: 
  12:             err = onTransact(code, data, reply, flags); 
  13:             break; 
  14:     } 
  15:   
  16:     if (reply != NULL) { 
  17:         reply->setDataPosition(0); 
  18:     } 
  19:   
  20:     return err; 
  21: }

 

我们发现他将会叫用自己的虚函数onTransact。我们前面提到所有的Service都集成自BBinder,并且都改写了onTransact虚函数。那么IPCThreadState将会调用Service定义onTransact方法来响应客户请求。


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