android binder机制之三 Server Porxy
服务代理对象
上一篇android binder机制之--（我是Service Manager）我们学习了Service Manager（服务管家）在Android Binder中的作用——服务（Service）注册，服务（Service）查询和获取等功能。
我们知道Service Manager既是服务的管理对象，又是一个系统级的服务server（通过向驱动发送设置命令，使自己成为服务管家），它用来管理系统服务，也用于向客户端体统服务。那么Service Manager的客户端（包括我们通常所说的其它系统服务和系统服务的客户端）如何同它进行通讯呢？客户端不可能凭空发送请求吧！那么在android系统中的binder肯定有实现客户端和服务端联系的机制。
本文我们一起学习服务（Service）在客户端中的代理机制，服务代理对象就是服务端和客户端的这个联络员。在详细介绍服务代理之前，让我们先来了解一下服务代理在应用中的模型。
（一）服务代理应用模型
下面是客户端（这里的客户端是泛指请求服务的一方，自然有时候也包括System Server，比如当System Server向Service Manager请求添加服务的时候）通过服务代理，向服务器端请求服务的模型：
（1）首先客户端向Service manager查找相应的Service。这在前一篇文中有比较详细的介绍，这里不做赘述。
（2）Android系统的binder机制将会为客户端进程中创建一个Service代理，这个创建过程是本文的重点，下面会详细介绍。
（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，然后由Service代理把用户请求转发给Service本身。
（4）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（调用挂起，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。这就是我之前说的Binder机制的一个特点—线程迁移，这使得一个线程就像进入另一个线程执行并待会执行结果。
（二）MediaService
要想说明白服务代理的创建过程，还真不是那么容易的，最好的办法就是参照android中的源码，一步步走下去，这里我们还是选择MediaService的应用为例吧（看过一些资料也是以MS为例介绍的）。
MediaService是android系统中的一个应用程序，和其他普通的应用程序没什么不同，源码如下：
framework\base\Media\MediaServer\Main_mediaserver.cpp
int main(int argc, char** argv)
{
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
LOGI("ServiceManager: %p", sm.get());
AudioFlinger::instantiate();
MediaPlayerService::instantiate();
CameraService::instantiate();
AudioPolicyService::instantiate();
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}
怎么样？看到这个文件的代码是不是很迷惑啊！那么多陌生的东东，怎么理解啊！那么多的难关，那么厚的面纱，看来，要想见到服务代理的创建，还得过五关斩六将啊！下面我们就来层层剥开她神秘的面纱。
（1）ProcessState
在Android系统中任何进程，要想使用Binder机制，必须要创建一个ProcessState对象和IPCThreadState对象（不要急，这个对象我们将在后面介绍）。
我们知道，一个客户端进程可能有多个Service的服务，这样就会创建多个Service代理（BpBinder对象，当然上面还会有封装的），那么这个进程就需要一个东东来管理这些服务代理。ProcessState就是这么个东东，它的作用就是维护当前进程中所有Service代理。
ProcessState是一个singleton类型（关于这个类型，你可以查阅相关资料），一个进程只能创建一个他的对象。客户端进程中的ProcessState对象将会负责维护这些Service代理。那既然这样，Service代理是不是就是这个ProcessState创建的呢？呵呵，你猜对了，Service代理正是在这里被创建的，不过我可没打算现在就来分析服务代理的创建过程，你的一步一步脚踏实地地才能走向“光明”哦！
上面的main函数中的第一句是什么？不就是这个ProcessState嘛，这里我们暂且记住一点，她就是一个管理服务代理的对象就好。先来看看她的创建过程，那就看看她的构造函数，咦，怎会回事？这个构造函数是私有成员那！
private:
ProcessState();
嗯，你没有看错，它的确是被声明成私有成员了，那就意味着在类的外部无法直接通过其构造函数，生成自己的一个对象，所以上面Main函数里面用了另一个公有成员函数ProcessState::self()，来调用其构造函数，生成ProcessState对象：
sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
if (gProcess != NULL) return gProcess;//如果已经创建了，//则直接返回这个全局的ProcessState对象
AutoMutex _l(gProcessMutex);
//如果第一次创建，调用其构造函数
if (gProcess == NULL) gProcess = new ProcessState;
return gProcess;
}
还记得Main函数中的第一句：
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
不是说不能在外部直接调用其构造函数的吗？其实这也不是我们讨论的重点，不过既然说了，就解释一下吧。熟悉C++的朋友应该都知道，当你定义的类中，没有显示定义一个复制构造函数的话，系统会帮你添加一个默认的复制构造函数，上面的就是调用这个复制构造函数。
ProcessState::ProcessState()定义如下：
ProcessState::ProcessState()
: mDriverFD(open_driver()) /*太高强了，竟然在初始化列表中，直接调用函数，初始化成员变量，真是不容易看到啊*/
, mVMStart(MAP_FAILED)
, mManagesContexts(false)
, mBinderContextCheckFunc(NULL)
, mBinderContextUserData(NULL)
, mThreadPoolStarted(false)
, mThreadPoolSeq(1)
{
……
mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);//映射内存
……
}
这样就生成了一个ProcessState对象proc，用来管理本进程中所有的服务代理，当程序运行结束，proc会自动delete内部的内容，自动释放了先前分配的资源。
这里ProcessState对象打开了/dev/binder设备，并保留了文件描述符，那么打开设备文件，自然是要用它进行通讯了，不过在ProcessState中你还真的很难找到，使用这个文件描述符进行通讯的代码。那么它在什么地方使用呢？我们会在后面介绍IPCThreadState时候在有说明。
（2）defaultServiceManager（）
……
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
这里生成了一个IserviceManager的对象ｓｍ，IserviceManager是什么？还记得上一篇文中的内容吧，serviceManager是服务管家，它负责系统服务的管理。你当然不会简单的认为有了serviceManager这个程序就万事ＯＫ了，这个守护进程做这么伟大的事，怎么可能孤军奋战，每一个成功的男人背后都有一个支持他的女人，这是谁说的，不记得了，呵呵！serviceManager也不例外，IserviceManager就提供了这样的一个机制，给了serviceManager管理服务的能力。
那么这个ｓｍ究竟什么呢？说的明白点，上面那行代码就是生成了一个服务代理啦！不要惊奇，ＭＳ进程就是通过这个代理对象ｓｍ和Service Manager通讯的，下面我们就来重点分析这个IserviceManager对象ｓｍ的创建过程。
Frameworks\base\libs\binder\IserviceManager.cpp
p<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
if (gDefaultServiceManager != NULL)
return gDefaultServiceManager; //如果已经创建过，//直接返回
{
AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock);
if (gDefaultServiceManager == NULL) {
gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(ProcessState::self()->getContextObject(NULL)); //创建代理对象
}
}
return gDefaultServiceManager;
}
这个函数中调用了下面的语句：
gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(ProcessState::self()->getContextObject(NULL)); //创建代理对象
这是创建代理对象的地方，这句代码比较复杂一些，先来看看它的参数吧，ProcessState::self()我们现在已经很熟悉了，getContextObject()函数是干什么的：
sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& caller)
{
if (supportsProcesses()) {
/*根据参数句柄，创建一个代理对象，这里传的参数是0，记住这一点，在后面我们会解释*/
return getStrongProxyForHandle(0);
} else {
return getContextObject(String16("default"), caller);
}
}
这个getStrongProxyForHandle(int32_t handle)函数才是真正创建服务代理的地方，上面都是对其的封装罢了，看看这段代码：
sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle)
{
sp<IBinder> result;
AutoMutex _l(mLock);
handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle);/*我们之前说过ProcessState维护了该进程的一个服务代理对象的列表，这里就是根据handle句柄，在当前进程的服务代理链表中查找指定的服务代理对象，并返回一个handle_entry 指针*/
if (e != NULL) {
IBinder* b = e->binder;
if (b == NULL || !e->refs->attemptIncWeak(this)) {
b = new BpBinder(handle); /*看这里，服务代理就是在这被创建的，对，没错，BpBinder才是真正的服务代理，在上层生成的BpIServiceMananger对象是对她的封装，后面再做介绍*/
e->binder = b;
if (b) e->refs = b->getWeakRefs();//增加引用计数
result = b;
} else {
result.force_set(b);
e->refs->decWeak(this);
}
}
return result;
}
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，保存将要创建的代理对象。lookupHandleLocked的源码这里就不贴出来了，自己查阅吧！
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。下面是BpBinder的构造函数：
BpBinder::BpBinder(int32_t handle)
: mHandle(handle)
, mAlive(1)
, mObitsSent(0)
, mObituaries(NULL)
{
LOGV("Creating BpBinder %p handle %d\n", this, mHandle);
extendObjectLifetime(OBJECT_LIFETIME_WEAK);
IPCThreadState::self()->incWeakHandle(handle);
}
注意：上面创建服务代理对象时，传递的是handle，handle是一个表示符，用来标志不同的服务类型，这里的handle其实是0，上面已经有所说明，可以回头看看。Binder机制中，binder驱动每个服务维护一个服务句柄（这是Windows中的概念），上层创建服务代理对象时，传入一个唯一标志服务句柄handle，就可以获得这个特定服务句柄的代理对象。0号服务句柄就是Service Mananger服务的，这是著名句柄，众所周知的。
这里多少两句，我们刚才应该看到了，代码生产了一个BpBinder对象，并赋给了sp<IBinder>指针，说明BpBinder是Ibinder的一个继承类。Ibinder类是android系统对binder机制的一个抽象定义，其实就是一个抽象类，所有要实现binder机制的客户，服务端都要继承这个抽象类。 这时程序又返回到了这里：
gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(ProcessState::self()->getContextObject(NULL)); //创建代理对象
这个调用ProcessState::self()->getContextObject(NULL)返回的是sp<IBinder>类型，而gDefaultServiceManager是一个sp<IServiceManager>对象，这两者有嘛关系啊，为何能够转换呢？先不管这些，先来看看这个interface_cast<XXX>如何定义的吧！
Framework\base\include\binder\Iiterface.h
template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
return INTERFACE::asInterface(obj);
}
这是个模版类，C++特有的东东，刚才的我们看到的是用IserviceManager来对模版进行实例化的，那我们还原一下代码：
template<typename IserviceManager>
inline sp< IserviceManager > interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
return IserviceManager::asInterface(obj);
}
那么这个IserviceManager：：asInterface()在哪儿呢？我找遍源码也没发现它定义的地方，后来发现不是那么回事，要想理清这层关系还要从IserviceManager类说起，下面是它的定义：
Framework\base\include\binder\IserviceManager.h
class IServiceManager : public IInterface
{
public:
DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);
……
virtual status_t addService( const String16& name,
const sp<IBinder>& service) = 0;
……
};
这个类继承了IIterface类，并出现一个貌似宏的东东DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);这是什么玩意呢？不太喜欢这个东东，所以一开始看代码时就没太注意这东西，可后来才发现这是类型转换的关键所在，看看定义：
Framework\base\include\binder\Iiterface.h
#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE) \
static const String16 descriptor; \
static sp<I##INTERFACE> asInterface(const sp<IBinder>& obj); \
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const; \
I##INTERFACE(); \
virtual ~I##INTERFACE(); \
这里可没有注释啊，那些“\”玩意都是控制换行连接的，这个定义一大堆的，都什么玩意，看的头痛，咱也不管它是什么，我们先来个顺藤摸瓜，既然上面IserviceManager类定义时，传递了一个ServiceManager参数，那就给他兑换出来看看得了，我把“\”去掉，就当是一个函数了，方便观察。
#define DECLARE_META_INTERFACE(serviceManager)
｛
static const String16 descriptor;
static sp<IserviceManager> asInterface(const sp<IBinder>& obj);
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
IserviceManager();
virtual ~IserviceManager();
｝
呵呵，这下就一目了然了吧，不就是声明了一个字符串描述符和一个返回描述符的接口函数，还有构造和析构函数嘛! 当然，这里出现了我们想要的东西asInterface（）的定义，那这样我们上面的函数调用就有着落啦！嗯，现在是看看它定义的时候了！
既然它声明这么横空，那定义怎么着也得打扮一下吧！瞧瞧，在IserviceManager.cpp文件中有这么一句代码：
IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager, "android.os.IServiceManager");
真是双胞胎啊，长的那么像，看看这个孪生胞弟：
#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME) \
const String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME); \
const String16& I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const { \
return I##INTERFACE::descriptor; \
} \
sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(const sp<IBinder>& obj) \
{ \
sp<I##INTERFACE> intr; \
if (obj != NULL) { \
intr = static_cast<I##INTERFACE*>( \
obj->queryLocalInterface( \
I##INTERFACE::descriptor).get()); \
if (intr == NULL) { \
intr = new Bp##INTERFACE(obj); \
} \
} \
return intr; \
} \
I##INTERFACE::I##INTERFACE() { } \
I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { }
还是看不下去了，先兑现先：
#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(serviceManager, "android.os.IServiceManager")
const String16 IserviceManager::descriptor("android.os.IServiceManager");
const String16& IserviceManager::getInterfaceDescriptor() const {
return IserviceManager::descriptor;
}
sp<IserviceManager> IserviceManager::asInterface(const sp<IBinder>& obj)
{
sp<IserviceManager> intr;
if (obj != NULL) {
intr = static_cast<IserviceManager*>(
obj->queryLocalInterface(IserviceManager::descriptor).get());
if (intr == NULL) {
intr = new BpserviceManager (obj); /*原来在这里，通过Ibinder对象创建了一个BpserviceManager对象，然后返回给MS进程*/
}
}
return intr;
}
I##INTERFACE::IserviceManager () { }
I##INTERFACE::~IserviceManager () { }
这下终于清楚了，最后就是将一个BpServiceManager对象返回给sm，那么你也看出来了，BpServiceManager是IserviceManager的一个继承类，而这个对象sm就是MS进程获得的Service Manager服务的代理了，MS就可以通过sm这个代理对象发送添加服务等请求了。
代码走到这里，服务代理对象的生成过程就结束了，总之一句话，defaultServiceManager（）函数返回了一个Service Manager的服务代理对象，提供给本进程的其他服务器端或客户端访问Service Manager的接口。
（三）服务器端初始化
framework\base\Media\MediaServer\Main_mediaserver.cpp
int main(int argc, char** argv)
{
……
AudioFlinger::instantiate();
MediaPlayerService::instantiate();
CameraService::instantiate();
AudioPolicyService::instantiate();
……
}
这四行代码就是android系统中，SM进程驱动的四个系统服务的初始化代码。每个服务都调用自己的instantiate（）实例化函数，向Service Manager注册自己，以为之前做过Camera模块，比较熟悉点，呵呵，所以我们以CameraServce：：instantiate（）为例来说明服务器端实例化的过程：
Framework\base\camera\libcameraservice\cameraservice.cpp
void CameraService::instantiate() {
defaultServiceManager()->addService(
String16("media.camera"), new CameraService());
}
其实就是这么简单，首先创建一个自己的实例，然后调用defaultServiceManager()函数，获得Service Manager的服务代理对象，再通过这个代理对象调用添加服务函数，将自己注册到服务管理器，这个过程中的每一步，前面我们都已经分析过了，可以回头看看。其他的服务实例化过程和这个过程相同。
（四）ThreadState:: startThreadPool()
Void Main()
{
……
……
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}
上面的代码已经说过了，这里就不列出来了，当MS执行到这里时，本进程完成了如下工作：
（1） 创建了ProcessState对象，用来管理本进程中获取的服务代理对象。注意：每一个进程只能创建一个该对象。
（2） 获取了Service Manager的服务代理对象，可以通过这个对象和服务管家通讯了。
（3） 实例化了一些服务，并向服务管家成功添加了这些服务。
既然服务端准备好了，就应该进入循环状态，以便接收来自客户端的请求，没错，那么，下面我们继续分析上面两句代码：
void ProcessState::startThreadPool()
{
AutoMutex _l(mLock);
if (!mThreadPoolStarted) {
mThreadPoolStarted = true;
spawnPooledThread(true);
}
}
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
if (mThreadPoolStarted) {
……
sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
//创建线程池，然后跑起来
t->run(buf);
}
}
PoolThread继承自Thread，这里的PoolThread（）构造函数，其实什么都没做，就连run（）函数都没有重载，创建该对象后直接调用run()函数。真正的线程创建在其父类Thread的run()中被创建：
status_t Thread::run(const char* name, int32_t priority, size_t stack)
{
……
if (mCanCallJava) {
res = createThreadEtc(_threadLoop,
this, name, priority, stack, &mThread);
//这里创建了一个_threadLoop线程函数，这时候线程运行起来
} else {
res = androidCreateRawThreadEtc(_threadLoop,
this, name, priority, stack, &mThread);
}
……
}
int Thread::_threadLoop(void* user)
{
Thread* const self = static_cast<Thread*>(user);
do {
if (first) {
first = false;
self->mStatus = self->readyToRun();
……
} else {
result = self->threadLoop();//调用PoolThread的threadLoop()
}
……
} while(strong != 0);
return 0;
}
Framework\base\libs\binder\ProcessThread.cpp
virtual bool threadLoop()
{
IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
return false;
}
到了这里，发现很奇怪啊，也是调用的IPCThreadState：：joinThreadPool（）函数，好吧，既然两句都是调用这个函数，而且这里都再次引入了一个不可忽视的对象IPCThreadState，下面先来了解一下什么是IPCThreadState，然后在分析这个joinThreadPoll()函数。
（五）IPCThreadState
前面我们有提过，在ProcessState中打开了一个binder设备文件，并返回了一个文件描述符，在ProcessState中并没有使用这个文件描述符的地方，那么这个文件描述符到底被谁使用了呢？对，就是IPCThreadState对象。
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。它在android的binder机制中扮演什么样的角色呢？到了这里，你也可能已经猜到了，IPCThreadState主要负责信息的传递，所有要到达binder驱动和驱动中出来的信息，都要由IPCThreadState来传递。IPCThreadState有一个传输函数transact（）：
status_t IPCThreadState::transact(int32_t handle,
uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags)
{
……
if ((flags & TF_ONE_WAY) == 0) {
if (reply) {
err = waitForResponse(reply);
} else {
Parcel fakeReply;
err = waitForResponse(&fakeReply);
}
} else {
err = waitForResponse(NULL, NULL);
}
return err;
}
status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult)
{
int32_t cmd;
int32_t err;
while (1) {
if ((err=talkWithDriver()) < NO_ERROR) break;
err = mIn.errorCheck();
cmd = mIn.readInt32();
switch (cmd) {
case BR_TRANSACTION_COMPLETE:
if (!reply && !acquireResult) goto finish;
break;
……
}
return err;
}
status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
……
do {
if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)
……
} while (err == -EINTR);
……
}
这里出现ioctl（）函数了，这可是binder驱动的接口啊，下面就不再跟踪了，总之，上层的信息就是通过这个途径发送的binder驱动的。这样我们再来总结一下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。
说了半天，这里还是通过mDriverFD文件描述符，向binder设备文件写入数据。可是这个mDriverFD不是ProcessState的东东吗，怎么在这里被引用了呢？看看ProcessSate类定义就知道了。
private:
friend class IPCThreadState;
哦，原来IPCThreadState是ProcessState的一个友元类，这样IPCThreadSate就可以名正言顺地使用mDriverFD了。好了，下面我们继续来分析joinThreadPool()函数吧！
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
androidSetThreadSchedulingGroup(mMyThreadId, ANDROID_TGROUP_DEFAULT);
status_t result;
do {
int32_t cmd;
result = talkWithDriver();
result = executeCommand(cmd);
}
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);
talkWithDriver(false);
}
看到了吧，这里是一个循环，循环调用talkWithDriver()从binder设备文件中读取信息，然后调用executeCommand()函数处理信息。这就是系统服务的循环体，不断重复地响应客户端的请求。
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。那么现在我们从客户端和服务器端分别来总结一下IPCThreadState对象的作用。
（1）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，详细的内容我们放在下一篇文章介绍。
（2）作为Service进程，当他完成初始化工作之后，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。
（六）总结
本文中我们通过MS程序，分析了Service Manager服务代理的创建过程，以及服务线程启动循环监听消息的过程，当然还有服务代理的概念，服务代理的管理对象ProcessState和消息传递对象IPCThreadState。
后面我们会从客户端请求服务端的服务的视角，来分析binder机制在android系统中的实际应用。