图说Android Binder机制

2017-09-19 本文已影响0人风雪围城

背景

　　Binder机制，是Android系统跨进程协作的核心。我们知道，每个应用独立地运行在自己的进程虚拟地址空间中，就像是独自占有CPU、内存等资源，相互之间不可见。Android系统中的一个个应用，亦如一个个信息孤岛。正是Binder这样的跨进程访问机制，提供了孤岛之间沟通的桥梁。

Binder是应用之间沟通的桥梁
　　如上图所示，鉴于安全和效率的考虑，Android系统服务提供是一种典型的C/S架构，如果希望获取系统服务，就必须进程IPC请求，而Binder正是数据交互的核心。
　　平时做应用开发，其实很少会操心这种底层机制，但是设计思想却是通用的，为了学习它的这种思想，同时弄懂Binder机制，更好地进行应用开发，这几天找了很多资料。现在开始，才有那么点绕出来的感觉。这里，不谈源码实现，通过对各种资料的汇集，更多的以图的形式通俗展现Binder的内部机制。

Binder通信基础

　　就整个通信过程，将围绕着数据传递的前提，数据如何传递，以及传递背后的协议来展开。

用户空间和内核空间---谁来中转数据

　　我们知道，进程运行在虚拟地址空间，鉴于安全考虑，这块空间被分为用户空间和内核空间。其中，用户空间的执行权限较低，凡是需要访问物理设备、IO等，都需要通过系统调用的方式，由内核代码在内核空间运行。如下图所示：

用户空间和内核空间的关系
　　由上图可知，每个进程通过系统调用进入内核，Linux内核空间由系统内的所有进程共享。从进程的角度看，每个进程拥有4G的虚拟空间。每个进程有各自的私有用户空间（0-3G），这个空间对系统的其他进程是不可见的。最高的1G内核空间则为所有进程以及内核所共享。这段共享的内核空间，就构成了传统Linux系统中数据不同进程之间数据交换的基础。更进一步，是依赖两个函数：

进程空间、内核空间与物理地址之间的转换关系
数据通过 copy_from_user 来到内核空间，通过copy_to_user 返回给用户空间。
由上可知，数据的传输过程至少需要对数据进行两次拷贝，但是在 Android 中又有不同，为了数据的高效传输，它对数据的拷贝仅需要一次，原因在于：Server 进程在通过 open 打开 Binder 驱动（在此处传入了进程信息，即 binder_proc），使用 mmap 进行内存映射的时候，映射出的物理内存同时存在于内核空间和 Server 所运行的 Binder 进程的用户空间。而内核空间和用户空间都是虚拟逻辑空间。这样，当数据 copy_from_user 之后存在内核空间，这页内存空间所在的实际物理空间实际上也对应于用户空间。这样，就无需在执行 copy_to_user的操作。

Android 数据跨进程传输过程

序列化与反序列化---什么样的数据完成进程穿透

　　那么，什么样的数据，能够方便、安全地穿透进程间壁垒，完成进程间通信呢？
　　序列化数据。在应用层，就是一个Parcel对象。
　　关于序列化和反序列化，下面的这张图，描述的很清楚。

数据的转换过程
　　如上图所示，我们都做过将一张纸裁剪成正方体的游戏。现在将正方体拆开，还原成平面的纸，然后通过传真机发送到远端，在远端接收后，安装纸面上的轨迹，还原这个正方体。
　　实际上，这给了我们启示，在面向对象的世界里，一个复杂的对象该如何在不同进程中传递的思路，这是说我们需要把一个复杂的对象的简化了，变得平滑，转换成基础数据结构（int ,float,long等），发送到远端后，再从远端复原成复杂对象。

 public class MyParcelable implements Parcelable {
     private int mData;

     public int describeContents() {
         return 0;
     }
     //转换成Parcel对象，完成序列化
     public void writeToParcel(Parcel out, int flags) {
         out.writeInt(mData);
     }
     //从Parcel转换成原对象，完成反序列化
     public static final Parcelable.Creator<MyParcelable> CREATOR
             = new Parcelable.Creator<MyParcelable>() {
         public MyParcelable createFromParcel(Parcel in) {
             return new MyParcelable(in);
         }

         public MyParcelable[] newArray(int size) {
             return new MyParcelable[size];
         }
     };
     
     private MyParcelable(Parcel in) {
         mData = in.readInt();
     }
 }

来一发服务请求---协议保证

　　什么是协议？协议就是双方的约定，就是规矩，就是格式。下面，我们来看看一个实际远程调用过程的数据穿透协议。

跨进程调用
　　上图实际执行了系统服务MediaPlayer的setVolume(float,float)函数调用过程，而执行的实体实际上是远端的服务进程。
　　数据write_buffer实际上是通过copy_from_user传递到内核空间。传递的内容，在上图中一目了然，主要包括类（android.media.IMediaPlayer），方法（通过数字26映射），参数（1.0,1.0）。以上，就是函数调用从用户空间被传递到内核空间，通过Binder驱动发送到实际执行的远程服务进程完成执行操作。

Binder通信机制

　　上面，我们该对整个通信过程有了一个大概的印象，应该已经清楚，数据从哪里来，如何穿透进程壁垒以及穿透的基础。接下来，我们先来通过下图澄清几个概念。

Binder通信的粗略过程

Binder驱动：一个内核层级的驱动，促成了进程间通信。有人把它比作网络通信中的路由器，而路由器的作用，就是从原地址存储转发数据目的地址，很贴切。
Binder对象：是IBinder接口的实现。实际上就是远程服务动作的实际执行者。
BinderToken：也有叫 handler 的。实际上就是一个32位的整型值，唯一的代表了一个远端Binder对象。
Binder Service：实际持有Binder对象，处理业务逻辑。
Binder Client：请求Binder服务者。
Proxy：实现了AIDL接口，能够序列化/反序列化数据结构，同时能够通过Binder引用进程远程调用。
Stub：能够序列化和反序列化数据，并把转换过程映射到实际的服务端的方法调用。
Context Manager：一个注册 handler（句柄）为0的特殊Binder对象。通过name到handler的映射关系，注册和查找别的Binder对象。也有人把它对应为DNS服务器。DNS服务器的作用，就是通过IP地质到域名的映射，提供查找和注册。即我们向DNS服务器注册自己的IP，并把它映射到一个域名；这样，别人就可以通过域名来访问我们的主机，因为DNS服务器将把这个域名转换为IP。

把上图再细致一点，放大，如下图所示：

Binder通信详细过程

Client：

首先，客户端从ContextManager中通过服务名，拿到远程服务的handler（句柄），也就是binder token。
调用远程服务的 foo 方法，然后序列化参数；
通过 transact 把调用相关的资料提交给 libbinder处理；
由 libbinder 通过ioctl进程系统调用，将foo调用请求提交给binder驱动；
binder驱动通过handler找到真正的远端服务进程，然后通过ioctl函数将foo调用传递给远端服务进程的 libbinder；
远端libbinder将调用交给Stub；
在Stub中，反序列化调用信息，还原；
Stub找到实际服务提供者，执行客户端的请求；
将结果序列化
......
再通过Binder驱动，返回给客户端。

Server：
主要是在ContextManager中完成注册（name -> handler）；等待接收Binder驱动发来的请求。

Binder限制

在使用Binder进程跨进程调用的时候，有两个重要的限制需要注意：

一个服务进程中最多同时支持15个binder线程处理请求；
一个进程中用户交互穿透数据的缓存大小最多为1M，这就意味着，在传递的数据是有限的，如果资源耗尽，会抛出异常。

最后

作为一个应用开发者，对本质对底层的C实现机制，有些技痒，但是久未使用过C，想从源码的角度深入分析，需要花费更多精力，目前似乎又没有这个必要，那么，就先浅尝辄止，不求甚解。如有不对的地方，还请指出。
收获，就在于对序列化、反序列化的认识；对数据结构化的认识；从Binder框架的认识；以后再读源码的时候，不会被各种服务调用搞的晕头转向；再有就是对AIDL的使用上，不用再死记硬背如何通过AIDL进程跨进程调用了。
后面，会写一下AIDL跨进程调用过程。
本文参考链接：
https://blog.checkpoint.com/wp-content/uploads/2015/02/Man-In-The-Binder-He-Who-Controls-IPC-Controls-The-Droid-wp.pdf
https://events.linuxfoundation.org/images/stories/slides/abs2013_gargentas.pdf
https://www.dre.vanderbilt.edu/~schmidt/cs282/PDFs/android-binder-ipc.pdf
想要深入源码和数据结构的同学，可以参考以下链接：
http://gityuan.com/2015/11/01/binder-driver/
http://www.cloudchou.com/android/post-507.html
http://www.jianshu.com/p/1050ce12bc1e
http://blog.csdn.net/universus/article/details/6211589#comments
https://github.com/xdtianyu/SourceAnalysis/blob/master/Binder%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90.md
或者，自己去找binder.c 和 binder.h 这两个文件来看吧。