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Android Binder机制

2017-09-25  本文已影响0人  指尖流逝的青春

原文：http://weishu.me/2016/01/12/binder-index-for-newer/

要点

进程隔离

进程隔离是为保护操作系统中进程互不干扰而设计的一组不同硬件和软件的技术。这个技术是为了避免进程A写入进程B的情况发生。 进程的隔离实现，使用了虚拟地址空间。进程A的虚拟地址和进程B的虚拟地址不同，这样就防止进程A将数据信息写入进程B。
操作系统的不同进程之间，数据不共享；对于每个进程来说，它都天真地以为自己独享了整个系统，完全不知道其他进程的存在；(有关虚拟地址，请自行查阅）因此一个进程需要与另外一个进程通信，需要某种系统机制才能完成。

用户空间/内核空间

详细解释可以参考[Kernel Space Definition] ，简单理解如下：
Linux Kernel是操作系统的核心，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。
对于Kernel这么一个高安全级别的东西，显然是不容许其它的应用程序随便调用或访问的，所以需要对Kernel提供一定的保护机制，这个保护机制用来告诉那些应用程序，你只可以访问某些许可的资源，不许可的资源是拒绝被访问的，于是就把Kernel和上层的应用程序抽像的隔离开，分别称之为Kernel Space和User Space。

系统调用/内核态/用户态

虽然从逻辑上抽离出用户空间和内核空间；但是不可避免的的是，总有那么一些用户空间需要访问内核的资源；比如应用程序访问文件，网络是很常见的事情，怎么办呢？
Kernel space can be accessed by user processes only through the use of system calls.
用户空间访问内核空间的唯一方式就是系统调用；通过这个统一入口接口，所有的资源访问都是在内核的控制下执行，以免导致对用户程序对系统资源的越权访问，从而保障了系统的安全和稳定。用户软件良莠不齐，要是它们乱搞把系统玩坏了怎么办？因此对于某些特权操作必须交给安全可靠的内核来执行。
当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。

内核模块/驱动

通过系统调用，用户空间可以访问内核空间，那么如果一个用户空间想与另外一个用户空间进行通信怎么办呢？很自然想到的是让操作系统内核添加支持；传统的Linux通信机制，比如Socket，管道等都是内核支持的；但是Binder并不是Linux内核的一部分，它是怎么做到访问内核空间的呢？Linux的动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM）机制解决了这个问题；模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行。这样，Android系统可以通过添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间的通过这个模块作为桥梁，就可以完成通信了。
在Android系统中，这个运行在内核空间的，负责各个用户进程通过Binder通信的内核模块叫做Binder驱动;
驱动程序一般指的是设备驱动程序（Device Driver），是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作；
驱动就是操作硬件的接口，为了支持Binder通信过程，Binder使用了一种“硬件”，因此这个模块被称之为驱动。

为什么使用Binder？

Android使用的Linux内核拥有着非常多的跨进程通信机制，比如管道，System V，Socket等；为什么还需要单独搞一个Binder出来呢？主要有两点，性能和安全。在移动设备上，广泛地使用跨进程通信肯定对通信机制本身提出了严格的要求；Binder相对出传统的Socket方式，更加高效；另外，传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，只有在上层协议上进行架设；比如Socket通信ip地址是客户端手动填入的，都可以进行伪造；而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检，因而大大提升了安全性。这个也是Android权限模型的基础。

Binder通信模型

对于跨进程通信的双方，我们姑且叫做Server进程（简称Server），Client进程（简称Client）；由于进程隔离的存在，它们之间没办法通过简单的方式进行通信，那么Binder机制是如何进行的呢？
回想一下日常生活中我们通信的过程：假设A和B要进行通信，通信的媒介是打电话（A是Client，B是Server）；A要给B打电话，必须知道B的号码，这个号码怎么获取呢？通信录.
这个通信录就是一张表；内容大致是：
B -> 12345676
C -> 12334354
先查阅通信录，拿到B的号码；才能进行通信；否则，怎么知道应该拨什么号码？回想一下古老的电话机，如果A要给B打电话，必须先连接通话中心，说明给我接通B的电话；这时候通话中心帮他呼叫B；连接建立，就完成了通信。
另外，光有电话和通信录是不可能完成通信的，没有基站支持；信息根本无法传达。
我们看到，一次电话通信的过程除了通信的双方还有两个隐藏角色：通信录和基站。Binder通信机制也是一样：两个运行在用户空间的进程要完成通信，必须借助内核的帮助，这个运行在内核里面的程序叫做Binder驱动，它的功能类似于基站；通信录呢，就是一个叫做ServiceManager的东西（简称SM）
OK，Binder的通信模型就是这么简单，如下图：


image.png

整个通信步骤如下：

SM建立(建立通信录)；首先有一个进程向驱动提出申请为SM；驱动同意之后，SM进程负责管理Service（注意这里是Service而不是Server，因为如果通信过程反过来的话，那么原来的客户端Client也会成为服务端Server）不过这时候通信录还是空的，一个号码都没有。
各个Server向SM注册(完善通信录)；每个Server端进程启动之后，向SM报告，我是zhangsan, 要找我请返回0x1234(这个地址没有实际意义，类比)；其他Server进程依次如此；这样SM就建立了一张表，对应着各个Server的名字和地址；就好比B与A见面了，说存个我的号码吧，以后找我拨打10086；
Client想要与Server通信，首先询问SM；请告诉我如何联系zhangsan，SM收到后给他一个号码0x1234；Client收到之后，开心滴用这个号码拨通了Server的电话，于是就开始通信了。
那么Binder驱动干什么去了呢？这里Client与SM的通信，以及Client与Server的通信，都会经过驱动，驱动在背后默默无闻，但是做着最重要的工作。驱动是整个通信过程的核心，因此完成跨进程通信的秘密全部隐藏在驱动里面；这个我们稍后讨论。
OK，上面就是整个Binder通信的基本模型；做了一个简单的类比，当然也有一些不恰当的地方，(比如通信录现实中每个人都有一个，但是SM整个系统只有一个；基站也有很多个，但是驱动只有一个）；但是整体上就是这样的；我们看到其实整个通信模型非常简单。

Binder机制跨进程原理

上文给出了Binder的通信模型，指出了通信过程的四个角色: Client, Server, SM, driver; 但是我们仍然不清楚Client到底是如何与Server完成通信的。
两个运行在用户空间的进程A和进程B如何完成通信呢？内核可以访问A和B的所有数据；所以，最简单的方式是通过内核做中转；假设进程A要给进程B发送数据，那么就先把A的数据copy到内核空间，然后把内核空间对应的数据copy到B就完成了；用户空间要操作内核空间，需要通过系统调用；刚好，这里就有两个系统调用：copy_from_user, copy_to_user。
但是，Binder机制并不是这么干的。讲这么一段，是说明进程间通信并不是什么神秘的东西。那么，Binder机制是如何实现跨进程通信的呢？
Binder驱动为我们做了一切。
假设Client进程想要调用Server进程的object对象的一个方法add;对于这个跨进程通信过程，我们来看看Binder机制是如何做的。 （通信是一个广泛的概念，只要一个进程能调用另外一个进程里面某对象的方法，那么具体要完成什么通信内容就很容易了。）


image.png

Binder到底是什么？

驱动里面的Binder

深入理解Java层的Binder

AIDL过程分析

现在我们通过一个AIDL的使用，分析一下整个通信过程中，各个角色到底做了什么，AIDL到底是如何完成通信的。

ICompute.aidl
package com.example.test.app;

interface ICompute {
     int add(int a, int b);
}

package com.example.test.app;

public interface ICompute extends android.os.IInterface {
    /**
     * Local-side IPC implementation stub class.
     */
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.example.test.app.ICompute {
        private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.example.test.app.ICompute";

        /**
         * Construct the stub at attach it to the interface.
         */
        public Stub() {
            this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
        }

        /**
         * Cast an IBinder object into an com.example.test.app.ICompute interface,
         * generating a proxy if needed.
         */
        public static com.example.test.app.ICompute asInterface(android.os.IBinder obj) {
            if ((obj == null)) {
                return null;
            }
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
            if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.test.app.ICompute))) {
                return ((com.example.test.app.ICompute) iin);
            }
            return new com.example.test.app.ICompute.Stub.Proxy(obj);
        }

        @Override
        public android.os.IBinder asBinder() {
            return this;
        }

        @Override
        public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {
            switch (code) {
                case INTERFACE_TRANSACTION: {
                    reply.writeString(DESCRIPTOR);
                    return true;
                }
                case TRANSACTION_add: {
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    int _arg0;
                    _arg0 = data.readInt();
                    int _arg1;
                    _arg1 = data.readInt();
                    int _result = this.add(_arg0, _arg1);
                    reply.writeNoException();
                    reply.writeInt(_result);
                    return true;
                }
            }
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);
        }

        private static class Proxy implements com.example.test.app.ICompute {
            private android.os.IBinder mRemote;

            Proxy(android.os.IBinder remote) {
                mRemote = remote;
            }

            @Override
            public android.os.IBinder asBinder() {
                return mRemote;
            }

            public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {
                return DESCRIPTOR;
            }

            /**
             * Demonstrates some basic types that you can use as parameters
             * and return values in AIDL.
             */
            @Override
            public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException {
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                int _result;
                try {
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                    _data.writeInt(a);
                    _data.writeInt(b);
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);
                    _reply.readException();
                    _result = _reply.readInt();
                } finally {
                    _reply.recycle();
                    _data.recycle();
                }
                return _result;
            }
        }

        static final int TRANSACTION_add = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
    }

    /**
     * Demonstrates some basic types that you can use as parameters
     * and return values in AIDL.
     */
    public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException;
}

/**
 * Cast an IBinder object into an com.example.test.app.ICompute interface,
 * generating a proxy if needed.
 */
public static com.example.test.app.ICompute asInterface(android.os.IBinder obj) {
    if ((obj == null)) {
        return null;
    }
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
    if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.test.app.ICompute))) {
        return ((com.example.test.app.ICompute) iin);
    }
    return new com.example.test.app.ICompute.Stub.Proxy(obj);
}

Override
public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException {
    android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
    android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
    int _result;
    try {
        _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
        _data.writeInt(a);
        _data.writeInt(b);
        mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);
        _reply.readException();
        _result = _reply.readInt();
    } finally {
        _reply.recycle();
        _data.recycle();
    }
    return _result;
}

public native boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply,
            int flags) throws RemoteException;

@Override
public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {
    switch (code) {
        case INTERFACE_TRANSACTION: {
            reply.writeString(DESCRIPTOR);
            return true;
        }
        case TRANSACTION_add: {
            data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
            int _arg0;
            _arg0 = data.readInt();
            int _arg1;
            _arg1 = data.readInt();
            int _result = this.add(_arg0, _arg1);
            reply.writeNoException();
            reply.writeInt(_result);
            return true;
        }
    }
    return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}

至此，你应该对AIDL这种通信方式里面的各个类以及各个角色有了一定的了解；它总是那么一种固定的模式：一个需要跨进程传递的对象一定继承自IBinder，如果是Binder本地对象，那么一定继承Binder实现IInterface，如果是代理对象，那么就实现了IInterface并持有了IBinder引用；

Proxy与Stub不一样，虽然他们都既是Binder又是IInterface，不同的是Stub采用的是继承（is 关系），Proxy采用的是组合（has 关系）。他们均实现了所有的IInterface函数，不同的是，Stub又使用策略模式调用的是虚函数（待子类实现），而Proxy则使用组合模式。为什么Stub采用继承而Proxy采用组合？事实上，Stub本身is一个IBinder（Binder），它本身就是一个能跨越进程边界传输的对象，所以它得继承IBinder实现transact这个函数从而得到跨越进程的能力（这个能力由驱动赋予）。Proxy类使用组合，是因为他不关心自己是什么，它也不需要跨越进程传输，它只需要拥有这个能力即可，要拥有这个能力，只需要保留一个对IBinder的引用。如果把这个过程做一个类比，在封建社会，Stub好比皇帝，可以号令天下，他生而具有这个权利（不要说宣扬封建迷信。。）如果一个人也想号令天下，可以，“挟天子以令诸侯”。为什么不自己去当皇帝，其一，一般情况没必要，当了皇帝其实限制也蛮多的是不是？我现在既能掌管天下，又能不受约束（Java单继承）；其二，名不正言不顺啊，我本来特么就不是（Binder），你非要我是说不过去，搞不好还会造反。最后呢，如果想当皇帝也可以，那就是asBinder了。在Stub类里面，asBinder返回this，在Proxy里面返回的是持有的组合类IBinder的引用。

再去翻阅系统的ActivityManagerServer的源码，就知道哪一个类是什么角色了：IActivityManager是一个IInterface，它代表远程Service具有什么能力，ActivityManagerNative指的是Binder本地对象（类似AIDL工具生成的Stub类），这个类是抽象类，它的实现是ActivityManagerService；因此对于AMS的最终操作都会进入ActivityManagerService这个真正实现；同时如果仔细观察，ActivityManagerNative.java里面有一个非公开类ActivityManagerProxy, 它代表的就是Binder代理对象；是不是跟AIDL模型一模一样呢？那么ActivityManager是什么？他不过是一个管理类而已，可以看到真正的操作都是转发给ActivityManagerNative进而交给他的实现ActivityManagerService 完成的。

接下来的学习

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