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Android中的IPC机制

2019-07-03  本文已影响0人  Kris_Ni

一、Android IPC简介

IPC，Inter-Process Comminication的缩写，含义为进程间通信或者跨进程通信，即两个进程之间进行数据交换的过程。首先，什么是进程？一般是指一个执行单元，在PC和移动设备上指一个程序或一个应用。而线程则是CPU调度的最小单元，同时也是有限的系统资源，它是进程的一部分。一个进度可以只有一个线程，即主线程，在Android的世界里又名UI线程，只有在UI线程里才可以去操作界面元素（不是一定的，具体原因可以自己了解一下）。在很多时候，如果在主线程中执行大量耗时的任务，就会造成界面无法响应，在Android里面叫做ANR（Application Not Responding），要想解决这个问题，就需要把这些任务放到别的线程中。

二、Andorid中开启多进程模式

如果想要在一个应用里面开启多个进程，只需要给四大组件在AndroidMenifest指定android:process属性即可，也可以通过JNI在native层fork一个新的进程，这种方法会在以后的JNI开发中演示，目前不做太多说明。
在开启多进程之后，会面临如下问题

第一个和第二个问题的原因从本质上来说是一样的，每开启一个进程Android都会为其分配一个独立的虚拟机，不同的虚拟机在内存分配上有不同的地址空间，导致了不同的虚拟机访问同一个对象会产生多份副本。
第三个问题是因为SharedPreferences不支持两个进程同时去执行写操作，否则可能会导致数据丢失。Shareferences底层是通过读写XML文件实现的，并发读写会出现问题。
第四个问题很显而易见，当一个组件跑在一个新的进程中，由于系统创建新的进程会分配独立的虚拟机，所以这个过程就是重启一个应用的过程，自然会去创建新的Application.

三、IPC基础概念

在通过Intent和Binder传输数据时，需要将数据进行序列化操作才可以进行传输，可以通过Serializable和Parcelable来完成对象的持久化。

3.1 Serializable

Serializable是Java提供的一个序列化接口，它是一个空接口，为对象提供标准的序列化和反序列化操作。使用Serializable来实现序列化很简单，只需要将这个类实现Serializable接口并声明一个SerialVersionUID即可，甚至不声明这个SerialVersionUID也是可以的，可以实现序列化但是会对反序列化产生影响,只有序列化的数据中的serialVersionUID和当前类的serialVersionUID相同时才能被正常反序列化。另外，系统默认的序列化过程也是可以改变的，通过重写系统默认的writeObject和readObject方法就可以实现。

public class User implements Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 124332435687634567L;
        private String name;
        private boolean sex;
}

        //序列化
        User user = new User("kris",true);
        try {
            ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("user.txt"));
            out.writeObject(user);
            out.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //反序列化
        try {
            ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("user.txt"));
            User newUser = (User) in.readObject();
            in.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

需要注意的是，静态变量属于类不属于对象，所以不会参与序列化过程。其次用transient关键字标记的成员变量也不会参与序列化。

3.2 Parcelable接口

Parcelable是Android特有的一个接口，只要实现这个接口，一个类的对象就可以实现序列化并可以通过Intent和Binder传递。常用写法如下：

public class User implements Parcelable {
    private String name;
    private boolean sex;
    //从序列化后的对象中创建原始对象
    protected User(Parcel in) {
        name = in.readString();
        sex = in.readByte() != 0;
    }
    //反序列化功能由CREATOR来完成，其内部表明了如何创建序列化对象和数组，
    //并通过Parcel的一系列read方法来完成反序列化过程
    public static final Creator<User> CREATOR = new Creator<User>() {
        //从序列化对象创建原始对象
        @Override
        public User createFromParcel(Parcel in) {
            return new User(in);
        }
        //创建指定长度的原始对象数组
        @Override
        public User[] newArray(int size) {
            return new User[size];
        }
    };
    //内容描述功能，几乎在所有情况下都应该返回0，
    //仅当当前对象中存在文件描述符时，此方法返回1
    @Override
    public int describeContents() {
        return 0;
    }
    //序列化功能由writeToParcel方法来完成，最终是通过Parcel中的一系列write方法
    //来完成。将当前对象写入序列化结构中，flags为1时标识当前对象需要作为返回值返回，
    //不能立即释放当前资源，几乎所有情况都返回0
    @Override
    public void writeToParcel(Parcel dest, int flags) {
        dest.writeString(name);
        dest.writeByte((byte) (sex ? 1 : 0));
    }
}

既然Parcelable和Serializable都能实现序列化并且都能用于Intent间的数据传递，那么二者该如何抉择呢?Serializable使用起来简单但是开销很大，序列化和反序列化过程都需要大量的I/O操作。而Parcelable虽然使用起来麻烦点，但是传输效率很高，因此首选还是Parcelable。Parcleable主要是用在内存序列化上，通过Parcelable讲对象序列化到存储设备或者在网络中传输会稍显复杂，因此这两种情况还是推荐使用Serializable。

3.3 Binder

Binder是一个很深入的话题，本章节只会简单介绍一下。从直观上来说，Binder是Android中的一个类，它继承了IBinder接口。从IPC角度来讲，Binder是Android中的一种跨进程通信方式，Binder可以理解为一种虚拟的物理设备，它的驱动是/dev/binder，在Linux里面没有；从Android framework角度来说，Binder是ServerManager连接各种Manager（ActivityManager、WindowManager等等）和ManagerService之间的桥梁；从应用层来说，Binder是客户端和服务端进行通信的媒介，当bindService的时候，服务端会返回一个包含服务端业务调用的Binder对象，通过这个Binder对象，客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据（包括普通服务和AIDL服务）。下面会通过AIDL来讲解Binder：（具体demo请在AIDL章节中查看）
在项目中构建了AIDL代码后，会在app/build/generated/aidl_source_output_dir/debug/compileDebugAidl/out目录下找到对应的XXX.java类。这个类是一个接口并且继承了IInterface接口，虽然看起有点混乱，但是实际上还是很清晰的。

AIDL结构.png
首先声明了4个方法getBookList、addBook、registerListener、unregisterListener，这些就是我们在AIDL文件中声明的方法了。接着声明了一个抽象内部类Stub，这个Stub就是一个Binder类，内部声明了4个整形的id来标识transact过程中客户端请求的到底是哪个方法，当客户端和服务端位于同一个进程时，方法不会走跨进程的transact过程，而位于不同进程时，方法调用需要走transact过程，这个逻辑由Stub的内部代理类Proxy来完成。
DESCRIPTOR
Binder的唯一标识符，一般用当前Binder的类名表示
asInterface(android.os.IBinder obj)
用于将服务端的Binder对象转换成客户端需要的AIDL接口类型的对象，这种转换是区分进程的，如果客户端和服务端位于同一进程，那么此方法返回的就是服务端的Stub本身，否则返回的就是系统封装后的Stub.proxy对象。
asBinder
返回当前的Binder对象
onTransact
这个方法运行在服务端中的Binder线程池中，当客户端发起跨进程请求时，远程请求会通过系统底层封装后交给此方法处理。该方法的原型为public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags)，服务端可以通过code来确定客户端所请求的方法是什么，接着从data中取出目标方法所需要的参数（如果存在参数的话），然后执行目标方法。当目标方法执行结束后，就向reply中写入返回值（如果存在返回值的话）。需要注意的是，如果此方法返回false，那么客户端的请求就会失败，通过这个特性我们可以用它来做权限验证，来避免其他进程随意调用服务端服务。
proxy#getBookList
这些方法是运行在客户端的，每当其被调用，首先会创建该方法所需要的输入性Parcel对象_data、输出型Parcel对象_reply和返回值对象_result；然后把该方法的参数信息写入_data中（如果存在参数）；接着调用transact方法发起RPC（远程过程调用）请求，同时当前线程挂起；然后服务端的onTransact方法会被调用，直到RPC过程返回后，当前线程继续执行，并从_reply中取出RPC过程的返回结果；最后返回_result中的数据。 
@Override public java.util.List<com.wtwd.aidl.Book> getBookList() throws android.os.RemoteException
{
android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
java.util.List<com.wtwd.aidl.Book> _result;
try {
_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getBookList, _data, _reply, 0);
_reply.readException();
_result = _reply.createTypedArrayList(com.wtwd.aidl.Book.CREATOR);
}
finally {
_reply.recycle();
_data.recycle();
}
return _result;
}

通过上面的分析，可以初步的了解Binder的工作机制，可以看出当客户端发起远程请求时，当前的线程会被挂起直至服务器进程返回数据，如果这个远程方法是耗时的，就不能在UI线程中发起此次远程请求；其次，由于服务端的Binder方法运行在Binder线程池中，所以此Binder方法不管是否耗时都应该采取同步的方式去实现，因为它已经运行在一个线程中了，下图可以很形象地描述Binder的工作机制。


Binder.jpg

接下来会介绍Binder的两个很重要的方法linkToDeath和unlinkToDeath。Binder是运行在服务端进程的，如果服务端进程由于某种原因异常终止，这时候客户端到服务端的Binder会连接断裂（即是Binder死亡），如果客户端不知道断裂的话，其功能就会收到影响。为了解决这个问题，Binder提供了两个配对的方法linkToDeath和unlinkToDeath，通过linkToDeath我们可以给Binder设置一个死亡代理，当Binder死亡时，客户端可以接收到通知，这是可以进行重连操作从而恢复连接。

//首先声明DeathRecipient 对象
private IBinder.DeathRecipient deathRecipient = new IBinder.DeathRecipient() {
        //当Binder死亡的时候，系统就会回调binserDied方法，我们就可以移除之前绑定的binder代理并重新绑定远程服务
        @Override
        public void binderDied() {
            if (bookManager == null) {
                return;
            }
            bookManager.asBinder().unlinkToDeath(deathRecipient,0);
            bookManager = null;
            //重新绑定service
            Intent intent = new Intent("com.wtwd.aidl.aidlService");
            intent.setPackage("com.wtwd.aidl");
            bindService(intent,mConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
        }
    };

其次，在客户端绑定远程服务成功后，给binder设置死亡代理

private ServiceConnection mConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            bookManager = IBookManager.Stub.asInterface(service);
            try {
                service.linkToDeath(deathRecipient,0);
            } catch (RemoteException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
            bookManager = null;
        }
    };
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