听说你Binder机制学的不错？来面试下这几个问题（一）
Binder承担了绝大部分Android进程通信的职责，可以看做是Android的血管系统，负责不同服务模块进程间的通信。在对Binder的理解上，可大可小，日常APP开发并不怎么涉及Binder通信知识，最多就是Service及AIDL的使用会涉及部分Binder知识。Binder往小了说可总结成一句话：一种IPC进程间通信方式，负责进程A的数据，发送到进程B。往大了说，其实涉及的知识还是很多的，如Android 对于原Binder驱动的扩展、Zygote进程孵化中对于Binder通信的支持、Java层Binder封装，Native层对于Binder通信的封装、Binder讣告机制等等。很多分析Binder框架的文都是从ServiceManager、Binder驱动、addService、getService来分析等来分析，其实这些主要是针对系统提供的服务，但是bindService启动的服务走的却还是有很大不同的。本篇文章主要简述一些Binder难以理解的点，但不会太细的跟踪分析，只抛砖，自己去发掘玉，由于篇幅过大，分三篇：
- Binder的定向制导，如何找到目标Binder，唤起进程或者线程
- Binder中的红黑树，为什么会有两棵binder_ref红黑树
- Binder一次拷贝原理(直接拷贝到目标线程的内核空间，内核空间与用户空间对应)
- Binder传输数据的大小限制（内核4M 上层限制1m-8k），传输Bitmap过大，就会崩溃的原因，Activity之间传输BitMap
- 系统服务与bindService等启动的服务的区别
- Binder线程、Binder主线程、Client请求线程的概念与区别
- Client是同步而Server是异步到底说的什么
- Android APP进程天生支持Binder通信的原理是什么
- Android APP有多少Binder线程，是固定的么
- Binder线程的睡眠与唤醒（请求线程睡在哪个等待队列上，唤醒目标端哪个队列上的线程）
- Binder协议中BC与BR的区别
- Binder在传输数据的时候是如何层层封装的--不同层次使用的数据结构（命令的封装）
- Binder驱动传递数据的释放（释放时机）
- 一个简单的Binder通信C/S模型
- ServiceManager addService的限制（并非服务都能使用ServiceManager的addService）
- bindService启动Service与Binder服务实体的流程
- Java层Binder实体与与BinderProxy是如何实例化及使用的，与Native层的关系是怎样的
- Parcel readStrongBinder与writeStrongBinder的原理
- 同一个线程的请求必定是顺序执行，即使是异步请求(oneway)
Binder如何精确制导，找到目标Binder实体，并唤醒进程或者线程
Binder实体服务其实有两种，一是通过addService注册到ServiceManager中的服务，比如ActivityManagerService、PackageManagerService、PowerManagerService等，一般都是系统服务；还有一种是通过bindService拉起的一些服务，一般是开发者自己实现的服务。这里先看通过addService添加的被ServiceManager所管理的服务。有很多分析ServiceManager的文章，本文不分析ServiceManager，只是简单提一下，ServiceManager是比较特殊的服务，所有应用都能直接使用，因为ServiceManager对于Client端来说Handle句柄是固定的，都是0，所以ServiceManager服务并不需要查询，可以直接使用。
理解Binder定向制导的关键是理解Binder的四棵红黑树，先看一下binder_proc结构体，在它内部有四棵红黑树，threads，nodes，refs_by_desc，refs_by_node，nodes就是Binder实体在内核中对应的数据结构，binder_node里记录进程相关的binder_proc，还有Binder实体自身的地址等信息，nodes红黑树位于binder_proc，可以知道Binder实体其实是进程内可见，而不是线程内。
struct binder_proc {
struct hlist_node proc_node;
struct rb_root threads;
struct rb_root nodes;
struct rb_root refs_by_desc;
struct rb_root refs_by_node;
。。。
struct list_head todo;
wait_queue_head_t wait;
。。。
};
现在假设存在一堆Client与Service，Client如何才能访问Service呢？首先Service会通过addService将binder实体注册到ServiceManager中去，Client如果想要使用Servcie，就需要通过getService向ServiceManager请求该服务。在Service通过addService向ServiceManager注册的时候，ServiceManager会将服务相关的信息存储到自己进程的Service列表中去，同时在ServiceManager进程的binder_ref红黑树中为Service添加binder_ref节点，这样ServiceManager就能获取Service的Binder实体信息。而当Client通过getService向ServiceManager请求该Service服务的时候，ServiceManager会在注册的Service列表中查找该服务，如果找到就将该服务返回给Client，在这个过程中，ServiceManager会在Client进程的binder_ref红黑树中添加binder_ref节点，可见本进程中的binder_ref红黑树节点都不是本进程自己创建的，要么是Service进程将binder_ref插入到ServiceManager中去，要么是ServiceManager进程将binder_ref插入到Client中去。之后，Client就能通过Handle句柄获取binder_ref，进而访问Service服务。
getService之后，便可以获取binder_ref引用，进而获取到binder_proc与binder_node信息，之后Client便可有目的的将binder_transaction事务插入到binder_proc的待处理列表，并且，如果进程正在睡眠，就唤起进程，其实这里到底是唤起进程还是线程也有讲究，对于Client向Service发送请求的状况，一般都是唤醒binder_proc上睡眠的线程：
struct binder_ref {
int debug_id;
struct rb_node rb_node_desc;
struct rb_node rb_node_node;
struct hlist_node node_entry;
struct binder_proc *proc;
struct binder_node *node;
uint32_t desc;
int strong;
int weak;
struct binder_ref_death *death;
};
binder_proc为何会有两棵binder_ref红黑树
binder_proc中存在两棵binder_ref红黑树，其实两棵红黑树中的节点是复用的，只是查询方式不同，一个通过handle句柄，一个通过node节点查找。个人理解：refs_by_node红黑树主要是为了
binder驱动往用户空间写数据所使用的，而refs_by_desc是用户空间向Binder驱动写数据使用的，只是方向问题。比如在服务addService的时候，binder驱动会在在ServiceManager进程的binder_proc中查找binder_ref结构体，如果没有就会新建binder_ref结构体，再比如在Client端getService的时候，binder驱动会在Client进程中通过 binder_get_ref_for_node为Client创建binder_ref结构体，并分配句柄，同时插入到refs_by_desc红黑树中，可见refs_by_node红黑树，主要是给binder驱动往用户空间写数据使用的。相对的refs_by_desc主要是为了用户空间往binder驱动写数据使用的，当用户空间已经获得Binder驱动为其创建的binder_ref引用句柄后，就可以通过binder_get_ref从refs_by_desc找到响应binder_ref，进而找到目标binder_node。可见有两棵红黑树主要是区分使用对象及数据流动方向，看下面的代码就能理解：
// 根据32位的uint32_t desc来查找，可以看到，binder_get_ref不会新建binder_ref节点
static struct binder_ref *binder_get_ref(struct binder_proc *proc,
uint32_t desc)
{
struct rb_node *n = proc->refs_by_desc.rb_node;
struct binder_ref *ref;
while (n) {
ref = rb_entry(n, struct binder_ref, rb_node_desc);
if (desc < ref->desc)
n = n->rb_left;
else if (desc > ref->desc)
n = n->rb_right;
else
return ref;
}
return NULL;
}
可以看到binder_get_ref并具备binder_ref的创建功能，相对应的看一下binder_get_ref_for_node，binder_get_ref_for_node红黑树主要通过binder_node进行查找，如果找不到，就新建binder_ref，同时插入到两棵红黑树中去
static struct binder_ref *binder_get_ref_for_node(struct binder_proc *proc,
struct binder_node *node)
{
struct rb_node *n;
struct rb_node **p = &proc->refs_by_node.rb_node;
struct rb_node *parent = NULL;
struct binder_ref *ref, *new_ref;
while (*p) {
parent = *p;
ref = rb_entry(parent, struct binder_ref, rb_node_node);
if (node < ref->node)
p = &(*p)->rb_left;
else if (node > ref->node)
p = &(*p)->rb_right;
else
return ref;
}
// binder_ref 可以在两棵树里面，但是，两棵树的查询方式不同，并且通过desc查询，不具备新建功能
new_ref = kzalloc(sizeof(*ref), GFP_KERNEL);
if (new_ref == NULL)
return NULL;
binder_stats_created(BINDER_STAT_REF);
new_ref->debug_id = ++binder_last_id;
new_ref->proc = proc;
new_ref->node = node;
rb_link_node(&new_ref->rb_node_node, parent, p);
// 插入到proc->refs_by_node红黑树中去
rb_insert_color(&new_ref->rb_node_node, &proc->refs_by_node);
// 是不是ServiceManager的
new_ref->desc = (node == binder_context_mgr_node) ? 0 : 1;
// 分配Handle句柄，为了插入到refs_by_desc
for (n = rb_first(&proc->refs_by_desc); n != NULL; n = rb_next(n)) {
ref = rb_entry(n, struct binder_ref, rb_node_desc);
if (ref->desc > new_ref->desc)
break;
new_ref->desc = ref->desc + 1;
}
// 找到目标位置
p = &proc->refs_by_desc.rb_node;
while (*p) {
parent = *p;
ref = rb_entry(parent, struct binder_ref, rb_node_desc);
if (new_ref->desc < ref->desc)
p = &(*p)->rb_left;
else if (new_ref->desc > ref->desc)
p = &(*p)->rb_right;
else
BUG();
}
rb_link_node(&new_ref->rb_node_desc, parent, p);
// 插入到refs_by_desc红黑树中区
rb_insert_color(&new_ref->rb_node_desc, &proc->refs_by_desc);
if (node) {
hlist_add_head(&new_ref->node_entry, &node->refs);
binder_debug(BINDER_DEBUG_INTERNAL_REFS,
"binder: %d new ref %d desc %d for "
"node %d\n", proc->pid, new_ref->debug_id,
new_ref->desc, node->debug_id);
} else {
binder_debug(BINDER_DEBUG_INTERNAL_REFS,
"binder: %d new ref %d desc %d for "
"dead node\n", proc->pid, new_ref->debug_id,
new_ref->desc);
}
return new_ref;
}
该函数调用在binder_transaction函数中，其实就是在binder驱动访问target_proc的时候，这也也很容易理解，Handle句柄对于跨进程没有任何意义，进程A中的Handle，放到进程B中是无效的。
Binder一次拷贝原理
Android选择Binder作为主要进程通信的方式同其性能高也有关系，Binder只需要一次拷贝就能将A进程用户空间的数据为B进程所用。这里主要涉及两个点：
-
Binder的map函数，会将内核空间直接与用户空间对应，用户空间可以直接访问内核空间的数据
-
A进程的数据会被直接拷贝到B进程的内核空间（一次拷贝）
#define BINDER_VM_SIZE ((1*1024*1024) - (4096 *2)) ProcessState::ProcessState() : mDriverFD(open_driver()) , mVMStart(MAP_FAILED) , mManagesContexts(false) , mBinderContextCheckFunc(NULL) , mBinderContextUserData(NULL) , mThreadPoolStarted(false) , mThreadPoolSeq(1){ if (mDriverFD >= 0) { .... // mmap the binder, providing a chunk of virtual address space to receive transactions. mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0); ... } }
mmap函数属于系统调用，mmap会从当前进程中获取用户态可用的虚拟地址空间（vm_area_struct *vma），并在mmap_region中真正获取vma，然后调用file->f_op->mmap(file, vma)，进入驱动处理，之后就会在内存中分配一块连续的虚拟地址空间，并预先分配好页表、已使用的与未使用的标识、初始地址、与用户空间的偏移等等，通过这一步之后，就能把Binder在内核空间的数据直接通过指针地址映射到用户空间，供进程在用户空间使用，这是一次拷贝的基础，一次拷贝在内核中的标识如下：
struct binder_proc {
struct hlist_node proc_node;
// 四棵比较重要的树
struct rb_root threads;
struct rb_root nodes;
struct rb_root refs_by_desc;
struct rb_root refs_by_node;
int pid;
struct vm_area_struct *vma; //虚拟地址空间，用户控件传过来
struct mm_struct *vma_vm_mm;
struct task_struct *tsk;
struct files_struct *files;
struct hlist_node deferred_work_node;
int deferred_work;
void *buffer; //初始地址
ptrdiff_t user_buffer_offset; //这里是偏移
struct list_head buffers;//这个列表连接所有的内存块，以地址的大小为顺序，各内存块首尾相连
struct rb_root free_buffers;//连接所有的已建立映射的虚拟内存块，以内存的大小为index组织在以该节点为根的红黑树下
struct rb_root allocated_buffers;//连接所有已经分配的虚拟内存块，以内存块的开始地址为index组织在以该节点为根的红黑树下
}
上面只是在APP启动的时候开启的地址映射，但并未涉及到数据的拷贝，下面看数据的拷贝操作。当数据从用户空间拷贝到内核空间的时候，是直从当前进程的用户空间接拷贝到目标进程的内核空间，这个过程是在请求端线程中处理的，操作对象是目标进程的内核空间。看如下代码：
static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
struct binder_transaction_data *tr, int reply){
...
在通过进行binder事物的传递时，如果一个binder事物（用struct binder_transaction结构体表示）需要使用到内存，
就会调用binder_alloc_buf函数分配此次binder事物需要的内存空间。
需要注意的是：这里是从目标进程的binder内存空间分配所需的内存
//从target进程的binder内存空间分配所需的内存大小,这也是一次拷贝，完成通信的关键，直接拷贝到目标进程的内核空间
//由于用户空间跟内核空间仅仅存在一个偏移地址，所以也算拷贝到用户空间
t->buffer = binder_alloc_buf(target_proc, tr->data_size,
tr->offsets_size, !reply && (t->flags & TF_ONE_WAY));
t->buffer->allow_user_free = 0;
t->buffer->debug_id = t->debug_id;
//该binder_buffer对应的事务
t->buffer->transaction = t;
//该事物对应的目标binder实体 ,因为目标进程中可能不仅仅有一个Binder实体
t->buffer->target_node = target_node;
trace_binder_transaction_alloc_buf(t->buffer);
if (target_node)
binder_inc_node(target_node, 1, 0, NULL);
// 计算出存放flat_binder_object结构体偏移数组的起始地址，4字节对齐。
offp = (size_t *)(t->buffer->data + ALIGN(tr->data_size, sizeof(void *)));
// struct flat_binder_object是binder在进程之间传输的表示方式 //
// 这里就是完成binder通讯单边时候在用户进程同内核buffer之间的一次拷贝动作 //
// 这里的数据拷贝，其实是拷贝到目标进程中去，因为t本身就是在目标进程的内核空间中分配的，
if (copy_from_user(t->buffer->data, tr->data.ptr.buffer, tr->data_size)) {
binder_user_error("binder: %d:%d got transaction with invalid "
"data ptr\n", proc->pid, thread->pid);
return_error = BR_FAILED_REPLY;
goto err_copy_data_failed;
}
可以看到binder_alloc_buf(target_proc, tr->data_size,tr->offsets_size, !reply && (t->flags & TF_ONE_WAY))函数在申请内存的时候，是从target_proc进程空间中去申请的，这样在做数据拷贝的时候copy_from_user(t->buffer->data, tr->data.ptr.buffer, tr->data_size))，就会直接拷贝target_proc的内核空间，而由于Binder内核空间的数据能直接映射到用户空间，这里就不在需要拷贝到用户空间。这就是一次拷贝的原理。内核空间的数据映射到用户空间其实就是添加一个偏移地址，并且将数据的首地址、数据的大小都复制到一个用户空间的Parcel结构体，具体可以参考Parcel.cpp的Parcel::ipcSetDataReference函数。
Binder传输数据的大小限制
虽然APP开发时候，Binder对程序员几乎不可见，但是作为Android的数据运输系统，Binder的影响是全面性的，所以有时候如果不了解Binder的一些限制，在出现问题的时候往往是没有任何头绪，比如在Activity之间传输BitMap的时候，如果Bitmap过大，就会引起问题，比如崩溃等，这其实就跟Binder传输数据大小的限制有关系，在上面的一次拷贝中分析过，mmap函数会为Binder数据传递映射一块连续的虚拟地址，这块虚拟内存空间其实是有大小限制的，不同的进程可能还不一样。
普通的由Zygote孵化而来的用户进程，所映射的Binder内存大小是不到1M的，准确说是 110241024) - (4096 *2) ：这个限制定义在ProcessState类中，如果传输说句超过这个大小，系统就会报错，因为Binder本身就是为了进程间频繁而灵活的通信所设计的，并不是为了拷贝大数据而使用的：
#define BINDER_VM_SIZE ((1*1024*1024) - (4096 *2))
而在内核中，其实也有个限制，是4M，不过由于APP中已经限制了不到1M，这里的限制似乎也没多大用途：
static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
int ret;
struct vm_struct *area;
struct binder_proc *proc = filp->private_data;
const char *failure_string;
struct binder_buffer *buffer;
//限制不能超过4M
if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
。。。
}
有个特殊的进程ServiceManager进程，它为自己申请的Binder内核空间是128K，这个同ServiceManager的用途是分不开的，ServcieManager主要面向系统Service，只是简单的提供一些addServcie，getService的功能，不涉及多大的数据传输，因此不需要申请多大的内存：
int main(int argc, char **argv)
{
struct binder_state *bs;
void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;
// 仅仅申请了128k
bs = binder_open(128*1024);
if (binder_become_context_manager(bs)) {
ALOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
return -1;
}
svcmgr_handle = svcmgr;
binder_loop(bs, svcmgr_handler);
return 0;
}
系统服务与bindService等启动的服务的区别
服务可分为系统服务与普通服务，系统服务一般是在系统启动的时候，由SystemServer进程创建并注册到ServiceManager中的。而普通服务一般是通过ActivityManagerService启动的服务，或者说通过四大组件中的Service组件启动的服务。这两种服务在实现跟使用上是有不同的，主要从以下几个方面：
- 服务的启动方式
- 服务的注册与管理
- 服务的请求使用方式
首先看一下服务的启动上，系统服务一般都是SystemServer进程负责启动，比如AMS，WMS，PKMS，电源管理等，这些服务本身其实实现了Binder接口，作为Binder实体注册到ServiceManager中，被ServiceManager管理，而SystemServer进程里面会启动一些Binder线程，主要用于监听Client的请求，并分发给响应的服务实体类，可以看出，这些系统服务是位于SystemServer进程中（有例外，比如Media服务）。在来看一下bindService类型的服务，这类服务一般是通过Activity的startService或者其他context的startService启动的，这里的Service组件只是个封装，主要的是里面Binder服务实体类，这个启动过程不是ServcieManager管理的，而是通过ActivityManagerService进行管理的，同Activity管理类似。
再来看一下服务的注册与管理：系统服务一般都是通过ServiceManager的addService进行注册的，这些服务一般都是需要拥有特定的权限才能注册到ServiceManager，而bindService启动的服务可以算是注册到ActivityManagerService，只不过ActivityManagerService管理服务的方式同ServiceManager不一样，而是采用了Activity的管理模型，详细的可以自行分析
最后看一下使用方式，使用系统服务一般都是通过ServiceManager的getService得到服务的句柄，这个过程其实就是去ServiceManager中查询注册系统服务。而bindService启动的服务，主要是去ActivityManagerService中去查找相应的Service组件，最终会将Service内部Binder的句柄传给Client。
Binder线程、Binder主线程、Client请求线程的概念与区别
Binder线程是执行Binder服务的载体，只对于服务端才有意义，对请求端来说，是不需要考虑Binder线程的，但Android系统的处理机制其实大部分是互为C/S的。比如APP与AMS进行交互的时候，都互为对方的C与S，这里先不讨论这个问题，先看Binder线程的概念。
Binder线程就是执行Binder实体业务的线程，一个普通线程如何才能成为Binder线程呢？很简单，只要开启一个监听Binder字符设备的Loop线程即可，在Android中有很多种方法，不过归根到底都是监听Binder，换成代码就是通过ioctl来进行监听。
拿ServerManager进程来说，其主线就是Binder线程，其做法是通过binder_loop实现不死线程：
void binder_loop(struct binder_state *bs, binder_handler func)
{
...
for (;;) {
<!--关键点1-->
res = ioctl(bs->fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr);
<!--关键点2-->
res = binder_parse(bs, 0, readbuf, bwr.read_consumed, func);
。。
}
}
上面的关键代码1就是阻塞监听客户端请求，2 就是处理请求，并且这是一个死循环，不退出。再来看SystemServer进程中的线程，在Android4.3（6.0以后打代码就不一样了）中SystemSever主线程便是Binder线程，同时一个Binder主线程，Binder线程与Binder主线程的区别是：线程是否可以终止Loop，不过目前启动的Binder线程都是无法退出的，其实可以全部看做是Binder主线程，其实现原理是，在SystemServer主线程执行到最后的时候，Loop监听Binder设备，变身死循环线程，关键代码如下：
extern "C" status_t system_init()
{
...
ALOGI("System server: entering thread pool.\n");
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
ALOGI("System server: exiting thread pool.\n");
return NO_ERROR;
}
ProcessState::self()->startThreadPool()是新建一个Binder主线程，而PCThreadState::self()->joinThreadPool()是将当前线程变成Binder主线程。其实startThreadPool最终也会调用joinThreadPool，看下其关键函数：
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
...
status_t result;
do {
int32_t cmd;
...关键点1
result = talkWithDriver();
if (result >= NO_ERROR) {
...关键点2
result = executeCommand(cmd);
}
// 非主线程的可以退出
if(result == TIMED_OUT && !isMain) {
break;
}
// 死循环，不完结，调用了这个，就好比是开启了Binder监听循环，
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
}
status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
do {
...关键点3
if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)
}
先看关键点1 talkWithDriver，其实质还是去掉用ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)去不断的监听Binder字符设备，获取到Client传输的数据后，再通过executeCommand去执行相应的请求，joinThreadPool是普通线程化身Binder线程最常见的方式。不信，就再看一个MediaService,看一下main_mediaserver的main函数：
int main(int argc, char** argv)
{
。。。
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
ALOGI("ServiceManager: %p", sm.get());
AudioFlinger::instantiate();
MediaPlayerService::instantiate();
CameraService::instantiate();
AudioPolicyService::instantiate();
registerExtensions();
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}
其实还是通过joinThreadPool变身Binder线程，至于是不是主线程，看一下下面的函数：
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
if (mThreadPoolStarted) {
String8 name = makeBinderThreadName();
ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string());
sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
t->run(name.string());
}
}
其实关键就是就是传递给joinThreadPool函数的isMain是否是true，不过是否是Binder主线程并没有什么用，因为源码中并没有为这两者的不同处理留入口，感兴趣可以去查看一下binder中的TIMED_OUT。
最后来看一下普通Client的binder请求线程，比如我们APP的主线程，在startActivity请求AMS的时候，APP的主线程成其实就是Binder请求线程，在进行Binder通信的过程中，Client的Binder请求线程会一直阻塞，知道Service处理完毕返回处理结果。
Binder请求的同步与异步
很多人都会说，Binder是对Client端同步，而对Service端异步，其实并不完全正确，在单次Binder数据传递的过程中，其实都是同步的。只不过，Client在请求Server端服务的过程中，是需要返回结果的，即使是你看不到返回数据，其实还是会有个成功与失败的处理结果返回给Client，这就是所说的Client端是同步的。至于说服务端是异步的，可以这么理解：在服务端在被唤醒后，就去处理请求，处理结束后，服务端就将结果返回给正在等待的Client线程，将结果写入到Client的内核空间后，服务端就会直接返回了，不会再等待Client端的确认，这就是所说的服务端是异步的，可以从源码来看一下：
-
Client端同步阻塞请求
status_t IPCThreadState::transact(int32_t handle,
uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags)
{if (reply) { err = waitForResponse(reply); } ...
Client在请求服务的时候 Parcel* reply基本都是非空的（还没见过空用在什么位置），非空就会执行waitForResponse(reply)，如果看过几篇Binder分析文章的人应该都会知道，在A端向B写完数据之后，A会返回给自己一个BR_TRANSACTION_COMPLETE命令，告知自己数据已经成功写入到B的Binder内核空间中去了，如果是需要回复，在处理完BR_TRANSACTION_COMPLETE命令后会继续阻塞等待结果的返回：
status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult){
...
while (1) {
if ((err=talkWithDriver()) < NO_ERROR) break;
cmd = mIn.readInt32();
switch (cmd) {
<!--关键点1 -->
case BR_TRANSACTION_COMPLETE:
if (!reply && !acquireResult) goto finish;
break;
<!--关键点2 -->
case BR_REPLY:
{
binder_transaction_data tr;
// free buffer，先设置数据，直接
if (reply) {
if ((tr.flags & TF_STATUS_CODE) == 0) {
// 牵扯到数据利用，与内存释放
reply->ipcSetDataReference(...)
}
goto finish;
}
finish:
...
return err;
}
关键点1就是处理BR_TRANSACTION_COMPLETE，如果需要等待reply，还要通过talkWithDriver等待结果返回，最后执行关键点2，处理返回数据。**对于服务端来说，区别就在于关键点1 **，来看一下服务端Binder线程的代码，拿常用的joinThreadPool来看，在talkWithDriver后，会执行executeCommand函数，
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
...
status_t result;
do {
int32_t cmd;
...关键点1
result = talkWithDriver();
if (result >= NO_ERROR) {
...关键点2
result = executeCommand(cmd);
}
// 非主线程的可以退出
if(result == TIMED_OUT && !isMain) {
break;
}
// 死循环，不完结，调用了这个，就好比是开启了Binder监听循环，
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
}
executeCommand会进一步调用sendReply函数，看一下这里的特点waitForResponse(NULL, NULL)，这里传递的都是null，在上面的关键点1的地方我们知道，这里不需要等待Client返回，因此会直接 goto finish，这就是所说的Client同步，而服务端异步的逻辑。
// BC_REPLY
status_t IPCThreadState::sendReply(const Parcel& reply, uint32_t flags)
{
// flag 0
status_t err;
status_t statusBuffer;
err = writeTransactionData(BC_REPLY, flags, -1, 0, reply, &statusBuffer);
if (err < NO_ERROR) return err;
return waitForResponse(NULL, NULL);
}
case BR_TRANSACTION_COMPLETE:
if (!reply && !acquireResult) goto finish;
break;
请求同步最好的例子就是在Android6.0之前，国产ROM权限的申请都是同步的，在申请权限的时候，APP申请权限的线程会阻塞，就算是UI线程也会阻塞，ROM为了防止ANR，都会为权限申请设置一个倒计时，不操作，就给个默认操作，有兴趣可以自己分析。
Android APP进程天生支持Binder通信的原理是什么
Android APP进程都是由Zygote进程孵化出来的。常见场景：点击桌面icon启动APP，或者startActivity启动一个新进程里面的Activity，最终都会由AMS去调用Process.start()方法去向Zygote进程发送请求，让Zygote去fork一个新进程，Zygote收到请求后会调用Zygote.forkAndSpecialize()来fork出新进程,之后会通过RuntimeInit.nativeZygoteInit来初始化Andriod APP运行需要的一些环境，而binder线程就是在这个时候新建启动的，看下面的源码（Android 4.3）：
这里不分析Zygote，只是给出其大概运行机制，Zygote在启动后，就会通过runSelectLoop不断的监听socket，等待请求来fork进程，如下：
private static void runSelectLoop() throws MethodAndArgsCaller {
ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];
...
int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
while (true) {
int index;
...
boolean done;
done = peers.get(index).runOnce();
...
}}}
每次fork请求到来都会调用ZygoteConnection的runOnce()来处理请求，
boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
String args[];
Arguments parsedArgs = null;
FileDescriptor[] descriptors;
。。。
try {
...关键点1
pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
parsedArgs.niceName);
}
try {
if (pid == 0) {
// in child
...关键点2
handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
。。。
}
runOnce()有两个关键点，关键点1 Zygote.forkAndSpecialize就是通过fork系统调用来新建进程，**关键点2 **handleChildProc就是对新建的APP进程进行一些初始化工作，为Android Java进程创建一些必须的场景。Zygote.forkAndSpecialize没什么可看的，就是Linux中的fork进程，这里主要看一下handleChildProc
private void handleChildProc(Arguments parsedArgs,
FileDescriptor[] descriptors, FileDescriptor pipeFd, PrintStream newStderr)
throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
//从Process.start启动的parsedArgs.runtimeInit一般都是true if (parsedArgs.runtimeInit) {
if (parsedArgs.invokeWith != null) {
WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
pipeFd, parsedArgs.remainingArgs);
} else {
// Android应用启动都走该分支
RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
parsedArgs.remainingArgs);
}
}
接着看 RuntimeInit.zygoteInit函数
public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv)
throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
redirectLogStreams();
commonInit();
<!--关键点1-->
nativeZygoteInit();
<!--关键点2-->
applicationInit(targetSdkVersion, argv);
}
先看关键点1，nativeZygoteInit属于Native方法，该方法位于AndroidRuntime.cpp中，其实就是调用调用到app_main.cpp中的onZygoteInit
static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
gCurRuntime->onZygoteInit();
}
关键就是onZygoteInit
virtual void onZygoteInit()
{
sp proc = ProcessState::self();
//启动新binder线程loop
proc->startThreadPool();
}
首先，ProcessState::self()函数会调用open()打开/dev/binder设备，这个时候Client就能通过Binder进行远程通信；其次，proc->startThreadPool()负责新建一个binder线程，监听Binder设备，这样进程就具备了作为Binder服务端的资格。每个APP的进程都会通过onZygoteInit打开Binder，既能作为Client，也能作为Server，这就是Android进程天然支持Binder通信的原因。
Android APP有多少Binder线程，是固定的么？
通过上一个问题我们知道了Android APP线程为什么天然支持Binder通信，并且可以作为Binder的Service端，同时也对Binder线程有了一个了解，那么在一个Android APP的进程里面究竟有多少个Binder线程呢？是固定的吗。在分析上一个问题的时候，我们知道Android APP进程在Zygote fork之初就为它新建了一个Binder主线程，使得APP端也可以作为Binder的服务端，这个时候Binder线程的数量就只有一个，假设我们的APP自身实现了很多的Binder服务，一个线程够用的吗？这里不妨想想一下SystemServer进程，SystemServer拥有很多系统服务，一个线程应该是不够用的，如果看过SystemServer代码可能会发现，对于Android4.3的源码，其实一开始为该服务开启了两个Binder线程。还有个分析Binder常用的服务，media服务，也是在一开始的时候开启了两个线程。
先看下SystemServer的开始加载的线程：通过 ProcessState::self()->startThreadPool()新加了一个Binder线程，然后通过IPCThreadState::self()->joinThreadPool();将当前线程变成Binder线程，注意这里是针对Android4.3的源码，android6.0的这里略有不同。
extern "C" status_t system_init()
{
...
ALOGI("System server: entering thread pool.\n");
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
ALOGI("System server: exiting thread pool.\n");
return NO_ERROR;
}
再看下Media服务,同SystemServer类似，也是开启了两个Binder线程：
int main(int argc, char** argv)
{ ...
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}
可以看出Android APP上层应用的进程一般是开启一个Binder线程，而对于SystemServer或者media服务等使用频率高，服务复杂的进程，一般都是开启两个或者更多。来看第二个问题，Binder线程的数目是固定的吗？答案是否定的，驱动会根据目标进程中是否存在足够多的Binder线程来告诉进程是不是要新建Binder线程，详细逻辑，首先看一下新建Binder线程的入口：
status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
BBinder* obj;
RefBase::weakref_type* refs;
status_t result = NO_ERROR;
switch (cmd) {
...
// 可以根据内核返回数据创建新的binder线程
case BR_SPAWN_LOOPER:
mProcess->spawnPooledThread(false);
break;
}
executeCommand一定是从Bindr驱动返回的BR命令，这里是BR_SPAWN_LOOPER，什么时候，Binder驱动会向进程发送BR_SPAWN_LOOPER呢？全局搜索之后，发现只有一个地方binder_thread_read，如果直观的想一下，什么时候需要新建Binder线程呢？很简单，不够用的时候，注意上面使用的是spawnPooledThread(false)，也就是说这里启动的都是普通Binder线程。为了了解启动时机，先看一些binder_proc内部判定参数的意义：
struct binder_proc {
...
int max_threads; // 进程所能启动的最大非主Binder线程数目
int requested_threads; // 请求启动的非主线程数
int requested_threads_started;//已经启动的非主线程数
int ready_threads; // 当前可用的Binder线程数
...
};
再来看binder_thread_read函数中是么时候会去请求新建Binder线程，以Android APP进程为例子，通过前面的分析知道APP进程天然支持Binder通信，因为它有一个Binder主线程，启动之后就会阻塞等待Client请求,这里会更新proc->ready_threads，第一次阻塞等待的时候proc->ready_threads=1，之后睡眠。
binder_thread_read（）{
...
retry:
//当前线程todo队列为空且transaction栈为空，则代表该线程是空闲的 ，看看是不是自己被复用了
wait_for_proc_work = thread->transaction_stack == NULL &&
list_empty(&thread->todo);
...//可用线程个数+1
if (wait_for_proc_work)
proc->ready_threads++;
binder_unlock(__func__);
if (wait_for_proc_work) {
...
//当进程todo队列没有数据,则进入休眠等待状态
ret = wait_event_freezable_exclusive(proc->wait, binder_has_proc_work(proc, thread));
} else {
if (non_block) {
...
} else
//当线程todo队列没有数据，则进入休眠等待状态
ret = wait_event_freezable(thread->wait, binder_has_thread_work(thread));
}
binder_lock(__func__);
//被唤醒可用线程个数-1
if (wait_for_proc_work)
proc->ready_threads--;
thread->looper &= ~BINDER_LOOPER_STATE_WAITING;
...
while (1) {
uint32_t cmd;
struct binder_transaction_data tr;
struct binder_work *w;
struct binder_transaction *t = NULL;
//先考虑从线程todo队列获取事务数据
if (!list_empty(&thread->todo)) {
w = list_first_entry(&thread->todo, struct binder_work, entry);
//线程todo队列没有数据, 则从进程todo对获取事务数据
} else if (!list_empty(&proc->todo) && wait_for_proc_work) {
w = list_first_entry(&proc->todo, struct binder_work, entry);
} else {
}
..
if (t->buffer->target_node) {
cmd = BR_TRANSACTION; //设置命令为BR_TRANSACTION
} else {
cmd = BR_REPLY; //设置命令为BR_REPLY
}
..
done:
*consumed = ptr - buffer;
//创建线程的条件
if (proc->requested_threads + proc->ready_threads == 0 &&
proc->requested_threads_started < proc->max_threads &&
(thread->looper & (BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED |
BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED))) {
//需要新建的数目线程数+1
proc->requested_threads++;
// 生成BR_SPAWN_LOOPER命令，用于创建新的线程
put_user(BR_SPAWN_LOOPER, (uint32_t __user *)buffer)；
}
return 0;
}
被Client唤醒后proc->ready_threads会-1，之后变成0，这样在执行到done的时候，就会发现proc->requested_threads + proc->ready_threads == 0，这是新建Binder线程的一个必须条件，再看下其他几个条件
if (proc->requested_threads + proc->ready_threads == 0 &&
proc->requested_threads_started < proc->max_threads &&
(thread->looper & (BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED |
BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED)))
- proc->requested_threads + proc->ready_threads == 0 ：如果目前还没申请新建Binder线程，并且proc->ready_threads空闲Binder线程也是0，就需要新建一个Binder线程，其实就是为了保证有至少有一个空闲的线程。
- proc->requested_threads_started < proc->max_threads：目前启动的普通Binder线程数requested_threads_started还没达到上限（默认APP进程是15）
- thread->looper & (BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED | BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED) 当先线程是Binder线程，这个是一定满足的，不知道为什么列出来
proc->max_threads是多少呢？不同的进程其实设置的是不一样的，看普通的APP进程，在ProcessState::self()新建ProcessState单利对象的时候会调用ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);设置上限,可以看到默认设置的上限是15。
static int open_driver()
{
int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
...
size_t maxThreads = 15;
result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
...
}
如果满足新建的条件，就会将proc->requested_threads加1，并在驱动执行完毕后，利用put_user(BR_SPAWN_LOOPER, (uint32_t __user *)buffer)；通知服务端在用户空间发起新建Binder线程的操作，新建的是普通Binder线程，最终再进入binder_thread_write的BC_REGISTER_LOOPER:
int binder_thread_write(struct binder_proc *proc, struct binder_thread *thread,
void __user *buffer, int size, signed long *consumed)
{
...
case BC_REGISTER_LOOPER:
...
// requested_threads --
proc->requested_threads--;
proc->requested_threads_started++;
}
}
这里会将proc->requested_threads复原，其实就是-1，并且启动的Binder线程数+1。
个人理解，之所以采用动态新建Binder线程的意义有两点，第一：如果没有Client请求服务，就保持线程数不变，减少资源浪费，需要的时候再分配新线程。第二：有请求的情况下，保证至少有一个空闲线程是给Client端，以提高Server端响应速度。
不过这里有一点要注意，对于同一个线程的请求，如果是阻塞的，那么没什么问题，肯定是等待上一个请求结束才能处理下一个，但是对于oneway方式的binder请求呢，这里就会存在这么一个场景，对于oneway的请求，如果上一个还没处理完，同一个线程的新的oneway请求会被塞到同一个目标线程等待执行，而不会触发创建新的Binder线程，因为这并不会妨碍另一端的处理，因为它压根无需等待，但是这可能会造成服务端单个线程任务繁重，而其他线程保持空闲，不过在一定程度上实现了同一种任务的顺序执行，可能也有一定的好处吧。
同一个线程的请求必定是顺序执行，即使是异步请求(oneway)
一般而言，Client同步阻塞请求Service，直到Service提供完服务后才返回，不过，也有特殊的，比如请求用ONE_WAY方式，这种场景一般主要是用来通知，至于通知被谁消费，是否被消费压根不会关心。拿ContentService服务为例子，它是一个全局的通知中心，负责转发通知，而且，一般是群发，由于在转发的时候，ContentService被看做Client，如果这个时候采用普通的同步阻塞势必会造成通知的延时发送送，所以这里的Client采用了oneway，异步。
interface IContentObserver
{
/**
* This method is called when an update occurs to the cursor that is being
* observed. selfUpdate is true if the update was caused by a call to
* commit on the cursor that is being observed.
*/
oneway void onChange(boolean selfUpdate, in Uri uri, int userId);
}
这种机制可能也会影响Service的性能，比如同一个线程中的Client请求的服务是一个耗时操作的时候，通过oneway的方式发送请求的话，如果之前的请求还没被执行完，则Service不会启动新的线程去响应，该请求线程的所有操作都会被放到同一个Binder线程中依次执行，这样其实没有利用Binder机制的动态线程池，如果是多个线程中的Client并发请求，则还是会动态增加Binder线程的，大概这个是为了保证同一个线程中的Binder请求要依次执行吧，这种表现好像是反过来了，Client异步，而Service阻塞了，也就是说虽然解决了Client请求不被阻塞的问题，但是请求的处理并未被加速。
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