轻松理解 Android Binder，只需要读这一篇

2016-08-08 本文已影响15387人 myz7656

在 Android 系统中，Binder 起着非常重要的作用，它是整个系统 IPC 的基石。网上已经有很多文章讲述 Binder 的原理，有的讲的比较浅显，没有触及到关键，有的讲的太过于深入底层，难以理解，本文会比较全面，以一个比较轻松的方式，从面到点，大处着眼，小处着手的形式去讲述 Binder 在 Android 中是如何使用的。理解 Binder 的基本原理，对学习 Android 也有很大的帮助，很多问题也能够得到解释，例如 ContentProvider 中的 CRUD 是否是线程安全的？又例如在使用 AIDL 的时候，在 Service 中实现的接口是否是线程安全的？

本文分为以下几个部分去介绍

Android 整体架构
Binder IPC 的架构
手动实现 Binder IPC
使用 AIDL 实现 Binder IPC

如果觉得文章太长，可以先只看「小结」部分，小结会把每个部分的重点总结出来，有些部分可以跳过。

Android 整体架构

不识庐山真面目，只缘身在此山中，所以我们先来大概看下 Android 这座大山的整体轮廓。我们先从 Android 的整体架构来看看 Binder 是处于什么地位，这张图引自 Android 项目开源网站：https://source.android.com

从下往上依次为

内核层：Linux 内核和各类硬件设备的驱动，这里需要注意的是，Binder IPC 驱动也是在这一层实现，比较特殊
硬件抽象层：封装「内核层」硬件驱动，提供可供「系统服务层」调用的统一硬件接口
系统服务层：提供核心服务，并且提供可供「应用程序框架层」调用的接口
Binder IPC 层：作为「系统服务层」与「应用程序框架层」的 IPC 桥梁，互相传递接口调用的数据，实现跨进层的通讯
应用程序框架层：这一层可以理解为 Android SDK，提供四大组件，View 绘制体系等平时开发中用到的基础部件

在一个大的项目里面，分层是非常重要的，处于最底层的接口最具有「通用性」，接口粒度最细，越往上层通用性降低。理论上来说上面的每一层都可以「开放」给开发者调用，例如开发者可以直接调用硬件抽象层的接口去操作硬件，或者直接调用系统服务层中的接口去直接操作系统服务，甚至是像 Windows 开发一样，开发者可以在内核层写程序，运行在内核中。不过开放带来的问题就是开发者权利太大，对于系统的稳定性是没有任何好处的，一个病毒制作者写了一个内核层的病毒，系统也许永远也起不来了。所以谷歌的做法是将开发者的权利收拢到了「应用程序框架层」，开发者只能调用这一层提供的接口。

上面的层次中，内核层与硬件抽象层均用 C/C++ 实现，系统服务层是以 Java 实现，硬件抽象层编译为 so 文件，以 JNI 的形式供系统服务层使用。系统服务层中的服务随系统的启动而启动，只要不关机，就会一直运行。这些服务干什么事情呢？其实很简单，就是完成一个手机该有的核心功能如短信的收发管理、电话的接听、挂断以及应用程序的包管理、Activity 的管理等等。每一个服务均运行在一个独立进程中，因为是以 Java 实现，所以本质上来说就是运行在一个独立进程的 Dalvik 虚拟机中。问题就来了，开发者的 APP 运行在一个新的进程空间，如何调用到系统服务层中的接口呢？答案是 IPC（Inter-Process Communication），进程间通讯，缩写与 RPC（Remote Procedure Call）是不一样的，实现原理也是不一样的。每一个系统服务在应用层序框架层都有一个 Manager 与之对应，方便开发者调用其相关的功能，具体关系大致如下

IPC 的方式有很多种，例如 socket、共享内存、管道、消息队列等等，我们就不去深究为何要使用 Binder 而不使用其他方式去做，到目前为止，这座大山的面目算是有个大概的轮廓了。

小结

Android 从下而上分了内核层、硬件抽象层、系统服务层、Binder IPC 层、应用程序框架层
Android 中「应用程序框架层」以 SDK 的形式开放给开发者使用，「系统服务层」中的核心服务随系统启动而运行，通过应用层序框架层提供的 Manager 实时为应用程序提供服务调用。系统服务层中每一个服务运行在自己独立的进程空间中，应用程序框架层中的 Manager 通过 Binder IPC 的方式调用系统服务层中的服务。

这一小节完了，看个美女放松下，继续下一小节

Binder IPC 的架构

下面我们就来看看 Binder IPC 的架构是怎样的

Binder IPC 属于 C/S 结构，Client 部分是用户代码，用户代码最终会调用 Binder Driver 的 transact 接口，Binder Driver 会调用 Server，这里的 Server 与 service 不同，可以理解为 Service 中 onBind 返回的 Binder 对象，请注意区分下。

Client：用户需要实现的代码，如 AIDL 自动生成的接口类
Binder Driver：在内核层实现的 Driver
Server：这个 Server 就是 Service 中 onBind 返回的 IBinder 对象

需要注意的是，上面绿色的色块部分都是属于用户需要实现的部分，而蓝色部分是系统去实现了。也就是说 Binder Driver 这块并不需要知道，Server 中会开启一个线程池去处理客户端调用。为什么要用线程池而不是一个单线程队列呢？试想一下，如果用单线程队列，则会有任务积压，多个客户端同时调用一个服务的时候就会有来不及响应的情况发生，这是绝对不允许的。

对于调用 Binder Driver 中的 transact 接口，客户端可以手动调用，也可以通过 AIDL 的方式生成的代理类来调用，服务端可以继承 Binder 对象，也可以继承 AIDL 生成的接口类的 Stub 对象。这些细节下面继续接着说，这里暂时不展开。

切记，这里 Server 的实现是线程池的方式，而不是单线程队列的方式，区别在于，单线程队列的话，Server 的代码是线程安全的，线程池的话，Server 的代码则不是线程安全的，需要开发者自己做好多线程同步。

小结

Binder IPC 属于 C/S 架构，包括 Client、Driver、Server 三个部分
Client 可以手动调用 Driver 的 transact 接口，也可以通过 AIDL 生成的 Proxy 调用
Server 中会启动一个「线程池」来处理 Client 的调用请求，处理完成后将结果返回给 Driver，Driver 再返回给 Client

这里就回答了开篇提问的两个问题：Service 中通过 AIDL 提供的接口并不是线程安全的，同理 ContentProvider 底层也是使用 Binder，同样不是线程安全的，至于是否需要做多线程保护，看业务而定，最好是做好多线程同步，以防万一。

手动实现 Binder IPC

通过上面的讲解，大家应该对整体的流程已经有了清楚的认识，下面我们先来看看如何手动实现 Binder IPC，即不使用 AIDL 的方式。对应上面的 Client、Driver、Server，在 Activity、Service 中分别是什么呢？

上文说的 Server 其实就是 Service 中 onBind 返回的 IBinder 对象。

Server

假如我们要做一个上报数据的功能，运行在 Service 中，在后台上报数据，接口定义如下

public interface IReporter {

    int report(String values, int type);
}

那如何拿到它的 Server 对象呢？答案是通过 Service 的 onBind 方法返回，实现如下

BindService.java

public class BinderService extends Service {

    public static final int REPORT_CODE = 0;

    public interface IReporter {
        int report(String values, int type);
    }

    public final class Reporter extends Binder implements IReporter {
        @Override
        protected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);
        }

        @Override
        public int report(String values, int type) {
            return type;
        }
    }

    private Reporter mReporter;

    public BinderService() {
        mReporter = new Reporter();
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mReporter;
    }
}

这里我暂时不写 onTransact 的实现部分，最主要的是继承 Binder 对象，这个是 Android SDK 提供的基类，它实现了 IBinder 接口，并且封装了底层的 Binder Driver，看看它是如何初始化的

Binder.java

public Binder() {
    init();

    ...
}

...

private native final void init();

这里调用 native 的一个 init 方法，我们就不去深究了，知道它是对底层的 Binder Driver 的封装即可。当客户端发起请求的时候，Binder Driver 会调用它的 execTransact 方法，并在内部调用到 onTransact 方法，用户端代码可以重载该方法去实现自己的业务逻辑代码。我们的实现方式如下

BindService.java

protected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
    switch (code) {
        case REPORT_CODE:
            data.enforceInterface("reporter");
            String values = data.readString();
            Log.i("IReporter", "data is '" + values + "'");
            int type = data.readInt();
            int result = report(values, type);
            reply.writeInterfaceToken("reporter");
            reply.writeInt(result);
            return true;
    }
    return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}

这里的主要过程就是：获取到 data 中传递过来的参数 values 和 type，调用自己实现的 report 函数，将返回值写到 reply 中。

注意，这里实现的两个关键点就是

Reporter 类继承 Binder 类，重载 onTransact 函数，实现自己的业务逻辑
在 Service 的 onBind 中返回 Reporter 类的实例

这里看不到半点线程池的影子对吧，其实是在 Binder 内部的 native 方法中去实现了的，记住你写的代码要保持线程安全就对了。

Driver

该部分已经被 Binder 类给封装了，暴露给开发者的已经是很简单的使用方式了，即继承 Binder，实现 onTransact 即可。

Client

那 Client 是什么呢？也就是我们想使用 IReport 接口来做数据上报的地方，一般都在 Activity 里面，主要实现如下

MainActivity.java

private IBinder mReporterBind;

private class BindConnection implements ServiceConnection {

    @Override
    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
        mReporterBind = service;
    }

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

...

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

    ...
    
    intent = new Intent(this, BinderService.class);
    bindService(intent, new BindConnection(), BIND_AUTO_CREATE);
}

这样就拿到了后台 Service 中的 onBind 返回的 IBinder 对象，也就是上面 Binder IPC 架构中的 mRemote 对象。至于 bindService 中做了什么，有兴趣的读者可以再去研究，这里知道它返回的就是 mRemote 对象即可。

MainActivity.java

Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken("reporter");
data.writeString("this is a test string.");
data.writeInt(type);

mReporterBind.transact(BinderService.REPORT_CODE, data, reply, 0);
reply.enforceInterface("reporter");
int result = reply.readInt();

data.recycle();
reply.recycle();

通过 Parcel.obtain() 获取发送包对象、应答包对象，写入数据，调用 IBinder 的 transact 接口，即 mRemote.transact() 的调用。

小结

一切复杂的逻辑均已经被封装在实现了 IBinder 接口的 Binder 类中
Activity 中通过 bindService 拿到 Binder Driver 中的 mRemote 对象（IBinder 的实例），然后「组包」，然后「调用 transact 接口」按序发送数据包
Service 中继承 Binder 类，「重载 onTransact 函数」，实现参数的「解包」，发送返回包等，在 onBind 中返回具体的实现类如上文中的 Reporter

总的说来就是 Client 组包，调用 transact 发送数据，Server 接到调用，解包，返回，下面使用 AIDL 的流程本质也是一样。

使用 AIDL 实现 Binder IPC

上面的例子我们看到，定义了 IReporter 接口，但是其实 Client 中并没有用到，因为数据的组包和解包其实是手动编码的，并不能直接调用接口，所以其实定义接口的意义等于 0，基于此，Android 给了我们更好用的方式那就是 AIDL，定义如下

IReporter.aidl

package com.android.binder;

interface IReporter {

    int report(String values, int type);
}

Server

AidlService.java

public class AidlService extends Service {

    public static final class Reporter extends IReporter.Stub {

        @Override
        public int report(String values, int type) throws RemoteException {
            return type;
        }
    }

    private Reporter mReporter;

    public AidlService() {
        mReporter = new Reporter();
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mReporter;
    }
}

这里与手动实现的方式不同的是，一个继承了 Binder，一个继承了 AIDL 自动生成的 Stub 对象，它是什么呢？我们可以看下它的定义

IReporter.java

public interface IReporter extends android.os.IInterface
{

    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.android.binder.IReporter {
        ...
        
        @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_report:
                {
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    java.lang.String _arg0;
                    _arg0 = data.readString();
                    int _arg1;
                    _arg1 = data.readInt();
                    int _result = this.report(_arg0, _arg1);
                    reply.writeNoException();
                    reply.writeInt(_result);
                    return true;
                }
            }
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);
        }
    }

...

}

其实和我们上文的写法是一样的，自动生成的 IReporter 类自动给我们处理了一些参数的组包和解包而已，在 case 语句中调用了 this.report 即可调用到自己的业务逻辑部分了。

Driver

与上文一致，还是 Binder 的内部封装

Client

MainActivity.java

private IReporter mReporterAidl;

private class AidlConnection implements ServiceConnection {

    @Override
    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
        mReporterAidl = IReporter.Stub.asInterface(service);
    }

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

...

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

    ...
    
    Intent intent = new Intent(this, AidlService.class);
    bindService(intent, new AidlConnection(), BIND_AUTO_CREATE);
}

这里与手动实现方式也有区别，即调用了 Stub 对象的 asInterface，具体做了什么呢？

public static com.android.binder.IReporter asInterface(android.os.IBinder obj)
{
    if ((obj==null)) {
        return null;
    }
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
    if (((iin!=null)&&(iin instanceof com.android.binder.IReporter))) {
        return ((com.android.binder.IReporter)iin);
    }
    return new com.android.binder.IReporter.Stub.Proxy(obj);
}

先查找本地接口是否存在，判断是否是本地调用，如果是则直接返回 IReporter 的对象，否则返回 Stub.Proxy 对象，这个 Proxy 对象是做什么的呢？

private static class Proxy implements com.android.binder.IReporter
{
    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;
    }
    @Override public int report(java.lang.String values, int type) 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.writeString(values);
            _data.writeInt(type);
            mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_report, _data, _reply, 0);
            _reply.readException();
            _result = _reply.readInt();
        }
        finally {
            _reply.recycle();
            _data.recycle();
        }
        return _result;
    }
}

基本上已经很明了了，就是一个代理对象，对调用接口参数做组包而已，然后调用了 mRemote.transact 接口，和上文手动实现的方式是一致的。

小结

AIDL 自动生成了 Stub 类
在 Service 端继承 Stub 类，Stub 类中实现了 onTransact 方法实现了「解包」的功能
在 Client 端使用 Stub 类的 Proxy 对象，该对象实现了「组包」并且调用 transact 的功能

有了 AIDL 之后，IReporter 接口就变得有意义了，Client 调用接口，Server 端实现接口，一切「组包」、「解包」的逻辑封装在了 Stub 类中，一切就是那么完美。

轻松理解 Android Binder，只需要读这一篇

Android 整体架构

小结

Binder IPC 的架构

小结

手动实现 Binder IPC

Server

BindService.java

Binder.java

BindService.java

Driver

Client

MainActivity.java

MainActivity.java

小结

使用 AIDL 实现 Binder IPC

IReporter.aidl

Server

AidlService.java

IReporter.java

Driver

Client

MainActivity.java

小结

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