Android Binder机制(超级详尽)
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Android Binder机制(超级详尽)
球球 发表于7个月前
Android Binder机制(超级详尽)
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1.binder通信概述

 

    binder通信是一种client-server的通信结构,

    1.从表面上来看,是client通过获得一个server的代理接口,对server进行直接调用;

    2.实际上,代理接口中定义的方法与server中定义的方法是一一对应的;

    3.client调用某个代理接口中的方法时,代理接口的方法会将client传递的参数打包成为Parcel对象;

    4.代理接口将该Parcel发送给内核中的binder driver.

    5.server会读取binder driver中的请求数据,如果是发送给自己的,解包Parcel对象,处理并将结果返回;

    6.整个的调用过程是一个同步过程,在server处理的时候,client会block住。

 

 

 

2.service manager

Service Manager是一个linux级的进程,顾名思义,就是service的管理器。这里的service是什么概念呢?这里的service的概念和init过程中init.rc中的service是不同,init.rc中的service是都是linux进程,但是这里的service它并不一定是一个进程,也就是说可能一个或多个service属于同一个linux进程。在这篇文章中不加特殊说明均指Android native端的service。

任何service在被使用之前,均要向SM(Service Manager)注册,同时客户端需要访问某个service时,应该首先向SM查询是否存在该服务。如果SM存在这个service,那么会将该service的handle返回给client,handle是每个service的唯一标识符。

    

    SM的入口函数在service_manager.c中,下面是SM的代码部分

int main(int argc, char **argv)

{

    struct binder_state *bs;

    void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;

 

    bs = binder_open(128*1024);

 

    if (binder_become_context_manager(bs)) {

        LOGE("cannot become context manager (%s)/n", strerror(errno));

        return -1;

    }

 

    svcmgr_handle = svcmgr;

    binder_loop(bs, svcmgr_handler);

    return 0;

}

这个进程的主要工作如下:

    1.初始化binder,打开/dev/binder设备;在内存中为binder映射128K字节空间;

    2.指定SM对应的代理binder的handle为0,当client尝试与SM通信时,需要创建一个handle为0的代理binder,这里的代理binder其实就是第一节中描述的那个代理接口;

3.通知binder driver(BD)使SM成为BD的context manager;

4.维护一个死循环,在这个死循环中,不停地去读内核中binder driver,查看是否有可读的内容;即是否有对service的操作要求, 如果有,则调用svcmgr_handler回调来处理请求的操作。

5.SM维护了一个svclist列表来存储service的信息。

 

 

这里需要声明一下,当service在向SM注册时,该service就是一个client,而SM则作为了server。而某个进程需要与service通信时,此时这个进程为client,service才作为server。因此service不一定为server,有时它也是作为client存在的。

 

由于下面几节会介绍一些与binder通信相关的几个概念,所以将SM的功能介绍放在了后面的部分来讲。

 

应用和service之间的通信会涉及到2次binder通信。

 

1.应用向SM查询service是否存在,如果存在获得该service的代理binder,此为一次binder通信;

2.应用通过代理binder调用service的方法,此为第二次binder通信。

 

3.ProcessState

ProcessState是以单例模式设计的。每个进程在使用binder机制通信时,均需要维护一个ProcessState实例来描述当前进程在binder通信时的binder状态。

    ProcessState有如下2个主要功能:

    1.创建一个thread,该线程负责与内核中的binder模块进行通信,称该线程为Pool thread;

    2.为指定的handle创建一个BpBinder对象,并管理该进程中所有的BpBinder对象。

 

3.1 Pool thread

            在Binder IPC中,所有进程均会启动一个thread来负责与BD来直接通信,也就是不停的读写BD,这个线程的实现主体是一个IPCThreadState对象,下面会介绍这个类型。

            下面是 Pool thread的启动方式:

ProcessState::self()->startThreadPool();

3.2 BpBinder获取

BpBinder主要功能是负责client向BD发送调用请求的数据。它是client端binder通信的核心对象,通过调用transact函数向BD发送调用请求的数据,它的构造函数如下:

BpBinder(int32_t handle);

    通过BpBinder的构造函数发现,BpBinder会将当前通信中server的handle记录下来,当有数据发送时,会通知BD数据的发送目标。

ProcessState通过如下方式来获取BpBinder对象:

ProcessState::self()->getContextObject(handle);

在这个过程中,ProcessState会维护一个BpBinder的vector mHandleToObject,每当ProcessState创建一个BpBinder的实例时,回去查询mHandleToObject,如果对应的handle已经有binder指针,那么不再创建,否则创建binder并插入到mHandleToObject中。

    ProcessState创建的BpBinder实例,一般情况下会作为参数构建一个client端的代理接口,这个代理接口的形式为BpINTERFACE,例如在与SM通信时,client会创建一个代理接口BpServiceManager.

    

   

4.IPCThreadState

IPCThreadState也是以单例模式设计的。由于每个进程只维护了一个ProcessState实例,同时ProcessState只启动一个Pool thread,也就是说每一个进程只会启动一个Pool thread,因此每个进程则只需要一个IPCThreadState即可。

    Pool thread的实际内容则为:

    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

 

ProcessState中有2个Parcel成员,mIn和mOut,Pool thread会不停的查询BD中是否有数据可读,如果有将其读出并保存到mIn,同时不停的检查mOut是否有数据需要向BD发送,如果有,则将其内容写入到BD中,总而言之,从BD中读出的数据保存到mIn,待写入到BD中的数据保存在了mOut中。

ProcessState中生成的BpBinder实例通过调用IPCThreadState的transact函数来向mOut中写入数据,这样的话这个binder IPC过程的client端的调用请求的发送过程就明了了。

 

IPCThreadState有两个重要的函数,talkWithDriver函数负责从BD读写数据,executeCommand函数负责解析并执行mIn中的数据。

5.主要基类

5.1基类IInterface

为server端提供接口,它的子类声明了service能够实现的所有的方法;

 

5.2基类IBinder

    BBinder与BpBinder均为IBinder的子类,因此可以看出IBinder定义了binder IPC的通信协议,BBinder与BpBinder在这个协议框架内进行的收和发操作,构建了基本的binder IPC机制。

5.3基类BpRefBase

    client端在查询SM获得所需的的BpBinder后,BpRefBase负责管理当前获得的BpBinder实例。

 

 

6.两个接口类

6.1 BpINTERFACE

如果client想要使用binder IPC来通信,那么首先会从SM出查询并获得server端service的BpBinder,在client端,这个对象被认为是server端的远程代理。为了能够使client能够想本地调用一样调用一个远程server,server端需要向client提供一个接口,client在在这个接口的基础上创建一个BpINTERFACE,使用这个对象,client的应用能够想本地调用一样直接调用server端的方法。而不用去关心具体的binder IPC实现。

下面看一下BpINTERFACE的原型:

    class BpINTERFACE : public BpInterface<IINTERFACE>

 

    顺着继承关系再往上看

    template<typename INTERFACE>

    class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase

 

    BpINTERFACE分别继承自INTERFACE,和BpRefBase;

● BpINTERFACE既实现了service中各方法的本地操作,将每个方法的参数以Parcel的形式发送给BD。

例如BpServiceManager的

    virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service)

    {

        Parcel data, reply;

        data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());

        data.writeString16(name);

        data.writeStrongBinder(service);

        status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);

        return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;

    }

● 同时又将BpBinder作为了自己的成员来管理,将BpBinder存储在mRemote中,BpServiceManager通过调用BpRefBase的remote()来获得BpBinder指针。

 

6.2 BnINTERFACE

在定义android native端的service时,每个service均继承自BnINTERFACE(INTERFACE为service name)。BnINTERFACE类型定义了一个onTransact函数,这个函数负责解包收到的Parcel并执行client端的请求的方法。

 

    顺着BnINTERFACE的继承关系再往上看,

        class BnINTERFACE: public BnInterface<IINTERFACE>

 

    IINTERFACE为client端的代理接口BpINTERFACE和server端的BnINTERFACE的共同接口类,这个共同接口类的目的就是保证service方法在C-S两端的一致性。

 

    再往上看

        class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder

 

    同时我们发现了BBinder类型,这个类型又是干什么用的呢?既然每个service均可视为一个binder,那么真正的server端的binder的操作及状态的维护就是通过继承自BBinder来实现的。可见BBinder是service作为binder的本质所在。

 

    那么BBinder与BpBinder的区别又是什么呢?

 

    其实它们的区别很简单,BpBinder是client端创建的用于消息发送的代理,而BBinder是server端用于接收消息的通道。查看各自的代码就会发现,虽然两个类型均有transact的方法,但是两者的作用不同,BpBinder的transact方法是向IPCThreadState实例发送消息,通知其有消息要发送给BD;而BBinder则是当IPCThreadState实例收到BD消息时,通过BBinder的transact的方法将其传递给它的子类BnSERVICE的onTransact函数执行server端的操作。

 

7. Parcel

Parcel是binder IPC中的最基本的通信单元,它存储C-S间函数调用的参数.但是Parcel只能存储基本的数据类型,如果是复杂的数据类型的话,在存储时,需要将其拆分为基本的数据类型来存储。

 

    简单的Parcel读写不再介绍,下面着重介绍一下2个函数

 

7.1 writeStrongBinder

当client需要将一个binder向server发送时,可以调用此函数。例如

        virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service)

        {

            Parcel data, reply;

            data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());

            data.writeString16(name);

            data.writeStrongBinder(service);

            status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);

            return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;

        }

 

 

看一下writeStrongBinder的实体

status_t Parcel::writeStrongBinder(const sp<IBinder>& val)

{

    return flatten_binder(ProcessState::self(), val, this);

}

 

接着往里看flatten_binder

status_t flatten_binder(const sp<ProcessState>& proc,

    const sp<IBinder>& binder, Parcel* out)

{

    flat_binder_object obj;

    

    obj.flags = 0x7f | FLAT_BINDER_FLAG_ACCEPTS_FDS;

    if (binder != NULL) {

        IBinder *local = binder->localBinder();

        if (!local) {

            BpBinder *proxy = binder->remoteBinder();

            if (proxy == NULL) {

                LOGE("null proxy");

            }

            const int32_t handle = proxy ? proxy->handle() : 0;

            obj.type = BINDER_TYPE_HANDLE;

            obj.handle = handle;

            obj.cookie = NULL;

        } else {

            obj.type = BINDER_TYPE_BINDER;

            obj.binder = local->getWeakRefs();

            obj.cookie = local;

        }

    } else {

        obj.type = BINDER_TYPE_BINDER;

        obj.binder = NULL;

        obj.cookie = NULL;

    }

    

    return finish_flatten_binder(binder, obj, out);

}

 

    还是拿addService为例,它的参数为一个BnINTERFACE类型指针,BnINTERFACE又继承自BBinder,

    BBinder* BBinder::localBinder()

    {

        return this;

    }

    所以写入到Parcel的binder类型为BINDER_TYPE_BINDER,同时你在阅读SM的代码时会发现如果SM收到的service的binder类型不为BINDER_TYPE_HANDLE时,SM将不会将此service添加到svclist,但是很显然每个service的添加都是成功的,addService在开始传递的binder类型为BINDER_TYPE_BINDER,SM收到的binder类型为BINDER_TYPE_HANDLE,那么这个过程当中究竟发生了什么?

    为了搞明白这个问题,花费我很多的事件,最终发现了问题的所在,原来在BD中做了如下操作(drivers/staging/android/Binder.c):

 

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,

                   struct binder_thread *thread,

                   struct binder_transaction_data *tr, int reply)

{

..........................................

 

    if (fp->type == BINDER_TYPE_BINDER)

        fp->type = BINDER_TYPE_HANDLE;

    else

        fp->type = BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE;

    fp->handle = ref->desc;

..........................................

}

 

 

 

阅读完addService的代码,你会发现SM只是保存了service binder的handle和service的name,那么当client需要和某个service通信了,如何获得service的binder呢?看下一个函数

7.2 readStrongBinder

当server端收到client的调用请求之后,如果需要返回一个binder时,可以向BD发送这个binder,当IPCThreadState实例收到这个返回的Parcel时,client可以通过这个函数将这个被server返回的binder读出。

 

sp<IBinder> Parcel::readStrongBinder() const

{

    sp<IBinder> val;

    unflatten_binder(ProcessState::self(), *this, &val);

    return val;

}

 

往里查看unflatten_binder

 

status_t unflatten_binder(const sp<ProcessState>& proc,

    const Parcel& in, sp<IBinder>* out)

{

    const flat_binder_object* flat = in.readObject(false);

    

    if (flat) {

        switch (flat->type) {

            case BINDER_TYPE_BINDER:

                *out = static_cast<IBinder*>(flat->cookie);

                return finish_unflatten_binder(NULL, *flat, in);

            case BINDER_TYPE_HANDLE:

                *out = proc->getStrongProxyForHandle(flat->handle);

                return finish_unflatten_binder(

                    static_cast<BpBinder*>(out->get()), *flat, in);

        }        

    }

    return BAD_TYPE;

}

 

发现如果server返回的binder类型为BINDER_TYPE_BINDER的话,也就是返回一个binder引用的话,直接获取这个binder;如果server返回的binder类型为BINDER_TYPE_HANDLE时,也就是server返回的仅仅是binder的handle,那么需要重新创建一个BpBinder返回给client。

 

 

    有上面的代码可以看出,SM保存的service的binder仅仅是一个handle,而client则是通过向SM获得这个handle,从而重新构建代理binder与server通信。

 

 

    这里顺带提一下一种特殊的情况,binder通信的双方即可作为client,也可以作为server.也就是说此时的binder通信是一个半双工的通信。那么在这种情况下,操作的过程会比单工的情况复杂,但是基本的原理是一样的,有兴趣可以分析一下MediaPlayer和MediaPlayerService的例子。

 

8. 经典桥段分析

main_ mediaserver.cpp

int main(int argc, char** argv)

{

//创建进程mediaserver的ProcessState实例

    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());

//获得SM的BpServiceManager

    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();

    LOGI("ServiceManager: %p", sm.get());

//添加mediaserver中支持的service。

    AudioFlinger::instantiate();

    MediaPlayerService::instantiate();

    CameraService::instantiate();

    AudioPolicyService::instantiate();

//启动ProcessState的pool thread

    ProcessState::self()->startThreadPool();

//这一步有重复之嫌,加不加无关紧要。

    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

}

 

9. Java 层的binder机制

了解了native通信机制后,再去分析Java层的binder机制,就会很好理解了。它只是对native的binder做了一个封装。这一部分基本上没有太复杂的过程,这里不再赘述了。

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