Android 进程通讯机制之Binder（信使）架构以及内存映射详解

Posted 2021-05-23 冬天的毛毛雨

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Android 进程通讯机制之Binder（信使）架构以及内存映射详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

android系统是基于Linux改造而来的，进程系统也是一脉相承，而进程
其实就是程序的具体实现。当程序第一次启动，
Android会启动一个Linux进程（具体由Zygote fork出来）以及一个主线程，
默认的情况下，所有组件都将运行在该进程内。
同一个应用由系统分配一个独立的账户，
该应用的产生的所有进程，都会是这同一个账户，每个进程都是相互独立的。
_那提起多进程，往往想到的是进程间的怎么交流信息的？那就有了今天这篇文章:Binder详解

一.Binder是什么？

Binder我也称之为信使（鸽子）

Binder是安卓中实现IPC（进程间通信的）常用手段，四大组件之间的跨进程通信也是利用Binder实现的，Binder是学习四大组件工作原理的的一个重要基础，是Android提供的一套进程间相互通信框架。用来多进程间发送消息，同步和共享内存。已有的进程间通信方式有一下几种：
1、Files 文件系统（包括内存映射）
2、Sockets
3、Pipes 管道
4、共享内存
5、Intents, ContentProviders, Messenger
6、Binder

Android系统中的Binder框架图如下：

1、Binder是Android提供的一套进程间通信框架。
2、系统服务ActivityManagerService，ServiceManager等都是在单独进程中的，使用binder和应用进行通信。
3、Binder就像信使鸽子一样传递信息

二.Binder架构

Binder通信采用C/S架构

从组件视角来说，包含Client、Server、ServiceManager以及Binder驱动，其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。如上图所示Binder在Framework层和Native层分别有对应的客户端（Client）、服务（Server）的和服务管理器（Service Manager）。同时在Kernel层（内核空间）有Binder的驱动设备。

这四个角色的作用分别是：

① Client进程：使用服务的进程。

② Server进程：提供服务的进程。

③ ServiceManager进程：ServiceManager的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。

④ Binder驱动：驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。

Binder运行机制

① Binder驱动为跨进程通信做准备：通过调用mmap()系统函数实现内存映射。在Binder驱动中创建一块接收缓存区。同时将内核缓存区地址和Server端中用户空间一块地址同时都映射到该接收缓存区中。这时候就创建了虚拟区间和映射的关系。

② Client进程将数据发送到Server进程。Client进程通过调用copy_from_user()发送数据拷贝到内核中（Binder驱动）的缓存区中，此时Client发起请求的线程会被挂起。由于在①中构建了映射关系，此时相当于也将数据发送到了Server端的用户空间中。之后Binder驱动通知Server端进程执行解包。

③ Server进程根据Client进程发送来的数据，调用目标方法。收到Binder驱动通知后，Server进程对数据进行解包，并调用相关方法处理。

④ Server进程将目标方法处理结果返回给Client进程。将处理结果放回自己的共享空间（即①中映射的Binder驱动缓存区中）。Binder驱动通知Client进程获取返回结果，此时②中被挂起的线程会被重新唤醒。Client进程通过系统调用copy_to_user(),从内核缓存区拷贝Server进程返回的结果。

三.Binder机制在Android中的具体实现原理

注册服务

Server进程通过Binder驱动向 Service Manager进程注册服务
注册服务后，Binder驱动持有 Server进程创建的Binder实体

 Binder binder = new Stub();
    // 步骤1：创建Binder对象 ->>分析1

    // 步骤2：创建 IInterface 接口类 的匿名类
    // 创建前，需要预先定义 继承了IInterface 接口的接口 -->分析3
    IInterface plus = new IPlus(){

          // 确定Client进程需要调用的方法
          public int add(int a,int b) {
               return a+b;
         }

          // 实现IInterface接口中唯一的方法
          public IBinder asBinder（）{ 
                return null ;
           }
};
          // 步骤3
          binder.attachInterface(plus，"add two int");
         // 1\\. 将（add two int，plus）作为（key,value）对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
         // 2\\. 之后，Binder对象 可根据add two int通过queryLocalIInterface（）获得对应IInterface对象（即plus）的引用，可依靠该引用完成对请求方法的调用
        // 分析完毕，跳出

<-- 分析1：Stub类 -->
    public class Stub extends Binder {
    // 继承自Binder类 ->>分析2

          // 复写onTransact（）
          @Override
          boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
          // 具体逻辑等到步骤3再具体讲解，此处先跳过
          switch (code) { 
                case Stub.add：{ 

                       data.enforceInterface("add two int"); 

                       int  arg0  = data.readInt();
                       int  arg1  = data.readInt();

                       int  result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0,  arg1); 

                        reply.writeInt(result); 

                        return true; 
                  }
           } 
      return super.onTransact(code, data, reply, flags); 

}
// 回到上面的步骤1，继续看步骤2

<-- 分析2：Binder 类 -->
 public class Binder implement IBinder{
    // Binder机制在Android中的实现主要依靠的是Binder类，其实现了IBinder接口
    // IBinder接口：定义了远程操作对象的基本接口，代表了一种跨进程传输的能力
    // 系统会为每个实现了IBinder接口的对象提供跨进程传输能力
    // 即Binder类对象具备了跨进程传输的能力

        void attachInterface(IInterface plus, String descriptor)；
        // 作用：
          // 1\\. 将（descriptor，plus）作为（key,value）对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
          // 2\\. 之后，Binder对象 可根据descriptor通过queryLocalIInterface（）获得对应IInterface对象（即plus）的引用，可依靠该引用完成对请求方法的调用

        IInterface queryLocalInterface(Stringdescriptor) ；
        // 作用：根据 参数 descriptor 查找相应的IInterface对象（即plus引用）

        boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)；
        // 定义：继承自IBinder接口的
        // 作用：执行Client进程所请求的目标方法（子类需要复写）
        // 参数说明：
        // code：Client进程请求方法标识符。即Server进程根据该标识确定所请求的目标方法
        // data：目标方法的参数。（Client进程传进来的，此处就是整数a和b）
        // reply：目标方法执行后的结果（返回给Client进程）
         // 注：运行在Server进程的Binder线程池中；当Client进程发起远程请求时，远程请求会要求系统底层执行回调该方法

        final class BinderProxy implements IBinder {
         // 即Server进程创建的Binder对象的代理对象类
         // 该类属于Binder的内部类
        }
        // 回到分析1原处
}

<-- 分析3：IInterface接口实现类 -->

获取服务

Client进程使用某个 service前，须通过Binder驱动向 ServiceManager进程获取相应的Service信息，Client进程与 Server进程已经建立了连接

使用服务

Client进程根据获取到的 Service信息（Binder代理对象），通过Binder驱动建立与该Service所在Server进程通信的链路，并开始使用服务

Client进程将参数（整数a和b）发送到Server进程
Server进程根据Client进程要求调用目标方法（即加法函数）
Server进程将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程

四.Binder与内存映射mmap

Binder IPC 是基于内存映射（mmap）来实现的，但是 mmap() 通常是用在有物理介质的文件系统上的。

进程中的用户区域是不能直接和物理设备打交道的，如果想要把磁盘上的数据读取到进程的用户区域，需要两次拷贝（磁盘–>内核空间–>用户空间）；通常在这种场景下 mmap() 就能发挥作用，通过在物理介质和用户空间之间建立映射，减少数据的拷贝次数，用内存读写取代I/O读写，提高文件读取效率。

而 Binder 并不存在物理介质，因此 Binder 驱动使用 mmap() 并不是为了在物理介质和用户空间之间建立映射，而是用来在内核空间创建数据接收的缓存空间。

一次完整的 Binder IPC 通信过程通常是这样：

首先 Binder 驱动在内核空间创建一个数据接收缓存区；

接着在内核空间开辟一块内核缓存区，建立内核缓存区和内核中数据接收缓存区之间的映射关系，以及内核中数据接收缓存区和接收进程用户空间地址的映射关系；
发送方进程通过系统调用 copyfromuser() 将数据 copy 到内核中的内核缓存区，由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射，因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间，这样便完成了一次进程间的通信。