Android Binder 的主要内容概述以及特性和原理

Posted 2021-09-01 datian1234

一、主要内容

[图片上传失败…(image-7ac5-1628086130715)]

Binder在android中有举足轻重的地位，不管是Activty的启动流程，还是四大组件的通讯方式都一一和binder有着细密的关联。 主要从四个大方向介绍Binder：

• Binder由来和特性：首先是对Binder有个完整的认识和他存在的优势分析
• Linux下IPC原理：Android是基于Linux的，所以先了解下Linux固有的进程通讯的方式有助于对Binder的理解
• Binder原理：主要包括组件的构成、架构和通讯原理
• Binder有关的常见问题：一些常见的和不常见的有关Binder的问题有助于更好的理解和加深对Binder的认识

二、Binder概述

1.什么是Binder？

• 从IPC角度来说：Binder是Android中的一种跨进程通信方式，该通信方式在linux中没有，是Android独有；
• 从Android Driver层：Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder；
• 从Android Native层：Binder是创建Service Manager以及BpBinder/BBinder模型，搭建与binder驱动的桥梁；
• 从Android Framework层：Binder是各种Manager（ActivityManager、WindowManager等）和相应xxxManagerService的桥梁；
• 从Android APP层：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了服务端业务调用的 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，这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务。

2.由来？

Android 系统是基于 Linux 内核的，Linux 已经提供了管道、消息队列、共享内存和 Socket 等 IPC 机制。那为什么 Android 还要提供 Binder 来实现 IPC 呢？主要是基于性能、稳定性和安全性几方面的原因。

• 管道：任何进程都能通讯，但速度慢
• 消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题。
• 共享内存：能够容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如写一个进程的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全。当然，共享内存同样可以作为线程通讯，不过没有这个必要，线程间本来就已经共享了同一个进程内的一块内存。
• socket：本机进程之间可以利用socket通信，跨进程之间也可利用socket通信，通常RPC的实现最底层都是通过socket通信。socket通信是一种比较复杂的通信方式，通常客户端需要开启单独的监听线程来接受从服务端发过来的数据，客户端线程发送数据给服务端，如果需要等待服务端的响应，并通过监听线程接受数据，需要进行同步，是一件很麻烦的事情。socket通信速度也不快。

3.Binder特性？

3.1 性能？

[图片上传失败…(image-675747-1628086130715)]

• 共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。
• Binder 只需要一次数据拷贝，性能上仅次于共享内存。
• Socket 作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。
• 消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。

3.2 稳定性？

• Binder 基于 C/S 架构，客户端（Client）有什么需求就丢给服务端（Server）去完成，架构清晰、职责明确又相互独立，自然稳定性更好。
• 共享内存虽然无需拷贝，但是控制负责，难以使用。从稳定性的角度讲，Binder 机制是优于内存共享的。

3.3 安全性？

• 首先传统的 IPC 接收方无法获得对方可靠的进程用户ID/进程ID（UID/PID），从而无法鉴别对方身份。
• Android 为每个安装好的 APP 分配了自己的 UID，故而进程的 UID 是鉴别进程身份的重要标志。传统的 IPC 只能由用户在数据包中填入 UID/PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标识只有由 IPC 机制在内核中添加。其次传统的 IPC访问接入点是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。
• 同时 Binder 既支持实名 Binder，又支持匿名 Binder，安全性高（Binder.getCallingUid()）。

3.4 结论：

[图片上传失败…(image-a27659-1628086130715)]

三、Linux下IPC原理

[图片上传失败…(image-7a3593-1628086130715)]

1.进程隔离

• 进程与进程间内存是不共享的。两个进程就像两个平行的世界，A 进程没法直接访问 B 进程的数据，这就是进程隔离的通俗解释。
• A 进程和 B 进程之间要进行数据交互就得采用特殊的通信机制：进程间通信（IPC）。

2.用户空间与内核空间

• 每个Android的进程，只能运行在自己进程所拥有的虚拟地址空间。对应一个4GB的虚拟地址空间，其中3GB是用户空间，1GB是内核空间，当然内核空间的大小是可以通过参数配置调整的。对于用户空间，不同进程之间彼此是不能共享的，而内核空间却是可共享的。
• 简单的说就是，内核空间（Kernel）是系统内核运行的空间，用户空间（User Space）是用户程序运行的空间。为了保证安全性，它们之间是隔离的。

3.用户态与内核态

• 虽然从逻辑上抽离出用户空间和内核空间；但是不可避免的的是，总有那么一些用户空间需要访问内核的资源；比如应用程序访问文件，网络是很常见的事情，怎么办呢？

• 当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（内核态）此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。

• 系统调用主要通过如下两个函数来实现：

    copy_from_user() //将数据从用户空间拷贝到内核空间
    copy_to_user() //将数据从内核空间拷贝到用户空间
复制代码

四、Binder原理

4.1 Binder组成

[图片上传失败…(image-590516-1628086130715)]

Binder 是基于 C/S 架构的。由一系列的组件组成，包括 Client、Server、ServiceManager、Binder 驱动。其中 Client、Server、Service Manager 运行在用户空间，Binder 驱动运行在内核空间。其中 Service Manager 和 Binder 驱动由系统提供，而 Client、Server 由应用程序来实现。Client、Server 和 ServiceManager 均是通过系统调用 open、mmap 和 ioctl 来访问设备文件 /dev/binder，从而实现与 Binder 驱动的交互来间接的实现跨进程通信。

• Client

  如同互联网中客户端（Client），Binder是Server本地对象的一个引用，这个引用实际上是一个代理对象，Client通过这个代理对象来间接访问Server的本地对象；

• Server

  如同互联网中服务器（Server），Binder是提供具体实现的本地对象，需向ServiceManager注册；

• ServiceManager

  如同互联网中DNS域名服务器（ServiceManager）,管理Servive注册和查询，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 的名字获得对 Binder 实体的引用。注册了名字的 Binder 叫实名 Binder，就像网站一样除了除了有 IP 地址意外还有自己的网址。

• 驱动

  如同互联网中路由器（Binder 驱动）,是整个通信的核心；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。

4.2 Binder架构

[图片上传失败…(image-a6a75d-1628086130715)]

Binder架构采用分层架构设计，每一层都有其不同的功能，以大家平时用的startService为例子，AMP为ActivityManagerProxy，AMS为ActivityManagerSerivce。BpBinder是Client端创建的用于向Server发送消息的代理，而BBinder是Server端用于接受消息的通道。

• 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。
• Binder 在 framework 层进行了封装，通过 JNI 技术调用 Native（C/C++）层的 Binder 架构。
• Native 层： 对于Native层，如果需要使用Binder，则可以直接使用BpBinder和BBinder(也包括JavaBBindder)即可，对于上一层Java IPC通信也是基于这个层面。
• Kernel物理层：这里是Binder Driver，前面三层都跑在用户控件，对于用户控件内存资源是不共享的，每个Android的进程只能运行在自己基础讷航所拥有的虚拟地址空间，而内核空间却是可共享的。真正通信的核心环节还是Binder Driver。

4.3 Binder机制通讯原理

[图片上传失败…(image-f6d2dc-1628086130715)]

• Server向ServiceManager注册Server通过Binder驱动向ServiceManager注册，声明可以对外提供服务。ServiceManager中会保留一份映射表。
• Client向ServiceManager请求Server的Binder查询Client想要请求Server的数据时，需要先通过Binder驱动向ServiceManager请求Server的Binder引用：我要向名字为zhangsan的Server通信，请告诉我Server的Binder引用。
• 向具体的Server发送请求Client拿到这个Binder引用后，就可以通过Binder驱动和Server进行通信了。
• Server返回结果Server响应请求后，需要再次通过Binder驱动将结果返回给Client。

4.4 总结

• 从进程间通信的角度看，Binder 是一种进程间通信的机制；
• 从 Server 进程的角度看，Binder 指的是 Server 中的 Binder 实体对象；
• 从 Client 进程的角度看，Binder 指的是对 Binder 代理对象，是 Binder 实体对象的一个远程代理
• 从传输过程的角度看，Binder 是一个可以跨进程传输的对象；Binder 驱动会对这个跨越进程边界的对象对一点点特殊处理，自动完成代理对象和本地对象之间的转换。