细读《深入理解 Android 内核设计思想》Binder 机制 [下]
Posted 王英豪
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了细读《深入理解 Android 内核设计思想》Binder 机制 [下]相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
对冗余挑拣重点，对重点深入补充，输出结构清晰的精简版
- 深入 binder 驱动内部
binder_ioctl
binder_get_thread
binder_ioctl_write_read
binder_thread_write
binder_transaction
binder_thread_read
小结- binder Q&A
如何找到目标进程 Binder 实体
如何实现 Binder 线程的睡眠与唤醒- 最后
深入 binder 驱动内部
前两篇文章都有提到 binder_ioctl 方法，在 Binder 机制 [上] 中介绍了 binder_ioctl 支持的命令；Binder 机制 [中] 中提到 IPCThreadState 会调用到 binder_ioctl 方法。
书中对 binder 驱动内部调用的讲解没有分为较清晰的步骤，一口气就是 20 页篇幅的源码详解，理解起来有些难度，容易迷失。在细读了三四遍后，终于感觉对整体有些掌握了，结合前面的学习与自己的理解，将一次 IPC 调用中 binder 驱动的工作分为以下 5 步：
1.准备数据，根据命令分发给具体的方法去处理
2.找到目标进程的相关信息
3.将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块
4.记录待处理的任务，唤醒目标线程
5.调用线程进入休眠
6.目标进程直接拿到数据进行处理，处理完后唤醒调用线程
7.调用线程返回处理结果
与上篇文章一样仍以 getService() 为例，按照上面的工作步骤为脉络，深入分析驱动层中的执行逻辑，彻底搞定 binder 驱动！
binder_ioctl
在 IPCThreadState 中这样调用了 binder_ioctl() 方法：
ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr)
binder_ioctl() 方法中会根据 BINDER_WRITE_READ、BINDER_SET_MAX_THREADS 等不同 cmd 转调到不同的方法去执行，这里我们只关注 BINDER_WRITE_READ，简化后代码如下：
static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
int ret;
//拿到调用进程在 binder_open() 中记录的 binder_proc
struct binder_proc *proc = filp->private_data;
struct binder_thread *thread;
binder_lock(__func__);
//获取调用线程 binder_thread
thread = binder_get_thread(proc);
switch (cmd)
case BINDER_WRITE_READ:
//处理 binder 数据读写,binder IPC 通信的核心逻辑
ret = binder_ioctl_write_read(filp, cmd, arg, thread);
if (ret)
goto err;
break;
case BINDER_SET_MAX_THREADS:... //设置 binder 最大线程数
case BINDER_SET_CONTEXT_MGR:... //设置 service 大管家，即 ServiceManager
case BINDER_THREAD_EXIT:... //binder 线程退出命令，释放相关资源
case BINDER_VERSION: ... //获取 binder 驱动版本号
...
在 Binder 机制 [上] 中详细介绍过 binder_open() 方法，它主要做了两个工作：1.创建及初始化每个进程独有一份的、用来存放 binder 相关数据的 binder_proc 结构体，2.将 binder_proc 记录起来，方便后续使用。正是通过 file 来记录的：
static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp)
...
filp->private_data = proc;
...
拿到调用进程后，进一步通过 binder_get_thread() 方法拿到调用线程，然后就交给 binder_ioctl_write_read() 方法去执行具体的 binder 数据读写了，可见 binder_ioctl() 方法本身的逻辑非常简单，将数据 arg 透传了出去。下面分别来看 binder_get_thread()、binder_ioctl_write_read() 这两个方法。
binder_get_thread
static struct binder_thread *binder_get_thread(struct binder_proc *proc)
struct binder_thread *thread = NULL;
struct rb_node *parent = NULL;
struct rb_node **p = &proc->threads.rb_node; //从 proc 中获取红黑树根节点
//查找 pid 等于当前线程 id 的thread，该红黑树以 pid 大小为序存放
while (*p)
parent = *p;
thread = rb_entry(parent, struct binder_thread, rb_node);
if (current->pid < thread->pid) //current->pid 是当前调用线程的 id
p = &(*p)->rb_left;
else if (current->pid > thread->pid)
p = &(*p)->rb_right;
else
break;
if (*p == NULL) //如果没有找到，则新创建一个
thread = kzalloc(sizeof(*thread), GFP_KERNEL);
if (thread == NULL)
return NULL;
binder_stats_created(BINDER_STAT_THREAD);
thread->proc = proc;
thread->pid = current->pid;
init_waitqueue_head(&thread->wait); //初始化等待队列
INIT_LIST_HEAD(&thread->todo); //初始化待处理队列
rb_link_node(&thread->rb_node, parent, p); //加入到 proc 的 threads 红黑树中
rb_insert_color(&thread->rb_node, &proc->threads);
thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_NEED_RETURN;
thread->return_error = BR_OK;
thread->return_error2 = BR_OK;
return thread;
binder_thread 是用来描述线程的结构体，binder_get_thread() 方法中逻辑也很简单，首先从调用进程 proc 中查找当前线程是否已被记录，如果找到就直接返回，否则新建一个返回，并记录到 proc 中。也就是说所有调用 binder_ioctl() 的线程，都会被记录起来。
binder_ioctl_write_read
此方法分为两部分来看，首先是整体：
static int binder_ioctl_write_read(struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg,
struct binder_thread *thread)
int ret = 0;
struct binder_proc *proc = filp->private_data;
unsigned int size = _IOC_SIZE(cmd);
void __user *ubuf = (void __user *)arg; //用户传下来的数据赋值给 ubuf
struct binder_write_read bwr;
//把用户空间数据 ubuf 拷贝到 bwr
if (copy_from_user(&bwr, ubuf, sizeof(bwr)))
ret = -EFAULT;
goto out;
处理数据...
//将读写后的数据写回给用户空间
if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
ret = -EFAULT;
goto out;
out:
return ret;
起初看到 copy_from_user() 方法时难以理解，因为它看起来是将我们要传输的数据拷贝到内核空间了，但目前还没有看到 server 端的任何线索，bwr 跟 server 端没有映射关系，那后续再将 bwr 传输给 server 端的时候又要拷贝，这样岂不是多次拷贝了？
其实这里的 copy_from_user() 方法并没有拷贝要传输的数据，而仅是拷贝了持有传输数据内存地址的 bwr。后续处理数据时会根据 bwr 信息真正的去拷贝要传输的数据。
处理完数据后，会将处理结果体现在 bwr 中，然后返回给用户空间处理。那是如何处理数据的呢？所谓的处理数据，就是对数据的读写而已：
if (bwr.write_size > 0) //写数据
ret = binder_thread_write(proc,
thread,
bwr.write_buffer, bwr.write_size,
&bwr.write_consumed);
trace_binder_write_done(ret);
if (ret < 0) //写失败
bwr.read_consumed = 0;
if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
ret = -EFAULT;
goto out;
if (bwr.read_size > 0) //读数据
ret = binder_thread_read(proc, thread, bwr.read_buffer,
bwr.read_size,
&bwr.read_consumed,
filp->f_flags & O_NONBLOCK);
trace_binder_read_done(ret);
if (!list_empty(&proc->todo))
wake_up_interruptible(&proc->wait);//唤醒等待状态的线程
if (ret < 0) //读失败
if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
ret = -EFAULT;
goto out;
可见 binder 驱动内部依赖用户空间的 binder_write_read 决定是要读取还是写入数据：其内部变量 read_size>0 则代表要读取数据，write_size>0 代表要写入数据，若都大于 0 则先写入，后读取。
至此焦点应该集中在 binder_thread_write() 和 binder_thread_read()，下面分析这两个方法。
binder_thread_write
在上面的 binder_ioctl_write_read() 方法中调用 binder_thread_write() 时传入了 bwr.write_buffer、bwr.write_size 等，先搞清楚这些参数是什么。
最开始是在用户空间 IPCThreadState 的 transact() 中通过 writeTransactionData() 方法创建数据并写入 mOut 的，writeTransactionData 方法代码如下：
status_t IPCThreadState::writeTransactionData(int32_t cmd, uint32_t binderFlags,
int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, status_t* statusBuffer)
binder_transaction_data tr; //到驱动内部后会取出此结构体进行处理
tr.target.ptr = 0;
tr.target.handle = handle; //目标 server 的 binder 的句柄
tr.code = code; //请求码，getService() 服务对应的是 GET_SERVICE_TRANSACTION
tr.flags = binderFlags;
tr.cookie = 0;
tr.sender_pid = 0;
tr.sender_euid = 0;
const status_t err = data.errorCheck(); //验证数据合理性
if (err == NO_ERROR)
tr.data_size = data.ipcDataSize(); //传输数据大小
tr.data.ptr.buffer = data.ipcData(); //传输数据
tr.offsets_size = data.ipcObjectsCount()*sizeof(binder_size_t);
tr.data.ptr.offsets = data.ipcObjects();
else ...
mOut.writeInt32(cmd); // transact 传入的 cmd 是 BC_TRANSACTION
mOut.write(&tr, sizeof(tr)); //打包成 binder_transaction_data
return NO_ERROR;
然后在 IPCThreadState 的 talkWithDriver() 方法中对 write_buffer 赋值：
bwr.write_buffer = (uintptr_t)mOut.data();
搞清楚了数据的来源，再来看 binder_thread_write() 方法，binder_thread_write() 方法中处理了大量的 BC_XXX 命令，代码很长，这里我们只关注当前正在处理的 BC_TRANSACTION 命令，简化后代码如下：
static int binder_thread_write(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
binder_size_t *consumed)
uint32_t cmd;
void __user *buffer = (void __user *)(uintptr_t)binder_buffer; //就是 bwr.write_buffer
void __user *ptr = buffer + *consumed; //数据起始地址
void __user *end = buffer + size; //数据结束地址
while (ptr < end && thread->return_error == BR_OK) //可能有多个命令及对应数据要处理，所以要循环
if (get_user(cmd, (uint32_t __user *)ptr)) // 读取一个 cmd
return -EFAULT;
ptr += sizeof(uint32_t); //跳过 cmd 所占的空间，指向要处理的数据
switch (cmd)
case BC_TRANSACTION:
case BC_REPLY:
struct binder_transaction_data tr; //与 writeTransactionData 中准备的数据结构体对应
if (copy_from_user(&tr, ptr, sizeof(tr))) //拷贝到内核空间 tr 中
return -EFAULT;
ptr += sizeof(tr); //跳过数据所占空间，指向下一个 cmd
binder_transaction(proc, thread, &tr, cmd == BC_REPLY); //处理数据
break;
处理其他 BC_XX 命令...
*consumed = ptr - buffer; //被写入处理消耗的数据量，对应于用户空间的 bwr.write_consumed
binder_thread_write() 中从 bwr.write_buffer 中取出了 cmd 和 cmd 对应的数据，进一步交给 binder_transaction() 处理，需要注意的是，BC_TRANSACTION、BC_REPLY 这两个命令都是由 binder_transaction() 处理的。
简单梳理一下，由 binder_ioctl -> binder_ioctl_write_read -> binder_thread_write ，到目前为止还只是在准备数据，没有看到跟目标进程相关的任何处理，都属于 “准备数据，根据命令分发给具体的方法去处理” 第 1 个工作。而到此为止，第 1 个工作便结束，下一步的 binder_transaction() 方法终于要开始后面的工作了。
binder_transaction
binder_transaction() 方法中代码较长，先总结它干了哪些事：对应开头列出的工作，此方法中做了非常关键的 2-4 步：
- 找到目标进程的相关信息
- 将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块
- 记录待处理的任务，唤醒目标线程
以这些工作为线索，将代码分为对应的部分来看，首先是找到目标进程的相关信息，简化后代码如下：
static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
struct binder_transaction_data *tr, int reply)
struct binder_transaction *t; //用于描述本次 server 端要进行的 transaction
struct binder_work *tcomplete; //用于描述当前调用线程未完成的 transaction
binder_size_t *offp, *off_end;
struct binder_proc *target_proc; //目标进程
struct binder_thread *target_thread = NULL; //目标线程
struct binder_node *target_node = NULL; //目标 binder 节点
struct list_head *target_list; //目标 TODO 队列
wait_queue_head_t *target_wait; //目标等待队列
if(reply)
in_reply_to = thread->transaction_stack;
...处理 BC_REPLY，暂不关注
else
//处理 BC_TRANSACTION
if (tr->target.handle) //handle 不为 0
struct binder_ref *ref;
//根据 handle 找到目标 binder 实体节点的引用
ref = binder_get_ref(proc, tr->target.handle);
target_node = ref->node; //拿到目标 binder 节点
else
// handle 为 0 则代表目标 binder 是 service manager
// 对于本次调用来说目标就是 service manager
target_node = binder_context_mgr_node;
target_proc = target_node->proc; //拿到目标进程
if (!(tr->flags & TF_ONE_WAY) && thread->transaction_stack)
struct binder_transaction *tmp;
tmp = thread->transaction_stack;
while (tmp)
if (tmp->from && tmp->from->proc == target_proc)
target_thread = tmp->from; //拿到目标线程
tmp = tmp->from_parent;
target_list = &target_thread->todo; //拿到目标 TODO 队列
target_wait = &target_thread->wait; //拿到目标等待队列
binder_transaction、binder_work 等结构体在上一篇中有介绍，上面代码中也详细注释了它们的含义。比较关键的是 binder_get_ref() 方法，它是如何找到目标 binder 的呢？这里暂不延伸，下文再做分析。
继续看 binder_transaction() 方法的第 2 个工作，将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块：
t = kzalloc(sizeof(*t), GFP_KERNEL); //创建用于描述本次 server 端要进行的 transaction
tcomplete = kzalloc(sizeof(*tcomplete), GFP_KERNEL); //创建用于描述当前调用线程未完成的 transaction
if (!reply && !(tr->flags & TF_ONE_WAY)) //将信息记录到 t 中：
t->from = thread; //记录调用线程
else
t->from = NULL;
t->sender_euid = task_euid(proc->tsk);
t->to_proc = target_proc; //记录目标进程
t->to_thread = target_thread; //记录目标线程
t->code = tr->code; //记录请求码，getService() 对应的是 GET_SERVICE_TRANSACTION
t->flags = tr->flags;
//实际申请目标进程所映射的物理内存，准备接收要传输的数据
t->buffer = binder_alloc_buf(target_proc, tr->data_size,
tr->offsets_size, !reply && (t->flags & TF_ONE_WAY));
//申请到 t->buffer 后，从用户空间将数据拷贝进来，这里就是一次拷贝数据的地方！！
if (copy_from_user(t->buffer->data, (const void __user *)(uintptr_t)
tr->data.ptr.buffer, tr->data_size))
return_error = BR_FAILED_REPLY;
goto err_copy_data_failed;
为什么在拷贝之前要先申请物理内存呢？在 Binder 机制 [上] 中介绍 binder_mmap() 时详细分析过，虽然 binder_mmap() 直接映射了 (1M-8K) 的虚拟内存，但却只申请了 1 页的物理页面，等到实际使用时再动态申请。也就是说，在 binder_ioctl() 实际传输数据的时候，再通过 binder_alloc_buf() 方法去申请物理内存。
至此已经将要传输的数据拷贝到目标进程，目标进程可以直接读取到了，接下来要做的就是将目标进程要处理的任务记录起来，然后唤醒目标进程，这样在目标进程被唤醒后，才能知道要处理什么任务。
最后来看 binder_transaction() 方法的第 3 个工作，记录待处理的任务，唤醒目标线程：
if (reply) //如果是处理 BC_REPLY，pop 出来栈顶记录的 transaction(实际上是删除链表头元素)
binder_pop_transaction(target_thread, in_reply_to);
else if (!(t->flags & TF_ONE_WAY))
//如果不是 oneway，将 server 端要处理的 transaction 记录到当前调用线程
t->need_reply = 1;
t->from_parent = thread->transaction_stack;
thread->transaction_stack = t;
else
...暂不关注 oneway 的情况
t->work.type = BINDER_WORK_TRANSACTION;
list_add_tail(&t->work.entry, target_list); //加入目标的处理队列中
tcomplete->type = BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE; //设置调用线程待处理的任务类型
list_add_tail(&tcomplete->entry, &thread->todo); //记录调用线程待处理的任务
if (target_wait)
wake_up_interruptible(target_wait); //唤醒目标线程
再次梳理一下，至此已经完成了前四个工作：
1.准备数据，根据命令分发给具体的方法去处理
2.找到目标进程的相关信息
3.将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块
4.记录待处理的任务，唤醒目标线程
其中第 1 个工作涉及到的方法为 binder_ioctl() -> binder_get_thread() -> binder_ioctl_write_read() -> binder_thread_write() ，主要是一些数据的准备和方法转跳，没做什么实质的事情。而 binder_transaction() 方法中做了非常重要的 2-4 工作。
剩下的工作还有：
5.调用线程进入休眠
6.目标进程直接拿到数据进行处理，处理完后唤醒调用线程
7.调用线程返回处理结果
可以想到，5 和 6 其实没有时序上的限制，而是并行处理的。下面先来看第 5 个工作：调用线程是如何进入休眠等待服务端执行结果的。
binder_thread_read
在唤醒目标线程后，调用线程就执行完 binder_thread_write() 写完了数据，返回到 binder_ioctl_write_read() 方法中，接着执行 binder_thread_read() 方法。
而调用线程的休眠就是在此方法中触发的，下面将 binder_thread_read() 分为两部分来看，首先是是否阻塞当前线程的判断逻辑：
static int binder_thread_read(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
binder_size_t *consumed, int non_block)
void __user *buffer = (void __user *)(uintptr_t)binder_buffer; //bwr.read_buffer
void __user *ptr = buffer + *consumed; //数据起始地址
void __user *end = buffer + size; //数据结束地址
if (*consumed == 0)
if (put_user(BR_NOOP, (uint32_t __user *)ptr细读《深入理解 Android 内核设计思想》Binder 机制 [下]
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细读《深入理解 Android 内核设计思想》Binder 机制 [中]
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