Binder问题分享

Posted 2021-01-01 tgltt

1、Binder架构简介

     Binder是一种IPC通信机制，在android系统中处于核心地位，几乎所有的跨进程通信，或者进程内部系统组件通信都是通过Binder进行交互。 Binder如同其字面意思，将系统各部件粘结起来，形成一个有机的整体。如果不能很好地理解Binder，就肯定不能很好地理解android系统内部运行机制。Binder基于C/S架构而设计，Binder服务端注重优质服务的实现，Binder客户端只需向服务端按事先约定好的协议访问Binder服务端即可，而具体的通信通道建立、请求发起、请求接入、呼应返回由相应的Binder通信模块完成。

        图1描述了Binder架构简图，图中将Binder架构分为Framwork、Library及Kernel三大部分，该三大部分也是对应于Android系统的Framework、Library和Kernel。

图1 Binder架构简图

• Binder Framwork

包含Camera服务、Activity服务、Window服务、Power管理服务等，是App开发人员最熟悉的一层。

    Framework左边包括ActivityManager、WindowManager等系统服务客户端，通过Context.getSystemService方法取得，每个Manager内部定义了一个BinderProxy，用于向远端Binder服务发起IPC调用，并接收处理结果。

    Framework右边所括ActivityManagerService、WindowManagerService、PowerManagerService等Binder服务端，用于接收BinderProxy发来的IPC调用请求，并返回处理结果，这些service运行于SystemServer进程。

    Binder Framework使用Java语言编写成，主要是为Application层应用提供API及系统服务。Binder Framework经编译打包后，位于framework.jar中。

• Binder Library

包含BpBinder、BBinder/JavaBBinder、ProcessState、IPCThreadState等组件。

       其中BpBinder对应Binder Framework的BinderProxy，由JNI层的android_util_BinderProxy进行联结，作用是将Binder启用Binder驱动传输调用方法代码、调用参数以及等待IPC调用返回结果。

BBinder (JavaBBinder)对应Binder Framework的Binder，当BBinder接收到Binder客户端调用请求后，通过JNI

       调用将调用请求转交给Binder Framework的Binder对象，然后等待Binder对象返回处理结果，再将结果转交给底层传输回Binder客户端。

    ProcessState和IPCThreadState是Binder框架底层通信重要的两个类，可归属于Binder HAL层的内容。

每一个App或进程，对应唯一一个ProcessState实例，该实例持有当前进程与Binder驱动的通信状态，定义了非系统App的Binder空间大小、Binder线程数等信息，负责打开、维护、关闭/dev/binder设备。ProcessState在android_util_Binder.cpp中的android_util_BinderInternal的方法中初始化。

图2描述了 ProcessState初始化的代码，其主要工作是打开Binder驱动设备，然后将Binder设备mmap到当前进程的地址空间，地址空间范围一般为1MB-8KB，起始地址由Linux系统调用mmap自行根据当前进程情况确定。

图2 ProcessState初始化代码

        图3描述了ProcessState打开Binder驱动设备的过程。

图3 ProcessState打开Binder设备代码

IPCThreadState记录了IPC线程的状态，用于与系统内核中的Binder驱动进行具体的交互通信，通信方式使用Linux系统调用ioctl。每接收到一个新的Binder客户端请求，Binder服务端会重新建立一个线程和IPCThreadState记录对该Binder客户端的通信，最大IPC线程数为15，在ProcessState中定义，见图4。

图4 ProcessState常量定义

• Binder Kernel

       该部分模块运行于Linux系统内核，包含Binder驱动，Binder Library与Binder Kernel使用ioctl进行读写操作。

相比较其他的IPC通信，比如消息机制、共享内存、管道、信号量等，Binder仅需一次内存拷贝，即可让目标进程读取到更新数据，同共享内存一样相当高效，其他的IPC通信机制大多需要2次内存拷贝。

       图5描述了Binder内存拷贝的原理示意图，进程A为Binder客户端，在IPC调用前，需将其用户空间的数据拷贝到Binder驱动的内核空间，由于进程B在打开Binder设备(/dev/binder)时，已将Binder驱动的内核空间映射(mmap)到自己的进程空间，所以进程B可以

       直接看到Binder驱动内核空间的内容改动。因为Windows/Linux系统，内核空间范围大都为1GB，所以内核空间一般比较有限，所以Binder驱动的内存地址空间也相对较小。

 图5 Binder内存拷贝示意图

2、Binder崩溃问题

      在XX项目中，Binder异常导致的崩溃时不时会出现一次，图6为一例Binder崩溃日志。

图6 Binder崩溃日志

Binder崩溃，究其原因是Google在android 6.0后，调整了Framework层在捕获到Binder通信过程中产生的异常的错误处理机制，android 6.0之前，Framework捕获到binder通信的异常，并不将异常再抛给应用端，而6.0之后，Framework捕获到binder通信异常，转而重新包装一下该异常为新的异常，再将新异常重新抛出，其目的是让应用端能更好地更合理地对Binder通信异常的处理。

       图7为ActivityManager.getRunningAppProcesses方法的7.1版本实现，很明显方法在捕获到RemoteExcetion后转抛出DeadSystemExcetion。

       图8为ActivityManager.getRunningAppProcesses方法的6.0版本实现，方法捕获到RemoteException后返回null。

图7 AcitivityManager方法的anroid 7.1版本

图8 AcitivityManager方法的anroid 6.0版本

       图9分析了图6崩溃日志更深一些的方法调用栈，DeadObjectException等异常抛出点在android_util_Binder.cpp中的signalExceptionForError函数。

图9 Binder崩溃方法调用栈示例

       图10描述了android_util_Binder.cpp中的signalExceptionForError函数定义。

图10 Binder异常产生源头代码

       图11描述了android_util_Binder.cpp中的android_os_BinderProxy_transact函数，即Binder.java中BinderProxy.transactNative的C/C++实现。

图11 Binder异常产生源头代码

3、Binder问题汇总

       图12描述了Binder问题的汇总状态。从反馈的log信息归纳，白牌项目遇到的崩溃集中在DeadObject，为图12中黄色背景部分的内容，另外一个Binder异常是TransactionTooLargeException，是我们自己为重现Binder崩溃而遇到的异常。

图12 Binder问题汇总

      Binder崩溃问题之所以复杂，除了Binder本身设计及架构的复杂，还有使用模块及使用方式的复杂性，对于排错、寻找解决方案增加了很大的困难。图13显示了App代码三种主要的调用Binder路径，第一种是App直接Binder调用系统服务；第二种方式App先调用Android SDK，SDK再Binder调用系统服务，而系统服务可能Binder回调App接口，也有可能Binder调用其他系统服务，或者调用SDK API；第三种是App调用自己定义的Binder服务，自定义服务再Binder调用系统服务，或者调用SDK API。

          图13展示了Binder调用的广度和调用层次的深度，其调用深度甚至可达到无究大，意味着圈定Binder问题可能的发生地或统筹Binder问题发生地分布，几乎是件不可能的事。因此，缓解Binder问题比较好的思路是拦截思路或在dalvik修改相关类的字节码。

图13 Binder问题产生路径

4、解决方案演变历程

4.1方案一

采用IBinder.linkToDeath注册IBinder.DeathRecipient回调。

       大致思路是Binder客户端调用IBinder的linkToDeath方法注册回调IBinder.DeathRecipient，以便于当Binder服务端挂掉时，可即时收到Binder服务端崩溃的消息，此后Binder客户端可启动错误处理机制，或等待Binder服务端恢复运行，然后再继续访问。但该方案有一个盲点，如图14所示，当Binder服务端崩溃时，由于是C/S架构，服务端崩溃消息到达客户端需要一定的时间，如果客户端在服务端崩溃消息到达前，仍继续IPC调用服务端接口，则仍然有可能收到DeadObjectException，这是该方法的盲点。另外，使用此方案，也要求App在设计之初就要做相应的容错处理机制，而这种机制是大多数老应用程序所不俱备的，究其原因是Binder机制虽是系统重要的机制，但其被各种上层封装所掩埋，大多数程序员不易直接接触Binder机制或Binder机制引出的问题，所以在设计、编写程序时不会考虑到Binder服务端挂掉时的错误处理，这种处理和一般的异常处理是不一样的，涉及到跨进程访问，以及UI即时响应，以免ANR等方面。

        系统服务间大多也采用该方案监听远端服务的运行状态，比如SurfaceFlinger监听WindowManagerService。

        该方案因引入成本太高，目前暂不引入项目，不过对App后续新模块的开发有指导意义，可基于方案写出一套完善的、基于IPC调用的适于android系统的较强鲁棒性的功能模块。

图14 Binder C/S架构蔽端

       图15为方案一的代码示意。

图15方案一代码示意

4.2方案二

         使用Hook拦截Framework层服务异常。

思路

         使用InvocationHandler动态代理系统服务类，在此基础上try-catch住系统服务的RemoteException。图16中类ServiceInterceptor的invoke方法为本方案核心，主要思路是在IPC调用前使用Binder.flushPendingCommands释放Binder内存，然后进入try-catch内动态代理调用系统服务方法，如果系统服务抛出异常，流程则转至catch(RemoteException rex)处理，最后在invoke方法返回前再次调用Binder.flushPendingCommands清理Binder内存。

方案优点

         可以捕获系统服务异常并处理。

方案缺点

   Invoke方法在捕获到异常后，返回null值或0值给调用者，如果调用者没有对返回结果进行校验，有可能会导致NullPointerException或业务逻辑不正确。

图16方案二代码示意

4.3展望

• 方案三

同方法二，只是拦截异常地点不同，是在BinderProxy的transact方法进行拦截。

BinderProxy的transact方法是Binder客户端的消息集散地，如同Handler的handleMessage，在此截获消息，首先是可以掌握进出本应用的消息流动态，其次是方便拦截和善后处理。

图17为BinderProxy的类定义，对于Binder崩溃问题，transact方法是关键，DeadObjecException是由transact内部部调用JNI方法transactNative产生，在transact捕获DeadObjectException，实为java层第一时间捕获，防止该异常继续向java层发散。

图17 BinderProxy类定义

        图17为AIDL封装Binder客户端的代码示意，mRemote为BinderProxy实例，从图18中可看出，AIDL封装并不关心mRemote.transact的返回状态值，具体值包装在_reply中。

图18 AIDL客户端方法示意

图19、图20为如何拦截Ams中BinderProxy.transact方法的代码示意。注意，每个服务的编码结构不一样，需要适当调整代码以拦截BinderProxy异常。

图19拦截代码示意

图20 拦截代码示例

• 方案四：

该方法是逆向工程的思路，需要了解Dalvik内部运行机制，采用静态/动态修改dex字节码方式，修改BinderProxy的transact方法。

5、总结

Binder崩溃问题，反映的是Android6.0以后的版本一改之前各版本处理方式，Google将Framework层Binder调用产生的异常直接抛给App层，让Android6.0以前的写好的App猝不及防，而且google也没有明确提出这方面的最佳实践建议或解决方案，目前为止，尚未找到行业内的公认解决方案，可能原因是Android6.0之前，市面上主要互联网公司的产品早已面世，现在无非是迁移到新的系统版本而已，完全基于Android6.0的app或新产品很少。各App厂商或多或少都会遇到Binder问题，取决于手机硬件环境和手机厂商对android系统的定制深度。我感觉各App厂商现在都在寻求一种解决Binder崩溃的方案，只不过在大多数App厂商来看，Binder问题崩溃的情况较少，其涉及模块和原因比较复杂，和系统软硬件有关，所以他们暂时将Binder问题纳为待研究问题状态，可以暂时容忍少量的App崩溃现像，因为不像白牌项目受到客户的严格稳定性指标所限。