让你一看就明白的binder机制

Posted 2022-12-11 路过你的全世界

写在前面

网上有很多学习android binder机制的文章和博客，但是大部分或者是深入native不能自拔，看的云里雾里（本人一直使用java，C语言较渣）；或者是只讲理论缺乏实际编程的过程。所以就想总结下binder的基本理论并附带一个基于Aidl的进程间的通讯的Demo，希望能对初步接触android binder机制的小伙伴们提供些帮助。当然本人能力有限，如有错误之处还请指教。

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binder机制是什么？

我们一直在说binder机制，那么binder机制到底是什么东西呢？讲binder之前，我们需要先来了解下IPC（inter process communication）—-进程间通讯或者是跨进程通讯，其实也就是指的是两个进程之间通讯（数据交换）的过程。

每一个操作系统都有各自的IPC机制。windows可以通过剪贴板、管道或者是邮槽进行线程间通讯；Linux上可以通过命名管道、共享内同、信号量等进行进程间通讯。Android是基于Linux的移动操作系统，但是它有着自己比较特色的进程间通讯方式那就是binder。binder可以轻松地实现进程间的通讯。

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binder架构

网络上的流传的binder架构根据是否使用serviceManager分为两种：一个是含有serviceManager参与的binder架构，一种是client与service直接使用binder进行进程通讯的binder架构。当然本质上其实他们的过程都是一样的。现在为了尽可能详细介绍，还是决定分开介绍下。第一部分是含有serviceManager的binder通讯过程（实名binder），侧重于整个流程的介绍。第二部分则侧重应用级代码的介绍（匿名binder）。

含有serviceManager的binder机制

Binder框架定义了四个角色：Server，Client，ServiceManager以及Binder驱动。其中Server，Client，ServiceManager运行于用户空间，驱动运行于内核空间。这四个角色的关系和互联网类似：Server是服务器，Client是客户终端，ServiceManager是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

• Binder 驱动

  和路由器一样，Binder驱动虽然默默无闻，却是通信的核心。尽管名叫‘驱动’，实际上和硬件设备没有任何关系，只是实现方式和设备驱动程序是一样的。它工作于内核态，驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。

• ServiceManager 与实名Binder

  和DNS类似，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。注册了名字的Binder叫实名Binder，就象每个网站除了有IP地址外还有自己的网址。Server创建了Binder实体，为其取一个字符形式可读易记的名字，将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给ServiceManager，通知ServiceManager注册一个名叫张三的Binder，它位于某个Server中。驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于内核中的实体节点以及SMgr对实体的引用，将名字及新建的引用打包传递给ServiceManager。ServiceManager收数据包后，从中取出名字和引用填入一张查找表中。

• Client 获得实名Binder的引用

  Server向ServiceManager注册了Binder实体及其名字后，Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Client也利用保留的0号引用向ServiceManager请求访问某个Binder：我申请获得名字叫张三的Binder的引用。ServiceManager收到这个连接请求，从请求数据包里获得Binder的名字，在查找表里找到该名字对应的条目，从条目中取出Binder的引用，将该引用作为回复发送给发起请求的Client。

图形化过程图如下所示：

以上就是实名binder（通过service向serviceManager进行注册）的跨进程处理流程过程。

匿名binder与client

在我们日常开发中，我们需要根据各种各样的需求来定义我们自己功能的service，如果该service和client同处于一个进程，那么他们的调用以及数据交换没有任何问题。当不处于一个进程的时候，该service也没有像前一部分那样向serviceManager进行注册（匿名binder），那么我们该怎样去实现跨进程通讯呢？

首先将图形化流程图展示如下：

上面图表中的方法我们会在接下来的demo实践中逐个介绍，我们可以先从整体上来看下这部分的逻辑：

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。

Binder如何精确制导，找到目标Binder

Binder实体服务如本文所述其实有两种，一是通过addService注册到ServiceManager中的服务，比如ActivityManagerService、PackageManagerService、PowerManagerService等，一般都是系统服务；还有一种是通过bindService拉起的一些服务，一般是开发者自己实现的服务。这里先看通过addService添加的被ServiceManager所管理的服务。有很多分析ServiceManager的文章，本文不分析ServiceManager，只是简单提一下，ServiceManager是比较特殊的服务，所有应用都能直接使用，因为ServiceManager对于Client端来说Handle句柄是固定的，都是0，所以ServiceManager服务并不需要查询，可以直接使用。

理解Binder定向制导的关键是理解Binder的四棵红黑树，本文定界为binder的初始介绍文章，所以不再过度涉及JNI层面的东西。

Binder一次拷贝原理

Android选择Binder作为主要进程通信的方式同其性能高也有关系，Binder只需要一次拷贝就能将A进程用户空间的数据为B进程所用。这里主要涉及两个点：

• Binder的map函数，会将内核空间直接与用户空间对应，用户空间可以直接访问内核空间的数据
• A进程的数据会被直接拷贝到B进程的内核空间（一次拷贝）

一次拷贝原理图示

数据拷贝操作：当数据从用户空间拷贝到内核空间的时候，是直从当前进程的用户空间接拷贝到目标进程的内核空间，这个过程是在请求端线程中处理的，操作对象是目标进程的内核空间

而由于Binder内核空间的数据能直接映射到用户空间，这里就不在需要拷贝到用户空间。这就是一次拷贝的原理。内核空间的数据映射到用户空间其实就是添加一个偏移地址，并且将数据的首地址、数据的大小都复制到一个用户空间的Parcel结构体

系统服务与bindService等启动的服务的区别

服务可分为系统服务与普通服务，系统服务一般是在系统启动的时候，由SystemServer进程创建并注册到ServiceManager中的。而普通服务一般是通过ActivityManagerService启动的服务，或者说通过四大组件中的Service组件启动的服务。这两种服务在实现跟使用上是有不同的，主要从以下几个方面：

• 服务的启动方式
• 服务的注册与管理
• 服务的请求使用方式

首先看一下服务的启动上，

系统服务一般都是SystemServer进程负责启动，比如AMS，WMS，PKMS，电源管理等，这些服务本身其实实现了Binder接口，作为Binder实体注册到ServiceManager中，被ServiceManager管理，而SystemServer进程里面会启动一些Binder线程，主要用于监听Client的请求，并分发给响应的服务实体类，可以看出，这些系统服务是位于SystemServer进程中（有例外，比如Media服务）。

而bindService类型的服务，这类服务一般是通过Activity的startService或者其他context的startService启动的，这里的Service组件只是个封装，主要的是里面Binder服务实体类，这个启动过程不是ServcieManager管理的，而是通过ActivityManagerService进行管理的，同Activity管理类似。

再来看一下服务的注册与管理：

系统服务一般都是通过ServiceManager的addService进行注册的，这些服务一般都是需要拥有特定的权限才能注册到ServiceManager。

而bindService启动的服务可以算是注册到ActivityManagerService，只不过ActivityManagerService管理服务的方式同ServiceManager不一样，而是采用了Activity的管理模型，详细的可以自行分析

最后看一下使用方式

使用系统服务一般都是通过ServiceManager的getService得到服务的句柄，这个过程其实就是去ServiceManager中查询注册系统服务。

而bindService启动的服务，主要是去ActivityManagerService中去查找相应的Service组件，最终会将Service内部Binder的句柄传给Client。

Binder请求的同步与异步

很多人都会说，Binder是对Client端同步，而对Service端异步，其实并不完全正确，在单次Binder数据传递的过程中，其实都是同步的。只不过，Client在请求Server端服务的过程中，是需要返回结果的，即使是你看不到返回数据，其实还是会有个成功与失败的处理结果返回给Client，这就是所说的Client端是同步的。

至于说服务端是异步的，可以这么理解：在服务端在被唤醒后，就去处理请求，处理结束后，服务端就将结果返回给正在等待的Client线程，将结果写入到Client的内核空间后，服务端就会直接返回了，不会再等待Client端的确认，这就是所说的服务端是异步的。

Binder传输数据的大小限制

虽然APP开发时候，Binder对程序员几乎不可见，但是作为Android的数据运输系统，Binder的影响是全面性的，所以有时候如果不了解Binder的一些限制，在出现问题的时候往往是没有任何头绪，比如在Activity之间传输BitMap的时候，如果Bitmap过大，就会引起问题，比如崩溃等，这其实就跟Binder传输数据大小的限制有关系，在上面的一次拷贝中分析过，mmap函数会为Binder数据传递映射一块连续的虚拟地址，这块虚拟内存空间其实是有大小限制的，不同的进程可能还不一样。

普通的由Zygote孵化而来的用户进程，所映射的Binder内存大小是不到1M的，准确说是 110241024) - (4096 *2) ：这个限制定义在ProcessState类中，如果传输说句超过这个大小，系统就会报错，因为Binder本身就是为了进程间频繁而灵活的通信所设计的，并不是为了拷贝大数据而使用。

基于binder跨进程通讯的DEMO

以上就是关于binder机制的总体介绍了，大部分都是文字介绍，接下里我们将基于AIDL去实现一个跨进程通讯的经典Demo，并在该demo中介绍binder的应用级别函数的作用以及调用过程。

基于binder的跨进程通讯之使用AIDL实现Demo