一. 引言
1.1 Binder架构的思考
Android内核是基于Linux系统, 而Linux现存多种进程间IPC方式:管道, 消息队列, 共享内存, 套接字, 信号量, 信号. 为什么Android非要用Binder来进行进程间通信呢?
在说到Binder架构之前, 先简单说说大家熟悉的TCP/IP的五层通信体系结构:
- 应用层: 直接为用户提供服务;
- 传输层: 传输的是报文(TCP数据)或者用户数据报(UDP数据)
- 网络层: 传输的是包(Packet), 例如路由器
- 数据链路层: 传输的是帧(Frame), 例如以太网交换机
- 物理层: 相邻节点间传输bit, 例如集线器,双绞线等
- 这是经典的五层TPC/IP协议体系, 这样分层设计的思想, 让每一个子问题都设计成一个独立的协议, 这协议的设计/分析/实现/测试都变得更加简单:
- 层与层具有独立性, 例如应用层可以使用传输层提供的功能而无需知晓其实现原理;
- 设计灵活, 层与层之间都定义好接口, 即便层内方法发生变化,只有接口不变, 对这个系统便毫无影响;
- 结构的解耦合, 让每一层可以用更适合的技术方案, 更合适的语言;
- 方便维护, 可分层调试和定位问题;
Binder架构也是采用分层架构设计, 每一层都有其不同的功能:
- Java应用层: 对于上层应用通过调用AMP.startService, 完全可以不用关心底层,经过层层调用,最终必然会调用到AMS.startService.
- Java IPC层: Binder通信是采用C/S架构, Android系统的基础架构便已设计好Binder在Java framework层的Binder客户类BinderProxy和服务类Binder;
- Native IPC层: 对于Native层,如果需要直接使用Binder(比如media相关), 则可以直接使用BpBinder和BBinder(当然这里还有JavaBBinder)即可, 对于上一层Java IPC的通信也是基于这个层面.
- Kernel物理层: 这里是Binder Driver, 前面3层都跑在用户空间,对于用户空间的内存资源是不共享的,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, 而内核空间却是可共享的. 真正通信的核心环节还是在Binder Driver.
1.2 分析起点
Binder在Android系统使用颇为广泛, 几乎是整个Android架构的顶梁柱, Binder系统如此庞大, 那么这里需要寻求一个出发点来穿针引线, 一窥视Binder全貌. 那么本文将从全新的视角,以startService流程分析 为例子来说说Binder所其作用.首先在发起方进程调用AMP.startService，经过binder驱动，最终调用系统进程AMS.startService,如下图:
AMP和AMN都是实现了IActivityManager接口,AMS继承于AMN. 其中AMP作为Binder的客户端,运行在各个app所在进程, AMN(或AMS)运行在系统进程system_server.
1.3 Binder IPC原理
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。下面说说startService过程所涉及的Binder对象的架构图：
可以看出无论是注册服务和获取服务的过程都需要ServiceManager，需要注意的是此处的Service Manager是指Native层的ServiceManager(C++)，并非指framework层的ServiceManager(Java)。ServiceManager是整个Binder通信机制的大管家，是Android进程间通信机制Binder的守护进程，Client端和Server端通信时都需要先获取Service Manager接口，才能开始通信服务, 当然查找懂啊目标信息可以缓存起来则不需要每次都向ServiceManager请求。
图中Client/Server/ServiceManage之间的相互通信都是基于Binder机制。既然基于Binder机制通信，那么同样也是C/S架构，则图中的3大步骤都有相应的Client端与Server端。
- 注册服务：首先AMS注册到ServiceManager。该过程：AMS所在进程(system_server)是客户端，ServiceManager是服务端。
- 获取服务：Client进程使用AMS前，须先向ServiceManager中获取AMS的代理类AMP。该过程：AMP所在进程(app process)是客户端，ServiceManager是服务端。
- 使用服务： app进程根据得到的代理类AMP,便可以直接与AMS所在进程交互。该过程：AMP所在进程(app process)是客户端，AMS所在进程(system_server)是服务端。
图中的Client,Server,Service Manager之间交互都是虚线表示，是由于它们彼此之间不是直接交互的，而是都通过与Binder Driver进行交互的，从而实现IPC通信方式。其中Binder驱动位于内核空间，Client,Server,Service Manager位于用户空间。Binder驱动和Service Manager可以看做是Android平台的基础架构，而Client和Server是Android的应用层.
这3大过程每一次都是一个完整的Binder IPC过程, 接下来从源码角度, 仅介绍第3过程使用服务, 即展开AMP.startService是如何调用到AMS.startService的过程.
Tips: 如果你只想了解大致过程,并不打算细扣源码, 那么你可以略过通信过程源码分析, 仅看本文***段落和***段落也能对Binder所有理解.
二. 通信过程
2.1 AMP.startService
[→ ActivityManagerNative.java ::ActivityManagerProxy]
主要功能:
- 获取或创建两个Parcel对象,data用于发送数据，reply用于接收应答数据.
- 将startService相关数据都封装到Parcel对象data, 其中descriptor = “android.app.IActivityManager”;
- 通过Binder传递数据,并将应答消息写入reply;
- 读取reply应答消息的异常情况和组件对象;
2.2 Parcel.obtain
[→ Parcel.java]
sOwnedPool是一个大小为6，存放着parcel对象的缓存池,这样设计的目标是用于节省每次都创建Parcel对象的开销。obtain()方法的作用：
先尝试从缓存池sOwnedPool中查询是否存在缓存Parcel对象，当存在则直接返回该对象;
如果没有可用的Parcel对象，则直接创建Parcel对象。
2.2.1 new Parcel
[→ Parcel.java]
nativeCreate这是native方法,经过JNI进入native层, 调用android_os_Parcel_create()方法.
2.2.2 android_os_Parcel_create
[→ android_os_Parcel.cpp]
创建C++层的Parcel对象, 该对象指针强制转换为long型, 并保存到Java层的mNativePtr对象. 创建完Parcel对象利用Parcel对象写数据. 接下来以writeString为例.
2.2.3 Parcel.recycle
将不再使用的Parcel对象放入缓存池，可回收重复利用，当缓存池已满则不再加入缓存池。这里有两个Parcel线程池,mOwnsNativeParcelObject变量来决定:
mOwnsNativeParcelObject=true, 即调用不带参数obtain()方法获取的对象, 回收时会放入sOwnedPool对象池;
mOwnsNativeParcelObject=false, 即调用带nativePtr参数的obtain(long)方法获取的对象, 回收时会放入sHolderPool对象池;
2.3 writeString
[→ Parcel.java]
2.3.1 nativeWriteString
[→ android_os_Parcel.cpp]
2.3.2 writeString16
[→ Parcel.cpp]
Tips: 除了writeString(),在Parcel.java中大量的native方法, 都是调用android_os_Parcel.cpp相对应的方法, 该方法再调用Parcel.cpp中对应的方法.
调用流程: Parcel.java –> android_os_Parcel.cpp –> Parcel.cpp.
2.4 mRemote究竟为何物
mRemote的出生,要出先说说ActivityManagerProxy对象(简称AMP)创建说起, AMP是通过ActivityManagerNative.getDefault()来获取的.
2.4.1 AMN.getDefault
[→ ActivityManagerNative.java]
gDefault的数据类型为Singleton<IActivityManager>, 这是一个单例模式, 接下来看看Singleto.get()的过程
2.4.2 gDefault.get
***调用时需要创建,创建完之后保持到mInstance对象,之后可直接使用.
2.4.3 gDefault.create
文章Binder系列7—framework层分析，可知ServiceManager.getService(“activity”)返回的是指向目标服务AMS的代理对象BinderProxy对象，由该代理对象可以找到目标服务AMS所在进程
2.4.4 AMN.asInterface
[→ ActivityManagerNative.java]
此时obj为BinderProxy对象, 记录着远程进程system_server中AMS服务的binder线程的handle.
2.4.5 queryLocalInterface
[Binder.java]
对于Binder IPC的过程中, 同一个进程的调用则会是asInterface()方法返回的便是本地的Binder对象;对于不同进程的调用则会是远程代理对象BinderProxy.
2.4.6 创建AMP
[→ ActivityManagerNative.java :: AMP]
可知mRemote便是指向AMS服务的BinderProxy对象。
2.5 mRemote.transact
[→ Binder.java ::BinderProxy]
mRemote.transact()方法中的code=START_SERVICE_TRANSACTION, data保存了descriptor，caller, intent,resolvedType, callingPackage, userId这6项信息。
transactNative是native方法，经过jni调用android_os_BinderProxy_transact方法。
2.6 android_os_BinderProxy_transact
[→ android_util_Binder.cpp]
gBinderProxyOffsets.mObject中保存的是BpBinder对象, 这是开机时Zygote调用AndroidRuntime::startReg方法来完成jni方法的注册.
其中register_android_os_Binder()过程就有一个初始并注册BinderProxy的操作,完成gBinderProxyOffsets的赋值过程. 接下来就进入该方法.
2.7 BpBinder.transact
[→ BpBinder.cpp]
IPCThreadState::self()采用单例模式，保证每个线程只有一个实例对象。
2.8 IPC.transact
[→ IPCThreadState.cpp]
transact主要过程:
- 先执行writeTransactionData()已向Parcel数据类型的mOut写入数据，此时mIn还没有数据;
- 然后执行waitForResponse()方法，循环执行，直到收到应答消息. 调用talkWithDriver()跟驱动交互，收到应答消息，便会写入mIn, 则根据收到的不同响应吗，执行相应的操作。
此处调用waitForResponse根据是否有设置TF_ONE_WAY的标记:
- 当已设置oneway时, 则调用waitForResponse(NULL, NULL);
- 当未设置oneway时, 则调用waitForResponse(reply) 或 waitForResponse(&fakeReply)
2.9 IPC.writeTransactionData
[→ IPCThreadState.cpp]
【本文是51CTO专栏“小米开放平台”原创文章，“小米开放平台”微信公众号xiaomideveloper】
