Android進階——Android跨進程通訊機制之Binder、IBinder、Parcel、AIDL

前言

Binder機制是Android系統提供的跨進程通訊機制，這篇文章開始會從Linux相關的基礎概念知識開始介紹，從基礎概念知識中引出Binder機制，歸納Binder機制與Linux系統的跨進程機制的優缺點，接着分析Binder的通信模型和原理，而Binder機制最佳體現就是AIDL，所以在後面會分析AIDL的實現原理，最後簡單的提下AMS的Binder體系，整篇文章中間會穿插有IBinder、Binder、Parcel的介紹，整篇文章閱讀難度不大，不會涉及到framework層的Binder原理，AIDL部分需要有AIDL的使用基礎

基礎概念

基礎概念部分介紹Linux的某些機制，主要想表達Binder驅動的出現的原因，如果對Linux熟悉的可以直接跳過這部分，看第五點即可

一、進程隔離

出於安全考慮，一個進程不能操作另一個進程的數據，進而一個操作系統必須具備進程隔離這個特性。在Linux系統中，虛擬內存機制爲每個進程分配了線性連續的內存空間，操作系統將這種虛擬內存空間映射到物理內存空間，每個進程有自己的虛擬內存空間，進而不能操作其他進程的內存空間，每個進程只能操作自己的虛擬內存空間，只有操作系統纔有權限操作物理內存空間。進程隔離保證了每個進程的內存安全，但是在大多數情形下，不同進程間的數據通訊是不可避免的，因此操作系統必須提供跨進程通信機制

二、用戶空間和內核空間

用戶空間：表示進程運行在一個特定的操作模式中，沒有接觸物理內存或設備的權限
內核空間：表示獨立於普通的應用程序，可以訪問受保護的內存空間，也有訪問底層硬件設備的所有權限

三、系統調用/內核態/用戶態

抽象來看，操作系統中安全邊界的概念就像環路的概念一樣(前提是系統支持這種特性)，一個環上持有一個特定的權限組，Intel 支持四層環，但是 Linux 只使用了其中的兩環(0號環持有全部權限，3號環持有最少權限，1號和2號環未使用)，系統進程運行在1號環，用戶進程運行在３號環，如果一個用戶進程需要其他高級權限，其必須從３號環過渡成０號環，過渡需要通過一個安全參數檢查的網關，這種過渡被稱爲系統調用，在執行過程中會產生一定數量的計算開銷。所以，用戶空間要訪問內核空間的唯一方式就是系統調用(System Call)

四、內核模塊/驅動

通過系統調用，用戶空間可以訪問內核空間，它是怎麼做到訪問內核空間的呢？Linux的動態可加載內核模塊機制解決了這個問題，模塊是具有獨立功能的程序，它可以被單獨編譯，但不能獨立運行。這樣，Android系統可以通過添加一個內核模塊運行在內核空間，用戶進程之間的通過這個模塊作爲橋樑，就可以完成通信了。在Android系統中，這個運行在內核空間的，負責各個用戶進程通過Binder通信的內核模塊叫做Binder驅動

五、簡單的總結

將前面的所有概念連接起來理解就會非常好消化知識點：

Linux的虛擬內存機制導致內存的隔離，進而導致進程隔離
進程隔離的出現導致對內存的操作被劃分爲用戶空間和內核空間
用戶空間需要跨權限去訪問內核空間，必須使用系統調用去實現
系統調用需要藉助內核模塊/驅動去完成

前三步決定了進程間通訊需要藉助內核模塊/驅動去實現，而Binder驅動就是內核模塊/驅動中用來實現進程間通訊的

爲什麼要用Binder

Linux提供有管道、消息隊列、信號量、內存共享、套接字等跨進程方式，那爲什麼Android要選擇Binder另起爐竈呢？

一、傳輸性能好

Socket：是一個通用接口，導致其傳輸效率低，開銷大
共享內存：雖然在傳輸時不需要拷貝數據，但其控制機制複雜
Binder：複雜數據類型傳遞可以複用內存，需要拷貝1次數據
管道和消息隊列：採用存儲轉發方式，至少需要拷貝2次數據，效率低

二、安全性高

傳統的進程：通信方式對於通信雙方的身份並沒有做出嚴格的驗證，只有在上層協議上進行架設
Binder機制：從協議本身就支持對通信雙方做身份校檢，因而大大提升了安全性

Binder通信模型

首先在理解模型之前先熟悉這幾個概念：

Client進程：跨進程通訊的客戶端（運行在某個進程）
Server進程：跨進程通訊的服務端（運行在某個進程）
Binder驅動：跨進程通訊的介質
ServiceManager：跨進程通訊中提供服務的註冊和查詢（運行在System進程）

這裏只是個簡單的模型而已，只需理解模型的通訊流程：

Server端通過Binder驅動在ServiceManager中註冊
Client端通過Binder驅動獲取ServiceManager中註冊的Server端
Client端通過Binder驅動和Server端進行通訊

Binder通信原理

理解完模型流程之後，開始理解模型的通訊原理：

Service端通過Binder驅動在ServiceManager的查找表中註冊Object對象的add方法
Client端通過Binder驅動在ServiceManager的查找表中找到Object對象的add方法，並返回proxy對象的add方法，add方法是個空實現，proxy對象也不是真正的Object對象，是通過Binder驅動封裝好的代理類的add方法
當Client端調用add方法時，Client端會調用proxy對象的add方法，通過Binder驅動去請求ServiceManager來找到Service端真正對象，然後調用Service端的add方法

Binder對象和Binder驅動

Binder對象：Binder機制中進行進程間通訊的對象，對於Service端爲Binder本地對象，對於Client端爲Binder代理對象
Binder驅動：Binder機制中進行進程間通訊的介質，Binder驅動會對具有跨進程傳遞能力的對象做特殊處理，自動完成代理對象和本地對象的轉換

由於Binder驅動會對具有跨進程傳遞能力的對象做特殊處理，自動完成代理對象和本地對象的轉換，因此在驅動中保存了每一個跨越進程的Binder對象的相關信息，Binder本地對象（或Binder實體）保存在binder_node的數據結構，Binder代理對象（或Binder引用/句柄）保存在binder_ref的數據結構

Java層的Binder

Binder類：是Binder本地對象
BinderProxy類：是Binder類的內部類，它代表遠程進程的Binder對象的本地代理
Parcel類：是一個容器，它主要用於存儲序列化數據，然後可以通過Binder在進程間傳遞這些數據
IBinder接口：代表一種跨進程傳輸的能力，實現這個接口，就能將這個對象進行跨進程傳遞
IInterface接口：client端與server端的調用契約，實現這個接口，就代表遠程server對象具有什麼能力，因爲IInterface接口的asBinder方法的實現可以將Binder本地對象或代理對象進行返回

Binder類和BinderProxy類都繼承自IBinder，因而都具有跨進程傳輸的能力，在跨越進程的時候，Binder驅動會自動完成這兩個對象的轉換。IBinder是遠程對象的基本接口，是爲高性能而設計的輕量級遠程調用機制的核心部分，但它不僅用於遠程調用，也用於進程內調用。IBinder接口定義了與遠程對象交互的協議，建議不要直接實現這個接口，而應該從Binder派生。Binder實現了IBinder接口，但是一般不需要直接實現此類，而是跟據你的需要由開發包中的工具生成，這個工具叫aidi。你通過aidi語言定義遠程對象的方法，然後用aidi工具生成Binder的派生類，然後使用它

AIDL

由於編譯工具會給我們生成一個Stub的靜態內部類，這個類繼承了Binder, 說明它是一個Binder本地對象，它實現了IInterface接口，表明它具有遠程Server承諾給Client的能力

一、服務端

在服務端中，我們只要實現Stub抽象類，和實現其方法即可

private IBinder myS = new IMyAidlInterface.Stub() {  
    @Override  
    public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, String aString) throws RemoteException {  

    }  

    @Override  
    public int add(int num1, int num2) throws RemoteException {  
        Log.i("Hensen", "從客戶端發來的AIDL請求:num1->" + num1 + "::num2->" + num2);  
        return num1 + num2;  
    }  
};

二、客戶端

在客戶端中，可以通過bindService的回調中獲取AIDL接口

private ServiceConnection conn = new ServiceConnection() {  
    @Override  
    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {  
        iMyAidlInterface = IMyAidlInterface.Stub.asInterface(service);  
    }  

    @Override  
    public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {  
        iMyAidlInterface = null;  
    }  
};

public void add(View view) {  
    try {  
        int res = iMyAidlInterface.add(1, 2);  
        Log.i("Hensen", "從服務端調用成功的結果：" + res);  
    } catch (RemoteException e) {  
        e.printStackTrace();
    }
}

梳理客戶端的調用流程：

調用Stub.asInterface獲取BinderProxy對象
調用BinderProxy對象的add方法

三、分析原理

1、Stub

Stub類繼承自Binder，意味着這個Stub其實自己是一個Binder本地對象，然後實現了IMyAidlInterface接口，IMyAidlInterface本身是一個IInterface，因此他攜帶某種客戶端需要的能力（這裏是方法add)。此類有一個內部類Proxy，也就是Binder代理對象

/* 
 * This file is auto-generated.  DO NOT MODIFY. 
 * Original file: D:\\workspace5\\Boke\\app\\src\\main\\aidl\\com\\handsome\\boke\\IMyAidlInterface.aidl 
 */  
package com.handsome.boke;  
// Declare any non-default types here with import statements  

public interface IMyAidlInterface extends android.os.IInterface {  
    /** 
     * Local-side IPC implementation stub class. 
     */  
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.handsome.boke.IMyAidlInterface {  
        private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.handsome.boke.IMyAidlInterface";  

        /** 
         * Construct the stub at attach it to the interface. 
         */  
        public Stub() {  
            this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);  
        }  

        /** 
         * Cast an IBinder object into an com.handsome.boke.IMyAidlInterface interface, 
         * generating a proxy if needed. 
         */  
        public static com.handsome.boke.IMyAidlInterface asInterface(android.os.IBinder obj) {  
            if ((obj == null)) {  
                return null;  
            }  
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);  
            if (((iin != null) && (iin instanceof com.handsome.boke.IMyAidlInterface))) {  
                return ((com.handsome.boke.IMyAidlInterface) iin);  
            }  
            return new com.handsome.boke.IMyAidlInterface.Stub.Proxy(obj);  
        }  

        @Override  
        public android.os.IBinder asBinder() {  
            return this;  
        }  

        @Override  
        public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {  
            switch (code) {  
                case INTERFACE_TRANSACTION: {  
                    reply.writeString(DESCRIPTOR);  
                    return true;  
                }  
                case TRANSACTION_basicTypes: {  
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
                    int _arg0;  
                    _arg0 = data.readInt();  
                    long _arg1;  
                    _arg1 = data.readLong();  
                    boolean _arg2;  
                    _arg2 = (0 != data.readInt());  
                    float _arg3;  
                    _arg3 = data.readFloat();  
                    double _arg4;  
                    _arg4 = data.readDouble();  
                    java.lang.String _arg5;  
                    _arg5 = data.readString();  
                    this.basicTypes(_arg0, _arg1, _arg2, _arg3, _arg4, _arg5);  
                    reply.writeNoException();  
                    return true;  
                }  
                case TRANSACTION_add: {  
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
                    int _arg0;  
                    _arg0 = data.readInt();  
                    int _arg1;  
                    _arg1 = data.readInt();  
                    int _result = this.add(_arg0, _arg1);  
                    reply.writeNoException();  
                    reply.writeInt(_result);  
                    return true;  
                }  
            }  
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);  
        }  

        private static class Proxy implements com.handsome.boke.IMyAidlInterface {  
            private android.os.IBinder mRemote;  

            Proxy(android.os.IBinder remote) {  
                mRemote = remote;  
            }  

            @Override  
            public android.os.IBinder asBinder() {  
                return mRemote;  
            }  

            public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {  
                return DESCRIPTOR;  
            }  

            /** 
             * Demonstrates some basic types that you can use as parameters 
             * and return values in AIDL. 
             */  
            @Override  
            public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, java.lang.String aString) throws android.os.RemoteException {  
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
                try {  
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
                    _data.writeInt(anInt);  
                    _data.writeLong(aLong);  
                    _data.writeInt(((aBoolean) ? (1) : (0)));  
                    _data.writeFloat(aFloat);  
                    _data.writeDouble(aDouble);  
                    _data.writeString(aString);  
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_basicTypes, _data, _reply, 0);  
                    _reply.readException();  
                } finally {  
                    _reply.recycle();  
                    _data.recycle();  
                }  
            }  

            @Override  
            public int add(int num1, int num2) throws android.os.RemoteException {  
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
                int _result;  
                try {  
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
                    _data.writeInt(num1);  
                    _data.writeInt(num2);  
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);  
                    _reply.readException();  
                    _result = _reply.readInt();  
                } finally {  
                    _reply.recycle();  
                    _data.recycle();  
                }  
                return _result;  
            }  
        }  

        static final int TRANSACTION_basicTypes = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);  
        static final int TRANSACTION_add = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);  
    }  

    /** 
     * Demonstrates some basic types that you can use as parameters 
     * and return values in AIDL. 
     */  
    public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, java.lang.String aString) throws android.os.RemoteException;  

    public int add(int num1, int num2) throws android.os.RemoteException;  
}

2、asInterface

當客戶端bindService的onServiceConnecttion的回調裏面，通過asInterface方法獲取遠程的service的。其函數的參數IBinder類型的obj，這個對象是驅動給我們的，如果是Binder本地對象，那麼它就是Binder類型，如果是Binder代理對象，那就是BinderProxy類型。asInterface方法中會調用queryLocalInterface，查找Binder本地對象，如果找到，說明Client和Server都在同一個進程，這個參數直接就是本地對象，直接強制類型轉換然後返回，如果找不到，說明是遠程對象那麼就需要創建Binder代理對象，讓這個Binder代理對象實現對於遠程對象的訪問

/** 
 * Cast an IBinder object into an com.handsome.boke.IMyAidlInterface interface, 
 * generating a proxy if needed. 
 */  
public static com.handsome.boke.IMyAidlInterface asInterface(android.os.IBinder obj) {  
    if ((obj == null)) {  
        return null;  
    }  
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);  
    if (((iin != null) && (iin instanceof com.handsome.boke.IMyAidlInterface))) {  
        return ((com.handsome.boke.IMyAidlInterface) iin);  
    }  
    return new com.handsome.boke.IMyAidlInterface.Stub.Proxy(obj);  
}

3、add

當客戶端調用add方法時，首先用Parcel把數據序列化，然後調用mRemote.transact方法，mRemote就是new Stub.Proxy(obj)傳進來的，即BinderProxy對象

@Override  
public int add(int num1, int num2) throws android.os.RemoteException {  
    android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
    android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
    int _result;  
    try {  
        _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
        _data.writeInt(num1);  
        _data.writeInt(num2);  
        mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);  
        _reply.readException();  
        _result = _reply.readInt();  
    } finally {  
        _reply.recycle();  
        _data.recycle();  
    }  
    return _result;  
}

4、transact

BinderProxy的transact方法是native方法，它的實現在native層，它會去借助Binder驅動完成數據的傳輸，當完成數據傳輸後，會喚醒Server端，調用了Server端本地對象的onTransact函數

public native boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply,
            int flags) throws RemoteException;

5、onTransact

在Server進程裏面，onTransact根據調用code會調用相關函數，接着將結果寫入reply並通過super.onTransact返回給驅動，驅動喚醒掛起的Client進程裏面的線程並將結果返回

@Override  
public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {  
    switch (code) {  
        case INTERFACE_TRANSACTION: {  
            reply.writeString(DESCRIPTOR);  
            return true;  
        }  
        case TRANSACTION_add: {  
            data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
            int _arg0;  
            _arg0 = data.readInt();  
            int _arg1;  
            _arg1 = data.readInt();  
            int _result = this.add(_arg0, _arg1);  
            reply.writeNoException();  
            reply.writeInt(_result);  
            return true;  
        }  
    }  
    return super.onTransact(code, data, reply, flags);  
}

AMS的Binder體系

AMS是Android中最核心的服務，主要負責系統中四大組件的啓動、切換、調度及應用進程的管理和調度等工作，從圖中可以看出：

AMS	Binder角色
IActivityManager	IInterface
ActivityManagerNative	Binder本地對象
ActivityManagerProxy	Binder代理對象
ActivityManagerService	Service端
ActivityManager	普通管理類

結語

這裏只是簡單的理解下Binder機制的基本原理，後續有時間會研究framework層的知識，如果有興趣的同學可以不依賴AIDL工具，手寫遠程Service完成跨進程通信，這樣就可以加深對AIDL和Binder的理解，個人覺得這樣是最好的記憶方式，一起來寫吧

Android進階——Android跨進程通訊機制之Binder、IBinder、Parcel、AIDL

前言

基礎概念

爲什麼要用Binder

Binder通信模型

Binder通信原理

Binder對象和Binder驅動

Java層的Binder

AIDL

AMS的Binder體系

結語

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