通過C++實現Android Native Service

最近在項目中遇到一個問題, 要對某個節點(dev/xxx)進行寫操作, 但這個設備節點只允許root用戶才能進行寫操作, 因此不能通過Java或者JNI方式直接去訪問, 因此想到了兩種方法:

通過在init.rc中監聽一個系統屬性的值, 當屬性變爲某個值時, 觸發一個可執行文件進行讀寫
編寫一個Native Service, 然後以root的身份運行, 通過跨進程調用, 在Service中進行寫操作

最後通過第一種方式解決了問題, 原因是寫的頻率很低, 基本一個手機就一次, 所以沒必要弄成服務, 但本着學習的態度, 當然要了解下第二種方式的實現方法, 因此就有了這篇文章, 廢話就到這, 開始正文.

定義Binder接口

要實現跨進程, 自然是使用Binder了, 因此我們首先要定義一個用於跨進程的接口, 我們通過一個讀取和設置藍牙地址的例子爲例, 來講解具體實現方法, 接口名爲IDeviceMac, 代碼如下:
IDeviceMac.h

#ifndef XTC_IDEVICEMAC_H
#define XTC_IDEVICEMAC_H

#include <utils/RefBase.h>
#include <binder/IInterface.h>
#include <binder/Parcel.h>
#include <utils/String8.h>
#include <android/log.h>

#ifdef TAG
#undef TAG
#endif
#define TAG "DeviceMac"

#define LOGD(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG,TAG ,__VA_ARGS__)
#define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,TAG ,__VA_ARGS__)
#define LOGW(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN,TAG ,__VA_ARGS__)
#define LOGE(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR,TAG ,__VA_ARGS__)
#define LOGF(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_FATAL,TAG ,__VA_ARGS__)

namespace android {

class IDeviceMac : public IInterface {
public:
    enum {
        SET_BT_MAC = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION,
        GET_BT_MAC,
    };

    virtual int setBTMac(String8 bt) = 0;

    virtual String8 getBTMac() = 0;

    DECLARE_META_INTERFACE(DeviceMac);
};

//-------------------------------------------
class BnDeviceMac : public BnInterface<IDeviceMac> {
public:
    virtual status_t onTransact( uint32_t code,
                                const Parcel& data,
                                Parcel* reply,
                                uint32_t flags);
};

} // end namespace android

#endif

代碼很簡單, 定義一個類繼承自IInterface, 裏面接口就是我們自己要用到的, 其中DECLARE_META_INTERFACE(DeviceMac);是一個宏定義, 用來定義繼承IInterface必須實現的兩個方法, 具體是什麼方法後面接口實現部分講.
可以看到我們定義IDeviceMac後, 還定義了一個類BnDeviceMac,這個是Binder調用的一個規範, 即定義Ixxx接口後, Bpxxx表示Client端接口, Bnxxx表示Service端接口, Bpxxx和Bnxxx都需要我們去實現具體內容, 並且Bnxxx和Bpxxx中的方法和Ixxx中的方法是一一對應的.

實現BpDeviceMac和BnDeviceMac::onTransact()

IDeviceMac.cpp

#include "IDeviceMac.h"

namespace android {

class BpDeviceMac : public BpInterface<IDeviceMac> {

public:
    BpDeviceMac(const sp<IBinder>& impl) : BpInterface<IDeviceMac>(impl)
    {
    }

    int setBTMac(String8 bt) {
        LOGI("Bp setBT");
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(IDeviceMac::getInterfaceDescriptor());
        data.writeString8(bt);
        remote()->transact(SET_BT_MAC, data, &reply);
        return reply.readInt32();
    }

    String8 getBTMac() {
        LOGI("Bp getBT");
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(IDeviceMac::getInterfaceDescriptor());
        remote()->transact(GET_BT_MAC, data, &reply);
        return reply.readString8();
    }
};

IMPLEMENT_META_INTERFACE(DeviceMac, "DeviceMac");
/* Macro above expands to code below.
const android::String16 IDeviceMac::descriptor("DeviceMac");
const android::String16& IDeviceMac::getInterfaceDescriptor() const {
    return IDeviceMac::descriptor;
}
android::sp<IDeviceMac> IDeviceMac::asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj) {
    android::sp<IDeviceMac> intr;
    if (obj != NULL) {
        intr = static_cast<IDeviceMac*>(obj->queryLocalInterface(IDeviceMac::descriptor).get());
        if (intr == NULL) {
            intr = new BpDeviceMac(obj);
        }
    }
    return intr;
}
*/

//---------------------------------------------------

status_t BnDeviceMac::onTransact(
        uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags) {
    CHECK_INTERFACE(IDeviceMac, data, reply);
    LOGI("Bn onTransact code:%d", code);
    switch(code) {
        case SET_BT_MAC:
            reply->writeInt32(setBTMac(data.readString8()));
            return NO_ERROR;
        case GET_BT_MAC:
            reply->writeString8(getBTMac());
            return NO_ERROR;
        default:
            return BBinder::onTransact(code, data, reply, flags);
    }
}

} // end namespace android

上面代碼中IMPLEMENT_META_INTERFACE(DeviceMac, "DeviceMac");下面註釋掉的內容就是這個宏定義代表的實際代碼, 也是就是說IDeviceMac.h中的那個宏定義其實就是定義這兩個方法.
BpDeviceMac 裏面的內容就是把相關參數寫到Parcel中, 這是一個用來讀寫跨進程參數的類, 然後調用remote()->transact(), 就調用到BnDeviceMac::onTransact()中,BnDeviceMac::onTransact()函數中已經跨過進程了, 具體怎麼做到的, 這就涉及到IPC原理了,這裏不做討論, onTransact做的事情也很簡單, 就是從Parcel中將Client傳過來的數據讀出來, 然後調用BnDeviceMac中對應的實現方法, 這裏需要注意, 由於BnDeviceMac::onTransact()代碼和BpDeviceMac寫在了同一個文件中, 看起來有點像BnDeviceMac調用BpDeviceMac的一樣, 其實是BnDeviceMac::onTranscat()中調用的setBTMac() getBTMac()是在調用BnDeviceMac中實現的方法, 接下來就講BnDeviceMac的實現.

BnDeviceMac實現(Service)

DeviceMacService.h

#ifndef XTC_DEVICEMACSERVICE_H
#define XTC_DEVICEMACSERVICE_H

#include "IDeviceMac.h"

#define SERVER_NAME "DeviceMacService"

namespace android {

class DeviceMacService : public BnDeviceMac {
public:
    DeviceMacService();
    virtual ~DeviceMacService();
    //IDeviceMac
    virtual int setBTMac(String8 bt);
    virtual String8 getBTMac();
};

} // end namespace android
#endif

DeviceMacService.cpp

#include "DeviceMacService.h"

namespace android {

DeviceMacService::DeviceMacService() {

}

DeviceMacService::~DeviceMacService() {

}

int DeviceMacService::setBTMac(String8 bt) {
    LOGI("Bn setBT, bt:%s", bt.string());
    return NO_ERROR;
}

String8 DeviceMacService::getBTMac() {
    LOGI("Bn getBT");
    return String8("4a:4b:4c:3a:3b:3c");
}

} // end namespace android

DeviceMacService這個類繼承了BnDeviceMac, 實現了其中的方法, 所以BnDeviceMac::onTransact()方法中相關調用就會調到DeviceMacService, 在DeviceMacService中, 我們就能做我們實際想做的事情了.

啓動Service和Client端調用

main_server.cpp

#include "DeviceMacService.h"
#include <binder/ProcessState.h>
#include <binder/IServiceManager.h>
#include <binder/IPCThreadState.h>

using namespace android;

sp<IDeviceMac> getService() {
    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
    if (sm == NULL) {
        LOGE("can not get service manager");
    }
    sp<IBinder> binder = sm->getService(String16(SERVER_NAME));
    if (binder == NULL) {
        LOGE("can not get service");
    }
    sp<IDeviceMac> service = interface_cast<IDeviceMac>(binder);
    if (service == NULL) {
        LOGE("can not cast interface");
    }
    return service;
}

int main(int argc, char** argv) {
    if (argc == 1) {
        LOGI("start DeviceMacService");
        defaultServiceManager()->addService(String16(SERVER_NAME), new DeviceMacService());
        android::ProcessState::self()->startThreadPool();
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
    } else if (argc == 2) {
        sp<IDeviceMac> devMacServer = getService();

        devMacServer->setBTMac(String8("1a:1b:1c:1a:1b:1c"));
        String8 bt = devMacServer->getBTMac();
        LOGI("get bt mac:%s", bt.string());
    }
    return 0;
}

添加服務的代碼很簡單, 三行代碼, 固定的操作, 獲取服務過程用, 有個interfa_cast的函數, 會將IBinder作爲參數 new 一個BpDeviceMac對象, 我們通過這個對象進行相關接口調用, 最終調用到DeviceMacService.
注: 爲了測試方便, 我將添加Service和調用Service寫在了同一個可執行文件中, 實際項目都是分開的.

編譯

現在萬事具備, 只等編譯運行了, Android.mk代碼如下:

LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)

LOCAL_MODULE := macserver
LOCAL_MODULE_TAGS := optional

LOCAL_C_INCLUDES := $(LOCAL_PATH)/include \
        frameworks/native/include \
        system/core/include

LOCAL_SRC_FILES := IDeviceMac.cpp DeviceMacService.cpp main_server.cpp
LOCAL_SHARED_LIBRARIES := libutils libcutils libbinder libhardware

include $(BUILD_EXECUTABLE)

整個代碼目錄結構如下:

編譯方法:

確保當前Android源碼全部編譯通過(有些依賴需先編譯好)
將service目錄放到Android源碼目錄中(比如vendor/qcom/service)
在Android源碼根目錄執行 mmm vendor/qcom/service
執行完後編譯的可執行文件在out/target/product/xxx/system/bin/下面(xxx爲lunch的product)
將編譯好的可執行文件macserver通過adb push 到手機system/bin/下面(adb需要root, 即執行 adb root , adb remount)
執行adb shell chmod 777 /system/bin/macserver加上可執行權限, 然後啓動服務, 執行adb shell /system/bin/macserver(會阻塞當前窗口)
重新開一個窗口執行adb命令adb shell /system/bin/macserver 1即可調用Service, 可以通過logcat過濾``DeviceMac```來查看log.

如果你想在開機後就自動啓動服務, 並且指定Service所屬的用戶組, 可在init.rc中加入如下代碼

service macserver /system/bin/macserver 
     class main
     user root
     group root

注: 如果要把這個可執行文件編譯到系統中,還需在相關的product的配置mk中添加PRODUCT_PACKAGES += macserver

另一種寫法

上述流程是一個完整的Native Service實現過程, 以及調用方式, 其實還有一種簡潔的方式, 就是寫一個類繼承自BBinder, 然後實現onTransact()方法, 定義如下:

    class NativeService : public BBinder  
    {  
    public:  
        NativeService();  
        virtual ~NativeService();  
        virtual status_t onTransact(uint32_t, const Parcel&, Parcel*, uint32_t);  
    };

這樣就不用管Bn和Bp端了, 相當於只用實現Service端, 但在Client端調用的時候, 通過sp<IBinder> binder = sm->getService(String16(SERVER_NAME));獲取引用後, 就不用轉爲相關定義的接口了, 因爲你根本沒定義接口, 這時候調用只能調用其transact()方法, 通過第一個參數區分是那種情況的調用, 參數傳遞也是通過寫到Parcel中Service端去讀, 本質上和上面BnBp架構一樣, 只是可以少寫點代碼, 但缺點也很明顯, 作爲功能接口這樣寫肯定不好, 調用者使用起來很不方便.
個人理解, 這種方法和上述講的方法區別只是一個封裝的問題, Bn Bp方式只是對接口寫法的一個規範, 讓接口使用者調用起來更加清晰明瞭.

Java端調用

其實我們雖然是使用C++寫的Native Service, 但Android系統爲我們做了很多事, 我們其實也可以通過Java直接調用的, 方法如下:

public void testNativeService() {
        IBinder service = ServiceManager.getService("DeviceMacService");
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        try {
            boolean res = service.transact(2, data, reply, 0);
            if (!res) {
                Log.e("Test", "transact fail");
            }
            String result = reply.readString();
            data.recycle();
            reply.recycle();
        } catch (RemoteException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

但由於ServiceManager這個類不是公開的, 你只能通過反射去調用, 或者是Android系統開發在源碼中進行編譯和調用, 另外Java使用了String作爲參數的話, C++就要使用String16這個來與其對應.

編寫AIDL

如果你既想少寫點代碼, 又想調用起來比較方便, 這個也有實現方法, 就是編寫AIDL文件, 和Java裏面的AIDL類似, 只不過你要放在Android源碼裏面進行編譯, 系統會自動根據Ixxx.aidl在編譯過程中生成Ixxx.cpp, 這個cpp文件中就和上面我們寫的IDeviceMac.cpp內容基本一致, 也就是說這部分代碼可以自動生成了, 然後你只需要在Service端寫一個類繼承Bnxxx然後實現AIDL文件中定義的方法即可, 使用非常方便, Android 7.1上面的ICameraService.aidl就是以這種方式實現的, 部分代碼如下, 可以參考一下:
frameworks/av/camera/aidl/android/hardware/ICameraService.aidl

  /**
     * Types for getNumberOfCameras
     */
    const int CAMERA_TYPE_BACKWARD_COMPATIBLE = 0;
    const int CAMERA_TYPE_ALL = 1;

    /**
     * Return the number of camera devices available in the system
     */
    int getNumberOfCameras(int type);

    /**
     * Fetch basic camera information for a camera device
     */
    CameraInfo getCameraInfo(int cameraId);

    /**
     * Default UID/PID values for non-privileged callers of
     * connect(), connectDevice(), and connectLegacy()
     */
    const int USE_CALLING_UID = -1;
    const int USE_CALLING_PID = -1;

    /**
     * Open a camera device through the old camera API
     */
    ICamera connect(ICameraClient client,
            int cameraId,
            String opPackageName,
            int clientUid, int clientPid);

如果以這種方式實現的話, 編譯的Android.mk中需要加入如下代碼:

LOCAL_AIDL_INCLUDES := \
    frameworks/av/camera/aidl \

LOCAL_SRC_FILES := \
    aidl/android/hardware/ICameraService.aidl \

即要引入頭文件路徑和aidl源文件.
如果你想要看下自動生成的Ixxx.cpp的代碼, 其路徑爲:
out/target/product/xxx1/obj/xxx2/xxx3_intermediates/aidl-generated/
xxx1表示你lunch時選的product, xxx2表示你編譯的模塊類型, 通常是 SHARED_LIBRARIES 或者
EXECUTABLES, xxx3表示你編譯的模塊中LOCAL_MODULE定義的名字.

通過C++實現Android Native Service

定義Binder接口

實現BpDeviceMac和BnDeviceMac::onTransact()

BnDeviceMac實現(Service)

啓動Service和Client端調用

編譯

另一種寫法

Java端調用

編寫AIDL

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