Android進程間通信(IPC)機制Binder簡要介紹和學習plan

      在Android系統中,每一個應用程序都由一些Activity和Service組成的,這些Activity和Service有可能運行在同一個進程中,也有可運行在不同的進程中。那麼,不在同一個進程的Activity或者Service是如何通信的呢?這就是本文中要介紹的Binder進程間通信機制了。

      我們知道,Android系統是基於Linux內核的,而Linux內核繼承和兼容了豐富的Unix系統進程間通信(IPC)機制。有傳統的管道(Pipe)、信號(Signal)和跟蹤(Trace),這三項通信手段只能用於父進程與子進程之間,或者兄弟進程之間;後來又增加了命令管道(Named Pipe),使得進程間通信不再侷限於父子進程或者兄弟進程之間;爲了更好地支持商業應用中的事務處理,在AT&T的Unix系統V中,又增加了三種稱爲“System V IPC”的進程間通信機制,分別是報文隊列(Message)、共享內存(Share Memory)和信號量(Semaphore);後來BSD Unix對“System V IPC”機制進行了重要的擴充,提供了一種稱爲插口(Socket)的進程間通信機制。若想進一步詳細瞭解這些進程間通信機制,建議參考Android學習啓動篇一文中提到《Linux內核源代碼情景分析》一書。

        但是,Android系統沒有采用上述提到的各種進程間通信機制,而是採用Binder機制,難道是因爲考慮到了移動設備硬件性能較差、內存較低的特點?不得而知。Binder其實也不是Android提出來的一套新的進程間通信機制,它是基於OpenBinder來實現的。OpenBinder最先是由Be Inc.開發的,接着Palm Inc.也跟着使用。現在OpenBinder的作者Dianne Hackborn就是在Google工作,負責Android平臺的開發工作。

        前面一再提到,Binder是一種進程間通信機制,它是一種類似於COM和CORBA分佈式組件架構,通俗一點,其實是提供遠程過程調用(RPC)功能。從英文字面上意思看,Binder具有粘結劑的意思,那麼它把什麼東西粘結在一起呢?在Android系統的Binder機制中,由一系統組件組成,分別是Client、Server、Service Manager和Binder驅動程序,其中Client、Server和Service Manager運行在用戶空間,Binder驅動程序運行內核空間。Binder就是一種把這四個組件粘合在一起的粘結劑了,其中,核心組件便是Binder驅動程序了,Service Manager提供了輔助管理的功能,Client和Server正是在Binder驅動和Service Manager提供的基礎設施上,進行Client-Server之間的通信。Service Manager和Binder驅動已經在Android平臺中實現好,開發者只要按照規範實現自己的Client和Server組件就可以了。說起來簡單,做起難,對初學者來說,Android系統的Binder機制是最難理解的了,而Binder機制無論從系統開發還是應用開發的角度來看,都是Android系統中最重要的組成,因此,很有必要深入瞭解Binder的工作方式。要深入瞭解Binder的工作方式,最好的方式莫過於是閱讀Binder相關的源代碼了,Linux的鼻祖Linus Torvalds曾經曰過一句名言RTFSC:Read The Fucking Source Code。

        雖說閱讀Binder的源代碼是學習Binder機制的最好的方式,但是也絕不能打無準備之仗,因爲Binder的相關源代碼是比較枯燥無味而且比較難以理解的,如果能夠輔予一些理論知識,那就更好了。閒話少說,網上關於Binder機制的資料還是不少的,這裏就不想再詳細寫一遍了,強烈推薦下面兩篇文章:

        Android深入淺出之Binder機制

        Android Binder設計與實現 – 設計篇

        Android深入淺出之Binder機制一文從情景出發,深入地介紹了Binder在用戶空間的三個組件Client、Server和Service Manager的相互關係,Android Binder設計與實現一文則是詳細地介紹了內核空間的Binder驅動程序的數據結構和設計原理。非常感謝這兩位作者給我們帶來這麼好的Binder學習資料。總結一下,Android系統Binder機制中的四個組件Client、Server、Service Manager和Binder驅動程序的關係如下圖所示:

        

        1. Client、Server和Service Manager實現在用戶空間中,Binder驅動程序實現在內核空間中

        2. Binder驅動程序和Service Manager在Android平臺中已經實現,開發者只需要在用戶空間實現自己的Client和Server

        3. Binder驅動程序提供設備文件/dev/binder與用戶空間交互,Client、Server和Service Manager通過open和ioctl文件操作函數與Binder驅動程序進行通信

        4. Client和Server之間的進程間通信通過Binder驅動程序間接實現

        5. Service Manager是一個守護進程,用來管理Server,並向Client提供查詢Server接口的能力

        至此,對Binder機制總算是有了一個感性的認識,但仍然感到不能很好地從上到下貫穿整個IPC通信過程,於是,打算通過下面四個情景來分析Binder源代碼,以進一步理解Binder機制:

        1. Service Manager是如何成爲一個守護進程的?即Service Manager是如何告知Binder驅動程序它是Binder機制的上下文管理者。

        2. Server和Client是如何獲得Service Manager接口的?即defaultServiceManager接口是如何實現的。

        3. Server是如何把自己的服務啓動起來的?Service Manager在Server啓動的過程中是如何爲Server提供服務的?即IServiceManager::addService接口是如何實現的。

        4  Service Manager是如何爲Client提供服務的?即IServiceManager::getService接口是如何實現的。

        在接下來的四篇文章中,將按照這四個情景來分析Binder源代碼,都將會涉及到用戶空間到內核空間的Binder相關源代碼。這裏爲什麼沒有Client和Server是如何進行進程間通信的情景呢? 這是因爲Service Manager在作爲守護進程的同時,它也充當Server角色。因此,只要我們能夠理解第三和第四個情景,也就理解了Binder機制中Client和Server是如何通過Binder驅動程序進行進程間通信的了。

        爲了方便描述Android系統進程間通信Binder機制的原理和實現,在接下來的四篇文章中,我們都是基於C/C++語言來介紹Binder機制的實現的,但是,我們在Android系統開發應用程序時,都是基於Java語言的,因此,我們會在最後一篇文章中,詳細介紹Android系統進程間通信Binder機制在應用程序框架層的Java接口實現:

        5. Android系統進程間通信Binder機制在應用程序框架層的Java接口源代碼分析。


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