android IPC爲什麼選用Binder?

本文整理自Gityuan的知乎回答:

Android 另起爐竈開發了 Binder 驅動,而沒有采用已有的方案,而 D-Bus 這樣的方案也可以實現 Binder 的功能,是出於什麼原因和什麼考慮?安全性?性能?

知乎鏈接:https://www.zhihu.com/question/39440766/answer/89210950

先簡單概括性地說說Linux現有的所有進程間IPC方式:

  1.  管道:在創建時分配一個page大小的內存,緩存區大小比較有限;

  2. 消息隊列:信息複製兩次,額外的CPU消耗;不合適頻繁或信息量大的通信;

  3. 共享內存:無須複製,共享緩衝區直接付附加到進程虛擬地址空間,速度快;但進程間的同步問題操作系統無法實現,必須各進程利用同步工具解決;

  4. 套接字:作爲更通用的接口,傳輸效率低,主要用於不通機器或跨網絡的通信;

  5. 信號量:常作爲一種鎖機制,防止某進程正在訪問共享資源時,其他進程也訪問該資源。因此,主要作爲進程間以及同一進程內不同線程之間的同步手段。

  6. 信號: 不適用於信息交換,更適用於進程中斷控制,比如非法內存訪問,殺死某個進程等;


接下來回答這個問題,從5個角度來展開對Binder的分析:

(1)從性能的角度
數據拷貝次數:Binder數據拷貝只需要一次,而管道、消息隊列、Socket都需要2次,但共享內存方式一次內存拷貝都不需要;從性能角度看,Binder性能僅次於共享內存。

(2)從穩定性的角度
Binder是基於C/S架構的,簡單解釋下C/S架構,是指客戶端(Client)和服務端(Server)組成的架構,Client端有什麼需求,直接發送給Server端去完成,架構清晰明朗,Server端與Client端相對獨立,穩定性較好;而共享內存實現方式複雜,沒有客戶與服務端之別, 需要充分考慮到訪問臨界資源的併發同步問題,否則可能會出現死鎖等問題;從這穩定性角度看,Binder架構優越於共享內存。
僅僅從以上兩點,各有優劣,還不足以支撐google去採用binder的IPC機制,那麼更重要的原因是:


(3)從安全的角度
傳統Linux IPC的接收方無法獲得對方進程可靠的UID/PID,從而無法鑑別對方身份;而Android作爲一個開放的開源體系,擁有非常多的開發平臺,App來源甚廣,因此手機的安全顯得額外重要;對於普通用戶,絕不希望從App商店下載偷窺隱射數據、後臺造成手機耗電等等問題,傳統Linux IPC無任何保護措施,完全由上層協議來確保。 

Android爲每個安裝好的應用程序分配了自己的UID,故進程的UID是鑑別進程身份的重要標誌,前面提到C/S架構,Android系統中對外只暴露Client端,Client端將任務發送給Server端,Server端會根據權限控制策略,判斷UID/PID是否滿足訪問權限,目前權限控制很多時候是通過彈出權限詢問對話框,讓用戶選擇是否運行。Android 6.0,也稱爲Android M,在6.0之前的系統是在App第一次安裝時,會將整個App所涉及的所有權限一次詢問,只要留意看會發現很多App根本用不上通信錄和短信,但在這一次性權限權限時會包含進去,讓用戶拒絕不得,因爲拒絕後App無法正常使用,而一旦授權後,應用便可以胡作非爲。

針對這個問題,google在Android M做了調整,不再是安裝時一併詢問所有權限,而是在App運行過程中,需要哪個權限再彈框詢問用戶是否給相應的權限,對權限做了更細地控制,讓用戶有了更多的可控性,但同時也帶來了另一個用戶詬病的地方,那也就是權限詢問的彈框的次數大幅度增多。對於Android M平臺上,有些App開發者可能會寫出讓手機異常頻繁彈框的App,企圖直到用戶授權爲止,這對用戶來說是不能忍的,用戶最後吐槽的可不光是App,還有Android系統以及手機廠商,有些用戶可能就跳果粉了,這還需要廣大Android開發者以及手機廠商共同努力,共同打造安全與體驗俱佳的Android手機。

Android中權限控制策略有SELinux等多方面手段,下面列舉從Binder的一個角度的權限控制:Android源碼的Binder權限是如何控制? -Gityuan的回答

傳統IPC只能由用戶在數據包裏填入UID/PID;另外,可靠的身份標記只有由IPC機制本身在內核中添加。其次傳統IPC訪問接入點是開放的,無法建立私有通道。從安全角度,Binder的安全性更高。

說到這,可能有人要反駁,Android就算用了Binder架構,而現如今Android手機的各種流氓軟件,不就是幹着這種偷窺隱射,後臺偷偷跑流量的事嗎?沒錯,確實存在,但這不能說Binder的安全性不好,因爲Android系統仍然是掌握主控權,可以控制這類App的流氓行爲,只是對於該採用何種策略來控制,在這方面android的確存在很多有待進步的空間,這也是google以及各大手機廠商一直努力改善的地方之一。在Android 6.0,google對於app的權限問題作爲較多的努力,大大收緊的應用權限;另外,在Google舉辦的Android Bootcamp 2016大會中,google也表示在Android 7.0 (也叫Android N)的權限隱私方面會進一步加強加固,比如SELinux,Memory safe language(還在research中)等等,在今年的5月18日至5月20日,google將推出Android N。 

(4)從語言層面的角度
大家多知道Linux是基於C語言(面向過程的語言),而Android是基於Java語言(面向對象的語句),而對於Binder恰恰也符合面向對象的思想,將進程間通信轉化爲通過對某個Binder對象的引用調用該對象的方法,而其獨特之處在於Binder對象是一個可以跨進程引用的對象,它的實體位於一個進程中,而它的引用卻遍佈於系統的各個進程之中。可以從一個進程傳給其它進程,讓大家都能訪問同一Server,就像將一個對象或引用賦值給另一個引用一樣。Binder模糊了進程邊界,淡化了進程間通信過程,整個系統彷彿運行於同一個面向對象的程序之中。從語言層面,Binder更適合基於面嚮對象語言的Android系統,對於Linux系統可能會有點“水土不服”。

另外,Binder是爲Android這類系統而生,而並非Linux社區沒有想到Binder IPC機制的存在,對於Linux社區的廣大開發人員,我還是表示深深佩服,讓世界有了如此精湛而美妙的開源系統。也並非Linux現有的IPC機制不夠好,相反地,經過這麼多優秀工程師的不斷打磨,依然非常優秀,每種Linux的IPC機制都有存在的價值,同時在Android系統中也依然採用了大量Linux現有的IPC機制,根據每類IPC的原理特性,因時制宜,不同場景特性往往會採用其下最適宜的。比如在Android OS中的Zygote進程的IPC採用的是Socket(套接字)機制,Android中的Kill Process採用的signal(信號)機制等等。而Binder更多則用在system_server進程與上層App層的IPC交互。

(5) 從公司戰略的角度

總所周知,Linux內核是開源的系統,所開放源代碼許可協議GPL保護,該協議具有“病毒式感染”的能力,怎麼理解這句話呢?受GPL保護的Linux Kernel是運行在內核空間,對於上層的任何類庫、服務、應用等運行在用戶空間,一旦進行SysCall(系統調用),調用到底層Kernel,那麼也必須遵循GPL協議。 

而Android 之父 Andy Rubin對於GPL顯然是不能接受的,爲此,Google巧妙地將GPL協議控制在內核空間,將用戶空間的協議採用Apache-2.0協議(允許基於Android的開發商不向社區反饋源碼),同時在GPL協議與Apache-2.0之間的Lib庫中採用BSD證授權方法,有效隔斷了GPL的傳染性,仍有較大爭議,但至少目前緩解Android,讓GPL止步於內核空間,這是Google在GPL Linux下 開源與商業化共存的一個成功典範。

有了這些鋪墊,我們再說說Binder的今世前緣

Binder是基於開源的 OpenBinder實現的,OpenBinder是一個開源的系統IPC機制,最初是由 Be Inc. 開發,接着由Palm, Inc.公司負責開發,現在OpenBinder的作者在Google工作,既然作者在Google公司,在用戶空間採用Binder 作爲核心的IPC機制,再用Apache-2.0協議保護,自然而然是沒什麼問題,減少法律風險,以及對開發成本也大有裨益的,那麼從公司戰略角度,Binder也是不錯的選擇。

另外,再說一點關於OpenBinder,在2015年OpenBinder以及合入到Linux Kernel主線 3.19版本,這也算是Google對Linux的一點回饋吧。

綜合上述5點,可知Binder是Android系統上層進程間通信的不二選擇。

最後,簡單講講Android Binder架構

Binder在Android系統中江湖地位非常之高。在Zygote孵化出system_server進程後,在system_server進程中出初始化支持整個Android framework的各種各樣的Service,而這些Service從大的方向來劃分,分爲Java層Framework和Native Framework層(C++)的Service,幾乎都是基於BInder IPC機制。

(1)Java framework:作爲Server端繼承(或間接繼承)於Binder類,Client端繼承(或間接繼承)於BinderProxy類。例如 ActivityManagerService(用於控制Activity、Service、進程等) 這個服務作爲Server端,間接繼承Binder類,而相應的ActivityManager作爲Client端,間接繼承於BinderProxy類。 當然還有PackageManagerService、WindowManagerService等等很多系統服務都是採用C/S架構;

(2)Native Framework層:這是C++層,作爲Server端繼承(或間接繼承)於BBinder類,Client端繼承(或間接繼承)於BpBinder。例如MediaPlayService(用於多媒體相關)作爲Server端,繼承於BBinder類,而相應的MediaPlay作爲Client端,間接繼承於BpBinder類。


總之,一句話"無Binder不Android"。

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