圖解Android中的Binder機制

前言

Binder做爲Android中核心機制，對於理解Android系統是必不可少的，關於binder的文章也有很多，但是每次看總感覺看的不是很懂，到底什麼纔是binder機制？爲什麼要使用binder機制？binder機制又是怎樣運行的呢？這些問題只是瞭解binder機制是不夠的，需要從Android的整體系統出發來分析，在我找了很多資料後，真正的弄懂了binder機制，相信看完這篇文章大家也可以弄懂binder機制。

1、Binder是什麼？

要理解binder，先要知道IPC，Inter-process communication ,也就是進程中相互通信，Binder是Android提供的一套進程間相互通信框架。用來多進程間發送消息，同步和共享內存。已有的進程間通信方式有一下幾種：

1、Files 文件系統（包括內存映射）
2、Sockets
3、Pipes 管道
4、共享內存
5、Intents, ContentProviders, Messenger
6、Binder

Android系統中的Binder框架圖如下：

拿Activity舉例從上圖可以看出來：Activity是由ActivityManager來控制的，而ActivityManager其實是通過Binder獲取ActivityManagerService服務來控制Activity的，並且ActivityManager是Android系統FrameWork層的，和應用中的activity不是同一個進程。

重點：

1、Binder是Android提供的一套進程間通信框架。

2、系統服務ActivityManagerService,LocationManagerService，等都是在單獨進程中的，使用binder和應用進行通信。

2、Android系統框架

如上圖，Android系統分成三層。最上層是application應用層，第二層是Framework層，第三層是native層。
由下圖可知幾點：

1、Android中的應用層和系統服務層不在同一個進程，系統服務在單獨的進程中。

2、Android中不同應用屬於不同的進程中。

Android應用和系統services運行在不同進程中是爲了安全，穩定，以及內存管理的原因，但是應用和系統服務需要通信和分享數據。

優點

安全性：每個進程都單獨運行的，可以保證應用層對系統層的隔離。

穩定性：如果某個進程崩潰了不會導致其他進程崩潰。

內存分配：如果某個進程以及不需要了可以從內存中移除，並且回收相應的內存。

3、Binder通信

client請求service服務，比如說Activity請求Activity ManagerService服務，由於Activity和ActivityManagerService是在兩個不同的進程中的，那麼下圖是一個很直觀的請求過程。

但是注意，一個進程是不能直接直接操作另一個進程的，比如說讀取另一個進程的數據，或者往另一個進程的內存空間寫數據，進程之間的通信要通過內核進程纔可以，因此這裏就要使用到進程通信工具Binder瞭如下圖：

Binder driver通過/dev/binder /dev/binder 提供了 open, release release, poll poll, mmap mmap, flush flush, and ioctl等操作的接口api。這樣進程A和進程B就可以通過內核進程進行通信了。進程中大部分的通信都是通過ioctl（binderFd, BINDER_WRITE_READ, &bwd）來進行的。bwd 的定義如下：

struct binder_write_read {  
  signed long write_size;/* bytes to write */ 
  signed long write_consumed; /* bytes consumed by driver */  
  unsigned long write_buffer; 
  signed long read_size;  /* bytes to read */ 
  signed long read_consumed;  /* bytes consumed by driver */  
  unsigned long read_buffer;
   };

但是上面還有個問題就是client和service要直接和binder driver打交道，但是實際上client和service並不想知道binder相關協議，所以進一步client通過添加proxy代理，service通過添加stub來進一步處理與binder的交互。

這樣的好處是client和service都可以不用直接去和binder打交道。上面的圖好像已經很完善了，但是Android系統更進一步封裝，不讓client知道Binder的存在，Android系統提供了Manager來管理client。如下圖：

這樣client只需要交給manager來管理就好了，根本就不用關心進程通信相關的事，關於manager其實是很熟悉的，比如說activity的就是由ActivityManager來控制的，ActivityManager是通過Binder獲取ActivityManagerService來控制activity的。這樣就不用我們自己來使用Binder來ActivityManagerService通信了。

更進一步，client是如何具體獲取到哪個service的呢？如下圖所示：

在service和binder之間還有一個contextManager，也就是serviceManager，每一個service要先往serviceManager裏面進行註冊，註冊完成之後由serviceManager統一管理。
在Android studio中可以通過adb指定打印出當前已經註冊過serviceManager的service。

$ adb shell service list 
Found 71 services: 0 sip: 
[android.net.sip.ISipService] 1 phone: [com.android.internal.telephony.ITelephony] … 20  location: [android.location.ILocationManager] …
 55  activity: [android.app.IActivityManager] 
 56  package: [android.content.pm.IPackageManager] … 
 67  SurfaceFlinger: [android.ui.ISurfaceComposer] 
 68  media.camera: [android.hardware.ICameraService] 
 69  media.player: [android.media.IMediaPlayerService]
  70  media.audio_flinger: [android.media.IAudioFlinger]

下圖是一次更加完整的client和service的通信流程：

4、Binder框架

在看Binder框架之前，先來看一下，從client發出請求service的完整的流程。

獲取服務過程：

第一步：client要請求服務，比如說在activity中調用context.getSystemService()方法，這個時候serviceManager就會使用getService（name），然後就會調用到native層中的ServiceManagerNative類中的getService(name)方法。

第二步：ServiceManagerNative會通過Binder發送一條SVG_MGR_GET_SERVICE的指令，然後通過svcmgr_handler()調用do_find_service（）方法去svc_list中查找到相關的service。

第三步：查找到相應的服務後就會通過Binder將服務傳給ServiceManagerNative，然後傳給serviceManager，最後client就可以使用了。

注意： 服務實在svclist中保存的，svclist是一個鏈表，因此客戶端調用的服務必須要先註冊到svclist中。

註冊服務過程：

第一步： service通過調用serviceManager中的addService方法，然後調用ServiceManagerNative類中的addservice(name)方法。

第二步： ServiceManagerNative會通過Binder發送一條SVG_MGR_ADD_SERVICE的指令，然後通過svcmgr_handler()調用do_add_service（）方法往svc_list中添加相應的service。

重點：所有的服務都要先註冊到svc_list中才能被client調用到。svc_list以linkedlist的形式保存這些服務。

Binder結構設計
要了解binder的結構設計，就要了解Android的體系結構，Android是分成application層，framework層native層，以及內核層，Binder設計在每一層上都有不同的抽象。如下圖：

由上圖可知Binder的整體設計總共有四層：

1、Java層AIDL。

2、Framework層， Android.os.Binder 。

framework層中最重要的數據結構是transaction，有一下幾個默認的：

3、Native 層: libBinder.cpp

在native層主要是libBinder

4、內核層
內核層的通信都是通過ioctl來進行的，client打開一個ioctl,進入到輪詢隊列，一直阻塞直到時間到或者有消息。

5、Binder中使用的設計模式

1、代理模式（Proxy Pattern ）
在Android中client不是直接去和binder打交道，client直接和Manager交互，而manager和managerProxy交互，也就是說client是通過managerProxy去和binder進行交互的。同時service也不是直接和binder交互，而是通過stub去和binder交互。如下圖。

2、Bridge Pattern
如下圖，應用層也就是Java層要使用MediaPlayer,就要調用native層中的MediaPlayer.cpp，但是MediaPlay.java不是直接去跟JNI打交道，而是通過與MediaPlayerSevice通信，從而經過Binder返回的。

6、Binder與內存映射mmap

Binder IPC 是基於內存映射（mmap）來實現的，但是 mmap() 通常是用在有物理介質的文件系統上的。

比如進程中的用戶區域是不能直接和物理設備打交道的，如果想要把磁盤上的數據讀取到進程的用戶區域，需要兩次拷貝（磁盤–>內核空間–>用戶空間）；通常在這種場景下 mmap() 就能發揮作用，通過在物理介質和用戶空間之間建立映射，減少數據的拷貝次數，用內存讀寫取代I/O讀寫，提高文件讀取效率。

而 Binder 並不存在物理介質，因此 Binder 驅動使用 mmap() 並不是爲了在物理介質和用戶空間之間建立映射，而是用來在內核空間創建數據接收的緩存空間。

一次完整的 Binder IPC 通信過程通常是這樣：

首先 Binder 驅動在內核空間創建一個數據接收緩存區；
接着在內核空間開闢一塊內核緩存區，建立內核緩存區和內核中數據接收緩存區之間的映射關係，以及內核中數據接收緩存區和接收進程用戶空間地址的映射關係；
發送方進程通過系統調用 copyfromuser() 將數據 copy 到內核中的內核緩存區，由於內核緩存區和接收進程的用戶空間存在內存映射，因此也就相當於把數據發送到了接收進程的用戶空間，這樣便完成了一次進程間的通信。
如下圖：

參考文獻

1、http://rts.lab.asu.edu/web_438/project_final/Talk%208%20AndroidArc_Binder.pdf
2、http://rts.lab.asu.edu/web_438/project_final/CSE_598_Android_Architecture_Binder.pdf