Android - Binder 进程间通讯

概述

最近在学习 Binder 机制,在网上查阅了大量的资料,也看了老罗的 Binder 系列的博客和 Innost 的深入理解 Binder 系列的博客,都是从底层开始讲的,全是 C 代码,虽然之前学过 C 和 C++,然而各种函数之间花式跳转,看的我都怀疑人生。 毫不夸张的讲每看一遍都是新的内容,跟没看过一样。 后来又看到了 Gityuan 的博客看到了一些图解仿佛发现了新大陆。

下面就以图解的方式介绍下 Binder 机制,相信你看这篇文章,一定有所收获。

什么是 Binder?

Binder 是 Android 系统中进程间通讯(IPC)的一种方式,也是 Android 系统中最重要的特性之一。 Android 中的四大组件 Activity,Service,Broadcast,ContentProvider,不同的 App 等都运行在不同的进程中,它是这些进程间通讯的桥梁。正如其名“粘合剂”一样,它把系统中各个组件粘合到了一起,是各个组件的桥梁。

理解 Binder 对于理解整个 Android 系统有着非常重要的作用,如果对 Binder 不了解,就很难对 Android 系统机制有更深入的理解。

1. Binder 架构

图1

2. Binder 机制

图8

怎么样是不是很简单,以上就是 Binder 机制的主要通讯方式,下面我们来看看具体实现。

3. Binder 驱动

我们先来了解下用户空间与内核空间是怎么交互的。

图2

先了解一些概念

用户空间/内核空间

详细解释可以参考 Kernel Space Definition; 简单理解如下:

Kernel space 是 Linux 内核的运行空间,User space 是用户程序的运行空间。 为了安全,它们是隔离的,即使用户的程序崩溃了,内核也不受影响。

Kernel space 可以执行任意命令,调用系统的一切资源; User space 只能执行简单的运算,不能直接调用系统资源,必须通过系统接口(又称 system call),才能向内核发出指令。

系统调用/内核态/用户态

虽然从逻辑上抽离出用户空间和内核空间;但是不可避免的的是,总有那么一些用户空间需要访问内核的资源;比如应用程序访问文件,网络是很常见的事情,怎么办呢?

Kernel space can be accessed by user processes only through the use of system calls.

用户空间访问内核空间的唯一方式就是系统调用;通过这个统一入口接口,所有的资源访问都是在内核的控制下执行,以免导致对用户程序对系统资源的越权访问,从而保障了系统的安全和稳定。用户软件良莠不齐,要是它们乱搞把系统玩坏了怎么办?因此对于某些特权操作必须交给安全可靠的内核来执行。

当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,我们就称进程处于内核运行态(或简称为内核态)此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。即此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。

内核模块/驱动

通过系统调用,用户空间可以访问内核空间,那么如果一个用户空间想与另外一个用户空间进行通信怎么办呢?很自然想到的是让操作系统内核添加支持;传统的 Linux 通信机制,比如 Socket,管道等都是内核支持的;但是 Binder 并不是 Linux 内核的一部分,它是怎么做到访问内核空间的呢? Linux 的动态可加载内核模块(Loadable Kernel Module,LKM)机制解决了这个问题;模块是具有独立功能的程序,它可以被单独编译,但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行。这样,Android系统可以通过添加一个内核模块运行在内核空间,用户进程之间的通过这个模块作为桥梁,就可以完成通信了。

在 Android 系统中,这个运行在内核空间的,负责各个用户进程通过 Binder 通信的内核模块叫做 Binder 驱动;

驱动程序一般指的是设备驱动程序(Device Driver),是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口,操作系统只有通过这个接口,才能控制硬件设备的工作;

驱动就是操作硬件的接口,为了支持 Binder 通信过程,Binder 使用了一种“硬件”,因此这个模块被称之为驱动。

熟悉了上面这些概念,我们再来看下上面的图,用户空间中 binder_open(), binder_mmap(), binder_ioctl() 这些方法通过 system call 来调用内核空间 Binder 驱动中的方法。内核空间与用户空间共享内存通过 copy_from_user(), copy_to_user() 内核方法来完成用户空间与内核空间内存的数据传输。 Binder驱动中有一个全局的 binder_procs 链表保存了服务端的进程信息。

4. Binder 进程与线程

图3

对于底层Binder驱动,通过 binder_procs 链表记录所有创建的 binder_proc 结构体,binder 驱动层的每一个 binder_proc 结构体都与用户空间的一个用于 binder 通信的进程一一对应,且每个进程有且只有一个 ProcessState 对象,这是通过单例模式来保证的。在每个进程中可以有很多个线程,每个线程对应一个 IPCThreadState 对象,IPCThreadState 对象也是单例模式,即一个线程对应一个 IPCThreadState 对象,在 Binder 驱动层也有与之相对应的结构,那就是 Binder_thread 结构体。在 binder_proc 结构体中通过成员变量 rb_root threads,来记录当前进程内所有的 binder_thread。

Binder 线程池:每个 Server 进程在启动时创建一个 binder 线程池,并向其中注册一个 Binder 线程;之后 Server 进程也可以向 binder 线程池注册新的线程,或者 Binder 驱动在探测到没有空闲 binder 线程时主动向 Server 进程注册新的的 binder 线程。对于一个 Server 进程有一个最大 Binder 线程数限制,默认为16个 binder 线程,例如 Android 的 system_server 进程就存在16个线程。对于所有 Client 端进程的 binder 请求都是交由 Server 端进程的 binder 线程来处理的。

5. ServiceManager 启动

了解了 Binder 驱动,怎么与 Binder 驱动进行通讯呢?那就是通过 ServiceManager,好多文章称 ServiceManager 是 Binder 驱动的守护进程,大管家,其实 ServiceManager 的作用很简单就是提供了查询服务和注册服务的功能。下面我们来看一下 ServiceManager 启动的过程。

图4

6. ServiceManager 注册服务

图5

7. ServiceManager 获取服务

图6

8. 进行一次完整通讯

图7

总结

好了,这里只是从实现逻辑上简单介绍了下 Binder 机制的工作原理,想要深入理解 Binder 机制,还得自己下功夫,看源码,尽管这个过程很痛苦。一遍看不懂就再来一遍,说实话本人理解能力比较差,跟着博客思路看了不下十遍。 努力总会有收获,好好欣赏 native 层各方法之间花式跳转的魅力吧。最后你将发现新世界的大门在向你敞开。

网上资料很多,个人觉得比较好的如下:

  1. Bander设计与实现
  2. 老罗的 Android进程间通信(IPC)机制Binder简要介绍和学习计划 系列
  3. Innost的 深入理解Binder 系列
  4. Gityuan的 Binder系列 (基于 Android 6.0)
  5. Binder学习指南

参考资料

原文