Android—Camera Client/Server的binder IPC机制

       

        本文首先参考Android Binder IPC分析一文分析了Android Binder IPC通信机制过程及涉及到的各个子元素相关概念，从代码细节脱离出来，因而整体上把握Android binder IPC通信机制，是能够理解文章最后Camera Framework进程间通信实现的基础。参考Android 4.4版本源码。

  

Binder通信概述

        Android进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）采用binder通信机制，是一种client/server结构。一个典型的binder单工通信过程如下述示意图。

 

        其基本点为：

        1. 表面上看client通过获得一个server的代理接口，对server进行调用。

        2. 代理接口中定义的方法与server中定义的方法时一一对应的。

        3. client调用某个代理接口中的方法时，代理接口的方法会将client传递的参数打包成Parcel对象。

        4. 代理接口将Parcel发送给内核中的binder driver。

        5. server会读取binder driver中的请求数据，如果是发送给自己的，解包Parcel对象，处理并将结果返回。

        6. 整个的调用过程是一个同步过程，在server处理的时候，client会block住。

 

ServiceManager

        ServiceManager（SM）是service的管理器，任何service在被使用之前，均要向SM注册，客户端需要访问某个service时，应该首先向SM查询是否存在该服务。如果SM存在这个service，那么会将该service的handle返回给client，handle是每个service的唯一标识符。

        SM的入口函数int main(int argc, char **argv) 在service_manager.c中，进程主要工作为：

        1. 初始化binder，打开/dev/binder设备，在内存中为binder映射128k字节空间；

        2. 指定SM对应的代理binder的handle为0，当client尝试与SM通信时，需要创建一个handle为0的代理binder；

        3. 通知binder driver（BD）使SM成为BD的context manager；

        4. 维护一个死循环，在这个死循环中，不停地去读内核中binder driver，查看是否有可读的内容，即是否有对service的操作需求，如果有，则调用svcmgr_handler回调来处理请求的操作。

        5. SM维护了一个svclist列表来存储service的信息。

 

        当service在向SM注册时，该service就是一个client，而SM则作为了server。而某个进程需要与service通信时，此时这个进程为client，service才作为server。

        应用和service之间的通信会涉及到2次binder通信：

        1. 应用向SM查询service是否存在，如果存在获得该service的代理binder，为第一次binder通信；

        2. 应用通过binder调用service的方法，为第二次binder通信。

 

ProcessState

        ProcessState是以单例模式设计的。每个进程在使用binder机制通信时，均需要维护一个ProcessState实例来描述当前进程在binder通信时的binder状态。

        ProcessState有2个主要功能：

        1. 创建一个thread，该线程负责与内核中的binder模块进行通信，该线程称为Poolthread；

        2. 为指定的handle创建一个BpBinder对象，并管理该进程中所有的BpBinder对象。

 

        在binder IPC中，所有进程均会启动一个thread来负责与BD来直接通信，也就是不听的读写BD。Poolthread的启动方式为，

ProcessState::self()->startThreadPool();

        BpBinder主要功能是负责client向BD发送调用请求的数据，它是client端binder通信的核心对象，通过调用transact函数向BD发送调用请求的数据。BpBinder构造函数为，

BpBinder(int32_t handle);

        通过该构造函数可见，BpBinder会将当前通信中server的handle记录下来，当有数据发送时，会通知BD数据的发送目标。

        ProcessState通过下述方式来获取BpBinder对象，

ProcessState::self()->getContextObject(handle);

        ProcessState创建的BpBinder实例，一盘情况下回作为参数创建一个client端的service代理接口，形如BpXXXX，例如与SM通信时，client会创建一个代理接口BpServiceManager。

IPCThreadState

        IPCThreadState是以单例模式设计的。因每个进程只维护了一个ProcessState实例，同时ProcessState只启动一个Poolthread，因此每个进程只需要一个IPCThreadState即可。

        Poolthread实际内容为：

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

        ProcessState中有两个Parcel成员，mIn和mOut。Poolthread会不停查询BD中是否有数据可读，如果有，将其读出并保存到mIn；同时不停检查mOut是否有数据需要向BD发送，如果有，则将其内容写入到BD中。总而言之，从BD中读出的数据保存到mIn，待写入到BD中的数据保存在mOut中。

        ProcessState中生成的BpBinder实例通过调用IPCThreadState的transact函数来向mOut中写入数据，这样binder IPC过程的client端的调用请求的发送过程就明了了。

        IPCThreadState 有两个重要的函数， talkWithDriver 函数负责从 BD 读写数据， executeCommand 函数负责解析并执行mIn 中的数据。

 

Binder IPC基本元素分析

基类IInterface

        为client/server端提供接口，它的子类分别声明了client/service能够实现的所有的方法。

 

基类IBinder

        定义了binder IPC的通信协议。BBinder和BpBinder均为IBinder的子类，是在IBinder协议框架内进行的收和发操作，构建了基本的binder IPC机制。

 

基类BpRefBase

        client端在查询ServerManager获得所需的BpBinder后，BpRefBase负责管理当前获得的BpBinder实例。

 

接口类BpInterface

        如果client端想要使用binder IPC与Service通信，那么首先会从ServiceManager处查询并获得server端service的BpBinder，在client端，这个对象被认为是server端的远程代理。为了使client能够像本地调用一样调用一个远程server，server端需要向client提供一个接口，client在这个接口的基础上创建一个BpInterface，使用这个对象，client的应用能够像本地调用一样直接调用server端的方法。而不用去关心具体的binder IPC实现。

        BpInterface的原型：

template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase

        BpInterface是一个模板类，当server提供了INTERFACE接口(形如IXXXService)后，通常会继承BpInterface模板类实现一个BpXXXService：

class BpXXXService: public BpInterface<IXXXService>

        实际上BpXXXService实现了双继承IXXXService和BpRefBase，这样既实现了service中各方法的本地操作，将每个方法的参数以Parcel的形式发给binder driver；同时又将BpBinder作为了自己的成员来管理，将BpBinder存储在mRemote中，通过调用BpRefBase的remote()来获得BpBinder指针。

 

接口类BnInterface

        BnInterface也是一个模板类。在定义native端的service时，基于server提供的INTERFACE接口(IXXXService)，通常会继承BnInterface模板类实现一个BnXXXService，而native端的service继承自BnXXXService。BnXXXService定义了一个onTransact函数，这个函数负责解包收到的Parcel并执行client端的请求的方法。

        BnInterface的原型是：

template<typename INTERFACE>
class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder

        BnXXXService形如：

class BnXXXService: public BnInterface<IXXXService>

        IXXXService为client端的代理接口BpXXXService和server端的BnXXXService的共同接口类，这个共同接口类的目的就是保证service方法在C/S两端的一致性。

        每个service都可视为一个binder，而真正的service端的binder的操作及状态的维护就是通过继承自BBinder来实现的。BBinder是service作为binder的本质所在。

        那么，BBinder与BpBinder的区别是什么呢？BpBinder是client端创建的用于向server发送消息的代理，而BBinder是server端用于接收消息的通道。他们的代码中虽然均有transact方法，但两者的作用不同，BpBinder的transact方法时想IPCThreadState实例发送消息，通知其有消息要发送给binder driver；而BBinder则是当IPCThreadState实例收到binder driver消息时，通过BBinder的transact方法将其传递给它的子类BnXXXService的onTransact函数执行server端的操作。

 

Parcel类

        Parcel是binder IPC中的最基本的通信单元，它存储C/S间函数调用的参数。Parcel只能存储基本的数据类型，如果是复杂的数据类型的话，在存储时，需要将其拆分为基本的数据类型来存储。

         

        binder通信的双方既可以作为client，也可以作为server，此时的binder通信是一个半双工的通信，操作的过程会比单工的情况复杂，但是基本原理是一样的。

 

Camera Framework的IPC机制

        Camera Framework C/S实现类图如下：

 

        仔细阅读本文前面的内容，能够很容易理解Camera Framework采取的C/S结构设计方式。Camera C/S binder IPC通信采用的是半双工通信的方式。client端提供的接口为ICameraClient，分别通过继承BpInterface与BnInterface模板类的方式实现代理BpCameraClient（server端的client代理）与client端本地BnCameraClient，Camera为本地具体的实现；server端提供的接口为ICameraServer，分别通过继承BpInterface与BnInterface模板类的方式实现代理BpCameraService（client端的server代理）与server端本地BnCameraService。

 

        下一篇文章Camera Framework C/S架构服务请求，我们从代码细节入手，用实例阐述Camera中binder IPC通信的具体过程。