Android的IPC机制-Binder

主要问题：

进程间通信是什么？

Linux下进程之间如何通信？

Android中进程间通信采用什么方式？

Android为什么要引入Binder机制？

Binder机制包括哪些部分？

Binder的工作原理是什么？

如何实现Binder驱动？

如何使用Binder机制来完成进程间通信？

Android的多媒体服务MediaService如何工作？

如何实现自己的核心服务？

 

在Linux系统中，是以进程为单位分配和管理资源的，出于保护机制，一个进程不能直接访问另一个进程的资源，也就是说，进程之间相互封闭。但是在一个复杂的应用系统中，通过常会使用多个相关的进程来共同完成一项任务，因此要求进程之间必须能够互相通信，从而共享资源和信息。所有操作系统内核必须提供进程间的通信机制。在linux中，进程间的通信机制有很多种，例如可以采用管道、消息队列、信号、共享内存、socket等方式。但是，在Android终端上几乎看不到这些IPC通信方式，取而代之的是Binder的方式。Android同时为Java环境 和C/C++环境提供了Binder机制。本章主要介绍C/C++环境下的Binder机制，主要包括Binder驱动的实现、运作原理、IPC机制的实现、接口等。

 

3.1Binder概述

应用程序虽然是以独立的进程来运行，但相互之间还是需要通信，比如，在多进程的环境下，应用程序和后台服务通常会运行在不同的进程中，有着独立的地址空间，但是因为需要相互协作，彼此间又必须进程通信和数据共享，这就需要进程通信来完成。Linux系统中，进程间通信的方式有socket、named pipe、message queue、signal、share memory等；Java系统中的进程间通信反射也有socket、named price等。所以Android可以选择的进程间通信的方式也有很多，但是它主要包括以下几种方式：

1.编制Linux Kernel IPC接口

2.标准D-BUS接口

3.Binder接口

 

3.1.1为什么选择Binder

在上面这些可供选择的方式中，Android使用得最多也最被认可的还是Binder机制。为什么会选择Binder来作为进程之间的通信机制呢？因为Binder更加简洁。和快速，消耗的内存资源更小吗？不错，这些也正是Binder的优点。

1.用驱动程序来推进进程间的通信。

2.通过共享内存来提高性能。

3.为进程请求分配每个进程的线程池

4.针对系统中的对象引入了引用计数和跨进程的对象引用映射。

5.进程间同步调用

 

3.1.2初识Binder

Binder是通过Linux的Binder Driver来实现的，Binder操作类似于线程迁移，两个进程间通信看起来就像是一个进程进入另一个进程去执行代码，然后带着结果返回。Binder的用户空间为每一个进程维护着一个可用的线程池。线程池用于处理到来的IPC以及执行进程的本地消息，Binder通信是同步的而不是异步的。同时，Binder机制是基于OpenBindr来实现的，是一个OpenBinder的Linux实现，Android 系统的运行都将依赖Binder驱动。

Binder通信也是基于Service与Client的，所有需要IBinder通信的进程都必须创建一个IBinder接口。系统有一个名为Service Manager的守护进程管理者系统中的各个服务，它负责监听是否有其他程序向其发送请求，如果有请求就响应，如果没有则继续监听等待。每个都要在Service Manager中注册，而请求服务的客户端则向Service Manager请求服务。在Android虚拟机启动前，系统会先启动Service Manager进程，Service Manager就会打开Binder驱动，并通知Binder kernel驱动程序，这个进程将作为System Service Manager就会打开Binder驱动，并通知Binder Kernel驱动程序，这个进程将作为System Service Manger，然后该进程将进入一个序号，等待处理来自其他进程的数据。

因此，我们也可以将Binder的实现大致分为：Binder驱动、Service、Manger、Service、Client这几个部分，下面将分别对这几个部分基础详细分析。

3.2Binder驱动的原理和实现

通过上一节的介绍，大家应该对Binder有了基本的认识了，任何上层应用程序接口和用户操作都需要底层硬件设备驱动的支持，并为其提供各种操作接口。本节首先从Binder的驱动实现入手，分析其原理和它提供给用层使用的接口。

3.2.1Binder驱动的原理

为了完成进程间通信，Binder采用了AIDL来描述进程间的接口。在实际的实现中，Binder是作为一个特殊的字符设备而存在的，设备节点为/dev/binder。

在其驱动实现过程中，主要是通过binder_ioctl函数与用户空间的进程交换数据。BINDER_WRITE_READ用来读写数据，数据包中有一个cmd域用于区分不同的请求。binder_thread_write函数用于发送请或者返回结果，而binder_thread_read函数则用于读取结果。

在binder_thread_write函数中调用binder_transaction函数来转发请求并返回结果。当收到请求时，binder_transaction函数会通过对象的handle找到对象所在的进程，如果handle为空，就认为对象是context_mgr，把请求发给context_mgr所在的进程。请求中所有的Binder对象全部放到RB树中，最后把请求放到目标进程队列中，等待目标进程读取。数据的解析工作放在binder_parse()中实现；关于如何生成context_mgr，内核中提供了BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令来完成此项功能。

 

3.2.2Binder驱动的实现

上面我们已经对Binder驱动的原理进行了分析，在开始分析驱动的实现之前，我们还是通过一个例子来说明Binder在实际应用中应该如何运用，以及它能帮我们解决什么样的问题。举个例子：

A进程如果要使用B进程的服务，B进程首先要注册此服务，A进程通过Binder获取该服务的handle，通过这个handle，A进程就可以使用该服务了。之外，你可以把handle理解成地址。A进程使用B进程的服务还意味者二者遵循相同的协议，这个协议反映在代码上就是二者要实现IBinder接口。

1.“对象”与“引用”

Binder不仅是Android系统中的一个完整的IPC机制，它也可以被当作Android系统的一种RPC机制，因为Binder的功能就是在本地“执行”其他进程的功能。因此，进程在通过Binder获取将要调用的进程服务时，可以是一个本地对象，也可以是一个远程服务的“引用”。

Binder不仅可以与本地进程通信，还可以与远程进程通信。这里的本地进程就是我们所说的本地对象，而远程进程则是我们所说的远程服务的一个“引用”

Binder的实质就是要把对象从一个进程映射到另一个进程中，而不管这个对象是本地的还是远程的。如果是本地对象，更好理解；如果是远程对象，就按照我们上面所讲的来理解，即将远程对象“引用”从一个进程映射到另一个进程中，于是当使用这个远程对象时，实际上就是使用远程对象在本地的一个“引用”，类似于把这个远程对象当作一个本地对象在使用。这也是Binder和其他IPC机制不同的地方。

这个本地“对象”与远程 对象的“引用”有什么不同呢？本地“对象”表示本地进程的地址空间的一个地址，而远程对象引用则是一个抽象的32位句柄。它们之间是互斥的：所有的进程本地对象都是本地的一个地址，所有的远程进程的对象的“引用”都是一个句柄。对于发送者来说，不管是“对象”还是引用，他都会认为被发送的Binder对象是一个远程对象的句柄。但是，当Binder对象的数据被发送到远程端接收进程时，远程接收进程则会任务该Binder对象是一个本地对象地址。

2.binder_work

这个是最简单也是最基础的结构体binder_work

struct binder_work{

struct list_head entry;

enum{

}

}

 

其中entry被定义为list_head，用来实现一个双向链表，存储所有binder_work的队列；此外，还包含一个enum类型的type，binder_work的类型，后文会对这些类型进行详细分解。

 

3.Binder的类型

Binder的类型是使用定义在在binder.h头文件中的一个enum来表示，从代码上看却是3个不同的大类，它们分别是：本地对象（BINDER_TYPE_BINDER、BINDER_TYPE_BINDER）、远程对象（BINDER_TYPE_HANDLE、BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE）、文件（BINDER_TYPE_FD）如果传递的是文件类型，其实还是会将文件映射到句柄上，根据此fd找到对应的文件，然后在目标进程中分配一个fd，最后把这个fd赋值给返回的句柄。

4.Binder对象

我们把进程之间的传递的数据称之为Binder对象，他在对应源码中使用flat_binder_object结构题表示。

struct flat_binder_object{

unsigned long type;

unsigned long flags;

union{

void binder;

signed long handle;

}

void *cookie;

};

该结构体中的type字段描述的是Binder的类型，传输的数据是一个复用数据联合体。对于Binder类型，数据就是一个Binder本地对象；HANDLE类型