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關鍵詞 Binder Android IPC Linux 內核 驅動 摘要 Binder是Android系統(tǒng)進程間通信（IPC）方式之一。Linux已經擁有管道，system V IPC，socket等IPC手段，卻還要倚賴Binder來實現(xiàn)進程間通信，說明Binder具有無可比擬的優(yōu)勢。深入了解Binder并將之與傳統(tǒng)IPC做對比有助于我們深入領會進程間通信的實現(xiàn)和性能優(yōu)化。本文將對Binder的設計細節(jié)做一個全面的闡述，首先通過介紹Binder通信模型和Binder通信協(xié)議了解Binder的設計需求；然后分別闡述Binder在系統(tǒng)不同部分的表述方式和起的作用；最后還會解釋Binder在數(shù)據(jù)接收端的設計考慮，包括線程池管理，內存映射和等待隊列管理等。通過本文對Binder的詳細介紹以及與其它IPC通信方式的對比，讀者將對Binder的優(yōu)勢和使用Binder作為Android主要IPC方式的原因有深入了解。 1 引言基于Client-Server的通信方式廣泛應用于從互聯(lián)網和數(shù)據(jù)庫訪問到嵌入式手持設備內部通信等各個領域。智能手機平臺特別是Android系統(tǒng)中，為了向應用開發(fā)者提供豐富多樣的功能，這種通信方式更是無處不在，諸如媒體播放，視音頻頻捕獲，到各種讓手機更智能的傳感器（加速度，方位，溫度，光亮度等）都由不同的Server負責管理，應用程序只需做為Client與這些Server建立連接便可以使用這些服務，花很少的時間和精力就能開發(fā)出令人眩目的功能。Client-Server方式的廣泛采用對進程間通信（IPC）機制是一個挑戰(zhàn)。目前l(fā)inux支持的IPC包括傳統(tǒng)的管道，System V IPC，即消息隊列/共享內存/信號量，以及socket中只有socket支持Client-Server的通信方式。當然也可以在這些底層機制上架設一套協(xié)議來實現(xiàn)Client-Server通信，但這樣增加了系統(tǒng)的復雜性，在手機這種條件復雜，資源稀缺的環(huán)境下可靠性也難以保證。 另一方面是傳輸性能。socket作為一款通用接口，其傳輸效率低，開銷大，主要用在跨網絡的進程間通信和本機上進程間的低速通信。消息隊列和管道采用存儲-轉發(fā)方式，即數(shù)據(jù)先從發(fā)送方緩存區(qū)拷貝到內核開辟的緩存區(qū)中，然后再從內核緩存區(qū)拷貝到接收方緩存區(qū)，至少有兩次拷貝過程。共享內存雖然無需拷貝，但控制復雜，難以使用。 表 1 各種IPC方式數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)
還有一點是出于安全性考慮。Android作為一個開放式，擁有眾多開發(fā)者的的平臺，應用程序的來源廣泛，確保智能終端的安全是非常重要的。終端用戶不希望從網上下載的程序在不知情的情況下偷窺隱私數(shù)據(jù)，連接無線網絡，長期操作底層設備導致電池很快耗盡等等。傳統(tǒng)IPC沒有任何安全措施，完全依賴上層協(xié)議來確保。首先傳統(tǒng)IPC的接收方無法獲得對方進程可靠的UID/PID（用戶ID/進程ID），從而無法鑒別對方身份。Android為每個安裝好的應用程序分配了自己的UID，故進程的UID是鑒別進程身份的重要標志。使用傳統(tǒng)IPC只能由用戶在數(shù)據(jù)包里填入UID/PID，但這樣不可靠，容易被惡意程序利用?？煽康纳矸輼擞浿挥杏蒊PC機制本身在內核中添加。其次傳統(tǒng)IPC訪問接入點是開放的，無法建立私有通道。比如命名管道的名稱，system V的鍵值，socket的ip地址或文件名都是開放的，只要知道這些接入點的程序都可以和對端建立連接，不管怎樣都無法阻止惡意程序通過猜測接收方地址獲得連接。 基于以上原因，Android需要建立一套新的IPC機制來滿足系統(tǒng)對通信方式，傳輸性能和安全性的要求，這就是Binder。Binder基于Client-Server通信模式，傳輸過程只需一次拷貝，為發(fā)送發(fā)添加UID/PID身份，既支持實名Binder也支持匿名Binder，安全性高。 2 面向對象的 Binder IPCBinder使用Client-Server通信方式：一個進程作為Server提供諸如視頻/音頻解碼，視頻捕獲，地址本查詢，網絡連接等服務；多個進程作為Client向Server發(fā)起服務請求，獲得所需要的服務。要想實現(xiàn)Client-Server通信據(jù)必須實現(xiàn)以下兩點：一是server必須有確定的訪問接入點或者說地址來接受Client的請求，并且Client可以通過某種途徑獲知Server的地址；二是制定Command-Reply協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。例如在網絡通信中Server的訪問接入點就是Server主機的IP地址+端口號，傳輸協(xié)議為TCP協(xié)議。對Binder而言，Binder可以看成Server提供的實現(xiàn)某個特定服務的訪問接入點， Client通過這個‘地址’向Server發(fā)送請求來使用該服務；對Client而言，Binder可以看成是通向Server的管道入口，要想和某個Server通信首先必須建立這個管道并獲得管道入口。 與其它IPC不同，Binder使用了面向對象的思想來描述作為訪問接入點的Binder及其在Client中的入口：Binder是一個實體位于Server中的對象，該對象提供了一套方法用以實現(xiàn)對服務的請求，就象類的成員函數(shù)。遍布于client中的入口可以看成指向這個binder對象的‘指針’，一旦獲得了這個‘指針’就可以調用該對象的方法訪問server。在Client看來，通過Binder‘指針’調用其提供的方法和通過指針調用其它任何本地對象的方法并無區(qū)別，盡管前者的實體位于遠端Server中，而后者實體位于本地內存中?！羔槨荂++的術語，而更通常的說法是引用，即Client通過Binder的引用訪問Server。而軟件領域另一個術語‘句柄’也可以用來表述Binder在Client中的存在方式。從通信的角度看，Client中的Binder也可以看作是Server Binder的‘代理’，在本地代表遠端Server為Client提供服務。本文中會使用‘引用’或‘句柄’這個兩廣泛使用的術語。 面向對象思想的引入將進程間通信轉化為通過對某個Binder對象的引用調用該對象的方法，而其獨特之處在于Binder對象是一個可以跨進程引用的對象，它的實體位于一個進程中，而它的引用卻遍布于系統(tǒng)的各個進程之中。最誘人的是，這個引用和java里引用一樣既可以是強類型，也可以是弱類型，而且可以從一個進程傳給其它進程，讓大家都能訪問同一Server，就象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(tǒng)仿佛運行于同一個面向對象的程序之中。形形色色的Binder對象以及星羅棋布的引用仿佛粘接各個應用程序的膠水，這也是Binder在英文里的原意。 當然面向對象只是針對應用程序而言，對于Binder驅動和內核其它模塊一樣使用C語言實現(xiàn)，沒有類和對象的概念。Binder驅動為面向對象的進程間通信提供底層支持。 3 Binder 通信模型Binder框架定義了四個角色：Server，Client，ServiceManager（以后簡稱SMgr）以及Binder驅動。其中Server，Client，SMgr運行于用戶空間，驅動運行于內核空間。這四個角色的關系和互聯(lián)網類似：Server是服務器，Client是客戶終端，SMgr是域名服務器（DNS），驅動是路由器。 3.1 Binder 驅動和路由器一樣，Binder驅動雖然默默無聞，卻是通信的核心。盡管名叫‘驅動’，實際上和硬件設備沒有任何關系，只是實現(xiàn)方式和設備驅動程序是一樣的：它工作于內核態(tài)，提供open()，mmap()，poll()，ioctl()等標準文件操作，以字符驅動設備中的misc設備注冊在設備目錄/dev下，用戶通過/dev/binder訪問該它。驅動負責進程之間Binder通信的建立，Binder在進程之間的傳遞，Binder引用計數(shù)管理，數(shù)據(jù)包在進程之間的傳遞和交互等一系列底層支持。驅動和應用程序之間定義了一套接口協(xié)議，主要功能由ioctl()接口實現(xiàn)，不提供read()，write()接口，因為ioctl()靈活方便，且能夠一次調用實現(xiàn)先寫后讀以滿足同步交互，而不必分別調用write()和read()。Binder驅動的代碼位于linux目錄的drivers/misc/binder.c中。 3.2 ServiceManager 與實名Binder和DNS類似，SMgr的作用是將字符形式的Binder名字轉化成Client中對該Binder的引用，使得Client能夠通過Binder名字獲得對Server中Binder實體的引用。注冊了名字的Binder叫實名Binder，就象每個網站除了有IP地址外還有自己的網址。Server創(chuàng)建了Binder實體，為其取一個字符形式，可讀易記的名字，將這個Binder連同名字以數(shù)據(jù)包的形式通過Binder驅動發(fā)送給SMgr，通知SMgr注冊一個名叫張三的Binder，它位于某個Server中。驅動為這個穿過進程邊界的Binder創(chuàng)建位于內核中的實體節(jié)點以及SMgr對實體的引用，將名字及新建的引用打包傳遞給SMgr。SMgr收數(shù)據(jù)包后，從中取出名字和引用填入一張查找表中。 細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)其中的蹊蹺：SMgr是一個進程，Server是另一個進程，Server向SMgr注冊Binder必然會涉及進程間通信。當前實現(xiàn)的是進程間通信卻又要用到進程間通信，這就好象蛋可以孵出雞前提卻是要找只雞來孵蛋。Binder的實現(xiàn)比較巧妙：預先創(chuàng)造一只雞來孵蛋：SMgr和其它進程同樣采用Binder通信，SMgr是Server端，有自己的Binder對象（實體），其它進程都是Client，需要通過這個Binder的引用來實現(xiàn)Binder的注冊，查詢和獲取。SMgr提供的Binder比較特殊，它沒有名字也不需要注冊，當一個進程使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令將自己注冊成SMgr時Binder驅動會自動為它創(chuàng)建Binder實體（這就是那只預先造好的雞）。其次這個Binder的引用在所有Client中都固定為0而無須通過其它手段獲得。也就是說，一個Server若要向SMgr注冊自己Binder就必需通過0這個引用號和SMgr的Binder通信。類比網絡通信，0號引用就好比域名服務器的地址，你必須預先手工或動態(tài)配置好。要注意這里說的Client是相對SMgr而言的，一個應用程序可能是個提供服務的Server，但對SMgr來說它仍然是個Client。 3.3 Client 獲得實名Binder的引用Server向SMgr注冊了Binder實體及其名字后，Client就可以通過名字獲得該Binder的引用了。Client也利用保留的0號引用向SMgr請求訪問某個Binder：我申請獲得名字叫張三的Binder的引用。SMgr收到這個連接請求，從請求數(shù)據(jù)包里獲得Binder的名字，在查找表里找到該名字對應的條目，從條目中取出Binder的引用，將該引用作為回復發(fā)送給發(fā)起請求的Client。從面向對象的角度，這個Binder對象現(xiàn)在有了兩個引用：一個位于SMgr中，一個位于發(fā)起請求的Client中。如果接下來有更多的Client請求該Binder，系統(tǒng)中就會有更多的引用指向該Binder，就象java里一個對象存在多個引用一樣。而且類似的這些指向Binder的引用是強類型，從而確保只要有引用Binder實體就不會被釋放掉。通過以上過程可以看出，SMgr象個火車票代售點，收集了所有火車的車票，可以通過它購買到乘坐各趟火車的票-得到某個Binder的引用。 3.4 匿名 Binder并不是所有Binder都需要注冊給SMgr廣而告之的。Server端可以通過已經建立的Binder連接將創(chuàng)建的Binder實體傳給Client，當然這條已經建立的Binder連接必須是通過實名Binder實現(xiàn)。由于這個Binder沒有向SMgr注冊名字，所以是個匿名Binder。Client將會收到這個匿名Binder的引用，通過這個引用向位于Server中的實體發(fā)送請求。匿名Binder為通信雙方建立一條私密通道，只要Server沒有把匿名Binder發(fā)給別的進程，別的進程就無法通過窮舉或猜測等任何方式獲得該Binder的引用，向該Binder發(fā)送請求。 下圖展示了參與Binder通信的所有角色，將在以后章節(jié)中一一提到。
圖 1 Binder通信示例 4 Binder 協(xié)議Binder協(xié)議基本格式是（命令+數(shù)據(jù)），使用ioctl(fd, cmd, arg)函數(shù)實現(xiàn)交互。命令由參數(shù)cmd承載，數(shù)據(jù)由參數(shù)arg承載，隨cmd不同而不同。下表列舉了所有命令及其所對應的數(shù)據(jù)： 表 2 Binder通信命令字
這其中最常用的命令是BINDER_WRITE_READ。該命令的參數(shù)包括兩部分數(shù)據(jù)：一部分是向Binder寫入的數(shù)據(jù)，一部分是要從Binder讀出的數(shù)據(jù)，驅動程序先處理寫部分再處理讀部分。這樣安排的好處是應用程序可以很靈活地處理命令的同步或異步。例如若要發(fā)送異步命令可以只填入寫部分而將read_size置成0；若要只從Binder獲得數(shù)據(jù)可以將寫部分置空即write_size置成0；若要發(fā)送請求并同步等待返回數(shù)據(jù)可以將兩部分都置上。 4.1 BINDER_WRITE_READ 之寫操作Binder寫操作的數(shù)據(jù)時格式同樣也是（命令+數(shù)據(jù)）。這時候命令和數(shù)據(jù)都存放在binder_write_read 結構write_buffer域指向的內存空間里，多條命令可以連續(xù)存放。數(shù)據(jù)緊接著存放在命令后面，格式根據(jù)命令不同而不同。下表列舉了Binder寫操作支持的命令： 表 3 Binder寫操作命令字
在這些命令中，最常用的是BC_TRANSACTION/BC_REPLY命令對，Binder請求和應答數(shù)據(jù)就是通過這對命令發(fā)送給接收方。這對命令所承載的數(shù)據(jù)包由結構體struct binder_transaction_data定義。Binder交互有同步和異步之分，利用binder_transaction_data中flag域區(qū)分。如果flag域的TF_ONE_WAY位為1則為異步交互，即Client端發(fā)送完請求交互即結束， Server端不再返回BC_REPLY數(shù)據(jù)包；否則Server會返回BC_REPLY數(shù)據(jù)包，Client端必須等待接收完該數(shù)據(jù)包方才完成一次交互。 4.2 BINDER_WRITE_READ ：從Binder讀出數(shù)據(jù)從Binder里讀出的數(shù)據(jù)格式和向Binder中寫入的數(shù)據(jù)格式一樣，采用（消息ID+數(shù)據(jù)）形式，并且多條消息可以連續(xù)存放。下表列舉了從Binder讀出的命令字及其相應的參數(shù)： 表 4 Binder讀操作消息ID
和寫數(shù)據(jù)一樣，其中最重要的消息是BR_TRANSACTION 或BR_REPLY，表明收到了一個格式為binder_transaction_data的請求數(shù)據(jù)包（BR_TRANSACTION）或返回數(shù)據(jù)包（BR_REPLY）。 4.3 struct binder_transaction_data ：收發(fā)數(shù)據(jù)包結構該結構是Binder接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包的標準格式，每個成員定義如下： 表 5 Binder收發(fā)數(shù)據(jù)包結構：binder_transaction_data
這里有必要再強調一下offsets_size和data.offsets兩個成員，這是Binder通信有別于其它IPC的地方。如前述，Binder采用面向對象的設計思想，一個Binder實體可以發(fā)送給其它進程從而建立許多跨進程的引用；另外這些引用也可以在進程之間傳遞，就象java里將一個引用賦給另一個引用一樣。為Binder在不同進程中建立引用必須有驅動的參與，由驅動在內核創(chuàng)建并注冊相關的數(shù)據(jù)結構后接收方才能使用該引用。而且這些引用可以是強類型，需要驅動為其維護引用計數(shù)。然而這些跨進程傳遞的Binder混雜在應用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)包里，數(shù)據(jù)格式由用戶定義，如果不把它們一一標記出來告知驅動，驅動將無法從數(shù)據(jù)中將它們提取出來。于是就使用數(shù)組data.offsets存放用戶數(shù)據(jù)中每個Binder相對data.buffer的偏移量，用offsets_size表示這個數(shù)組的大小。驅動在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會根據(jù)data.offsets和offset_size將散落于data.buffer中的Binder找出來并一一為它們創(chuàng)建相關的數(shù)據(jù)結構。在數(shù)據(jù)包中傳輸?shù)腂inder是類型為struct flat_binder_object的結構體，詳見后文。 對于接收方來說，該結構只相當于一個定長的消息頭，真正的用戶數(shù)據(jù)存放在data.buffer所指向的緩存區(qū)中。如果發(fā)送方在數(shù)據(jù)中內嵌了一個或多個Binder，接收到的數(shù)據(jù)包中同樣會用data.offsets和offset_size指出每個Binder的位置和總個數(shù)。不過通常接收方可以忽略這些信息，因為接收方是知道數(shù)據(jù)格式的，參考雙方約定的格式定義就能知道這些Binder在什么位置。
圖 2 BINDER_WRITE_READ數(shù)據(jù)包實例 5 Binder 的表述考察一次Binder通信的全過程會發(fā)現(xiàn)，Binder存在于系統(tǒng)以下幾個部分中： · 應用程序進程：分別位于Server進程和Client進程中 · Binder驅動：分別管理為Server端的Binder實體和Client端的引用 · 傳輸數(shù)據(jù)：由于Binder可以跨進程傳遞，需要在傳輸數(shù)據(jù)中予以表述 在系統(tǒng)不同部分，Binder實現(xiàn)的功能不同，表現(xiàn)形式也不一樣。接下來逐一探討B(tài)inder在各部分所扮演的角色和使用的數(shù)據(jù)結構。 5.1 Binder 在應用程序中的表述雖然Binder用到了面向對象的思想，但并不限制應用程序一定要使用面向對象的語言，無論是C語言還是C++語言都可以很容易的使用Binder來通信。例如盡管Android主要使用java/C++，象SMgr這么重要的進程就是用C語言實現(xiàn)的。不過面向對象的方式表述起來更方便，所以本文假設應用程序是用面向對象語言實現(xiàn)的。 Binder本質上只是一種底層通信方式，和具體服務沒有關系。為了提供具體服務，Server必須提供一套接口函數(shù)以便Client通過遠程訪問使用各種服務。這時通常采用Proxy設計模式：將接口函數(shù)定義在一個抽象類中，Server和Client都會以該抽象類為基類實現(xiàn)所有接口函數(shù)，所不同的是Server端是真正的功能實現(xiàn)，而Client端是對這些函數(shù)遠程調用請求的包裝。如何將Binder和Proxy設計模式結合起來是應用程序實現(xiàn)面向對象Binder通信的根本問題。 5.1.1 Binder 在Server端的表述 – Binder實體做為Proxy設計模式的基礎，首先定義一個抽象接口類封裝Server所有功能，其中包含一系列純虛函數(shù)留待Server和Proxy各自實現(xiàn)。由于這些函數(shù)需要跨進程調用，須為其一一編號，從而Server可以根據(jù)收到的編號決定調用哪個函數(shù)。其次就要引入Binder了。Server端定義另一個Binder抽象類處理來自Client的Binder請求數(shù)據(jù)包，其中最重要的成員是虛函數(shù)onTransact()。該函數(shù)分析收到的數(shù)據(jù)包，調用相應的接口函數(shù)處理請求。 接下來采用繼承方式以接口類和Binder抽象類為基類構建Binder在Server中的實體，實現(xiàn)基類里所有的虛函數(shù)，包括公共接口函數(shù)以及數(shù)據(jù)包處理函數(shù)：onTransact()。這個函數(shù)的輸入是來自Client的binder_transaction_data結構的數(shù)據(jù)包。前面提到，該結構里有個成員code，包含這次請求的接口函數(shù)編號。onTransact()將case-by-case地解析code值，從數(shù)據(jù)包里取出函數(shù)參數(shù)，調用接口類中相應的，已經實現(xiàn)的公共接口函數(shù)。函數(shù)執(zhí)行完畢，如果需要返回數(shù)據(jù)就再構建一個binder_transaction_data包將返回數(shù)據(jù)包填入其中。 那么各個Binder實體的onTransact()又是什么時候調用呢？這就需要驅動參與了。前面說過，Binder實體須要以Binde傳輸結構flat_binder_object形式發(fā)送給其它進程才能建立Binder通信，而Binder實體指針就存放在該結構的handle域中。驅動根據(jù)Binder位置數(shù)組從傳輸數(shù)據(jù)中獲取該Binder的傳輸結構，為它創(chuàng)建位于內核中的Binder節(jié)點，將Binder實體指針記錄在該節(jié)點中。如果接下來有其它進程向該Binder發(fā)送數(shù)據(jù)，驅動會根據(jù)節(jié)點中記錄的信息將Binder實體指針填入binder_transaction_data的target.ptr中返回給接收線程。接收線程從數(shù)據(jù)包中取出該指針，reinterpret_cast成Binder抽象類并調用onTransact()函數(shù)。由于這是個虛函數(shù)，不同的Binder實體中有各自的實現(xiàn)，從而可以調用到不同Binder實體提供的onTransact()。 5.1.2 Binder 在Client端的表述 – Binder引用做為Proxy設計模式的一部分，Client端的Binder同樣要繼承Server提供的公共接口類并實現(xiàn)公共函數(shù)。但這不是真正的實現(xiàn)，而是對遠程函數(shù)調用的包裝：將函數(shù)參數(shù)打包，通過Binder向Server發(fā)送申請并等待返回值。為此Client端的Binder還要知道Binder實體的相關信息，即對Binder實體的引用。該引用或是由SMgr轉發(fā)過來的，對實名Binder的引用或是由另一個進程直接發(fā)送過來的，對匿名Binder的引用。 由于繼承了同樣的公共接口類，Client Binder提供了與Server Binder一樣的函數(shù)原型，使用戶感覺不出Server是運行在本地還是遠端。Client Binder中，公共接口函數(shù)的包裝方式是：創(chuàng)建一個binder_transaction_data數(shù)據(jù)包，將其對應的編碼填入code域，將調用該函數(shù)所需的參數(shù)填入data.buffer指向的緩存中，并指明數(shù)據(jù)包的目的地，那就是已經獲得的對Binder實體的引用，填入數(shù)據(jù)包的target.handle中。注意這里和Server的區(qū)別：實際上target域是個聯(lián)合體，包括ptr和handle兩個成員，前者用于接收數(shù)據(jù)包的Server，指向 Binder實體對應的內存空間；后者用于作為請求方的Client，存放Binder實體的引用，告知驅動數(shù)據(jù)包將路由給哪個實體。數(shù)據(jù)包準備好后，通過驅動接口發(fā)送出去。經過BC_TRANSACTION/BC_REPLY回合完成函數(shù)的遠程調用并得到返回值。 5.2 Binder 在傳輸數(shù)據(jù)中的表述Binder可以塞在數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)中越進程邊界從一個進程傳遞給另一個進程，這些傳輸中的Binder用結構flat_binder_object表示，如下表所示： 表 6 Binder傳輸結構：flat_binder_object
無論是Binder實體還是對實體的引用都從屬與某個進程，所以該結構不能透明地在進程之間傳輸，必須經過驅動翻譯。例如當Server把Binder實體傳遞給Client時，在發(fā)送數(shù)據(jù)流中，flat_binder_object中的type是BINDER_TYPE_BINDER，binder指向Server進程用戶空間地址。如果透傳給接收端將毫無用處，驅動必須對數(shù)據(jù)流中的這個Binder做修改：將type該成BINDER_TYPE_HANDLE；為這個Binder在接收進程中創(chuàng)建位于內核中的引用并將引用號填入handle中。對于發(fā)生數(shù)據(jù)流中引用類型的Binder也要做同樣轉換。經過處理后接收進程從數(shù)據(jù)流中取得的Binder引用才是有效的，才可以將其填入數(shù)據(jù)包binder_transaction_data的target.handle域，向Binder實體發(fā)送請求。 這樣做也是出于安全性考慮：應用程序不能隨便猜測一個引用號填入target.handle中就可以向Server請求服務了，因為驅動并沒有為你在內核中創(chuàng)建該引用，必定會被驅動拒絕。唯有經過身份認證確認合法后，由‘權威機構’（Binder驅動）親手授予你的Binder才能使用，因為這時驅動已經在內核中為你使用該Binder做了注冊，交給你的引用號是合法的。 下表總結了當flat_binder_object結構穿過驅動時驅動所做的操作： 表 7 驅動對flat_binder_object的操作
5.2.1 文件形式的 Binder除了通常意義上用來通信的Binder，還有一種特殊的Binder：文件Binder。這種Binder的基本思想是：將文件看成Binder實體，進程打開的文件號看成Binder的引用。一個進程可以將它打開文件的文件號傳遞給另一個進程，從而另一個進程也打開了同一個文件，就象Binder的引用在進程之間傳遞一樣。 一個進程打開一個文件，就獲得與該文件綁定的打開文件號。從Binder的角度，linux在內核創(chuàng)建的打開文件描述結構struct file是Binder的實體，打開文件號是該進程對該實體的引用。既然是Binder那么就可以在進程之間傳遞，故也可以用flat_binder_object結構將文件Binder通過數(shù)據(jù)包發(fā)送至其它進程，只是結構中type域的值為BINDER_TYPE_FD，表明該Binder是文件Binder。而結構中的handle域則存放文件在發(fā)送方進程中的打開文件號。我們知道打開文件號是個局限于某個進程的值，一旦跨進程就沒有意義了。這一點和Binder實體用戶指針或Binder引用號是一樣的，若要跨進程同樣需要驅動做轉換。驅動在接收Binder的進程空間創(chuàng)建一個新的打開文件號，將它與已有的打開文件描述結構struct file勾連上，從此該Binder實體又多了一個引用。新建的打開文件號覆蓋flat_binder_object中原來的文件號交給接收進程。接收進程利用它可以執(zhí)行read()，write()等文件操作。 傳個文件為啥要這么麻煩，直接將文件名用Binder傳過去，接收方用open()打開不就行了嗎？其實這還是有區(qū)別的。首先對同一個打開文件共享的層次不同：使用文件Binder打開的文件共享linux VFS中的struct file，struct dentry，struct inode結構，這意味著一個進程使用read()/write()/seek()改變了文件指針，另一個進程的文件指針也會改變；而如果兩個進程分別使用同一文件名打開文件則有各自的struct file結構，從而各自獨立維護文件指針，互不干擾。其次是一些特殊設備文件要求在struct file一級共享才能使用，例如android的另一個驅動ashmem，它和Binder一樣也是misc設備，用以實現(xiàn)進程間的共享內存。一個進程打開的ashmem文件只有通過文件Binder發(fā)送到另一個進程才能實現(xiàn)內存共享，這大大提高了內存共享的安全性，道理和Binder增強了IPC的安全性是一樣的。 5.3 Binder 在驅動中的表述驅動是Binder通信的核心，系統(tǒng)中所有的Binder實體以及每個實體在各個進程中的引用都登記在驅動中；驅動需要記錄Binder引用->實體之間多對一的關系；為引用找到對應的實體；在某個進程中為實體創(chuàng)建或查找到對應的引用；記錄Binder的歸屬地（位于哪個進程中）；通過管理Binder的強/弱引用創(chuàng)建/銷毀Binder實體等等。 驅動里的Binder是什么時候創(chuàng)建的呢？前面提到過，為了實現(xiàn)實名Binder的注冊，系統(tǒng)必須創(chuàng)建第一只雞–為SMgr創(chuàng)建的，用于注冊實名Binder的Binder實體，負責實名Binder注冊過程中的進程間通信。既然創(chuàng)建了實體就要有對應的引用：驅動將所有進程中的0號引用都預留給該Binder實體，即所有進程的0號引用天然地都指向注冊實名Binder專用的Binder，無須特殊操作即可以使用0號引用來注冊實名Binder。接下來隨著應用程序不斷地注冊實名Binder，不斷向SMgr索要Binder的引用，不斷將Binder從一個進程傳遞給另一個進程，越來越多的Binder以傳輸結構 - flat_binder_object的形式穿越驅動做跨進程的遷徙。由于binder_transaction_data中data.offset數(shù)組的存在，所有流經驅動的Binder都逃不過驅動的眼睛。Binder將對這些穿越進程邊界的Binder做如下操作：檢查傳輸結構的type域，如果是BINDER_TYPE_BINDER或BINDER_TYPE_WEAK_BINDER則創(chuàng)建Binder的實體；如果是BINDER_TYPE_HANDLE或BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE則創(chuàng)建Binder的引用；如果是BINDER_TYPE_HANDLE則為進程打開文件，無須創(chuàng)建任何數(shù)據(jù)結構。詳細過程可參考表7。隨著越來越多的Binder實體或引用在進程間傳遞，驅動會在內核里創(chuàng)建越來越多的節(jié)點或引用，當然這個過程對用戶來說是透明的。 5.3.1 Binder 實體在驅動中的表述驅動中的Binder實體也叫‘節(jié)點’，隸屬于提供實體的進程，由struct binder_node結構來表示： 表 8 Binder節(jié)點描述結構：binder_node
每個進程都有一棵紅黑樹用于存放創(chuàng)建好的節(jié)點，以Binder在用戶空間的指針作為索引。每當在傳輸數(shù)據(jù)中偵測到一個代表Binder實體的flat_binder_object，先以該結構的binder指針為索引搜索紅黑樹；如果沒找到就創(chuàng)建一個新節(jié)點添加到樹中。由于對于同一個進程來說內存地址是唯一的，所以不會重復建設造成混亂。 5.3.2 Binder 引用在驅動中的表述和實體一樣，Binder的引用也是驅動根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)中的flat_binder_object創(chuàng)建的，隸屬于獲得該引用的進程，用struct binder_ref結構體表示： 表 9 Binder引用描述結構：binder_ref
就象一個對象有很多指針一樣，同一個Binder實體可能有很多引用，不同的是這些引用可能分布在不同的進程中。和實體一樣，每個進程使用紅黑樹存放所有正在使用的引用。不同的是Binder的引用可以通過兩個鍵值索引： · 對應實體在內核中的地址。注意這里指的是驅動創(chuàng)建于內核中的binder_node結構的地址，而不是Binder實體在用戶進程中的地址。實體在內核中的地址是唯一的，用做索引不會產生二義性；但實體可能來自不同用戶進程，而實體在不同用戶進程中的地址可能重合，不能用來做索引。驅動利用該紅黑樹在一個進程中快速查找某個Binder實體所對應的引用（一個實體在一個進程中只建立一個引用）。 · 引用號。引用號是驅動為引用分配的一個32位標識，在一個進程內是唯一的，而在不同進程中可能會有同樣的值，這和進程的打開文件號很類似。引用號將返回給應用程序，可以看作Binder引用在用戶進程中的句柄。除了0號引用在所有進程里都固定保留給SMgr，其它值由驅動動態(tài)分配。向Binder發(fā)送數(shù)據(jù)包時，應用程序將引用號填入binder_transaction_data結構的target.handle域中表明該數(shù)據(jù)包的目的Binder。驅動根據(jù)該引用號在紅黑樹中找到引用的binder_ref結構，進而通過其node域知道目標Binder實體所在的進程及其它相關信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由。 6 Binder 內存映射和接收緩存區(qū)管理暫且撇開Binder，考慮一下傳統(tǒng)的IPC方式中，數(shù)據(jù)是怎樣從發(fā)送端到達接收端的呢？通常的做法是，發(fā)送方將準備好的數(shù)據(jù)存放在緩存區(qū)中，調用API通過系統(tǒng)調用進入內核中。內核服務程序在內核空間分配內存，將數(shù)據(jù)從發(fā)送方緩存區(qū)復制到內核緩存區(qū)中。接收方讀數(shù)據(jù)時也要提供一塊緩存區(qū)，內核將數(shù)據(jù)從內核緩存區(qū)拷貝到接收方提供的緩存區(qū)中并喚醒接收線程，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送。這種存儲-轉發(fā)機制有兩個缺陷：首先是效率低下，需要做兩次拷貝：用戶空間->內核空間->用戶空間。Linux使用copy_from_user()和copy_to_user()實現(xiàn)這兩個跨空間拷貝，在此過程中如果使用了高端內存（high memory），這種拷貝需要臨時建立/取消頁面映射，造成性能損失。其次是接收數(shù)據(jù)的緩存要由接收方提供，可接收方不知道到底要多大的緩存才夠用，只能開辟盡量大的空間或先調用API接收消息頭獲得消息體大小，再開辟適當?shù)目臻g接收消息體。兩種做法都有不足，不是浪費空間就是浪費時間。 Binder采用一種全新策略：由Binder驅動負責管理數(shù)據(jù)接收緩存。我們注意到Binder驅動實現(xiàn)了mmap()系統(tǒng)調用，這對字符設備是比較特殊的，因為mmap()通常用在有物理存儲介質的文件系統(tǒng)上，而象Binder這樣沒有物理介質，純粹用來通信的字符設備沒必要支持mmap()。Binder驅動當然不是為了在物理介質和用戶空間做映射，而是用來創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收的緩存空間。先看mmap()是如何使用的： fd = open("/dev/binder", O_RDWR); mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0); 這樣Binder的接收方就有了一片大小為MAP_SIZE的接收緩存區(qū)。mmap()的返回值是內存映射在用戶空間的地址，不過這段空間是由驅動管理，用戶不必也不能直接訪問（映射類型為PROT_READ，只讀映射）。 接收緩存區(qū)映射好后就可以做為緩存池接收和存放數(shù)據(jù)了。前面說過，接收數(shù)據(jù)包的結構為binder_transaction_data，但這只是消息頭，真正的有效負荷位于data.buffer所指向的內存中。這片內存不需要接收方提供，恰恰是來自mmap()映射的這片緩存池。在數(shù)據(jù)從發(fā)送方向接收方拷貝時，驅動會根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小，使用最佳匹配算法從緩存池中找到一塊大小合適的空間，將數(shù)據(jù)從發(fā)送緩存區(qū)復制過來。要注意的是，存放binder_transaction_data結構本身以及表4中所有消息的內存空間還是得由接收者提供，但這些數(shù)據(jù)大小固定，數(shù)量也不多，不會給接收方造成不便。映射的緩存池要足夠大，因為接收方的線程池可能會同時處理多條并發(fā)的交互，每條交互都需要從緩存池中獲取目的存儲區(qū)，一旦緩存池耗竭將產生導致無法預期的后果。 有分配必然有釋放。接收方在處理完數(shù)據(jù)包后，就要通知驅動釋放data.buffer所指向的內存區(qū)。在介紹Binder協(xié)議時已經提到，這是由命令BC_FREE_BUFFER完成的。 通過上面介紹可以看到，驅動為接收方分擔了最為繁瑣的任務：分配/釋放大小不等，難以預測的有效負荷緩存區(qū)，而接收方只需要提供緩存來存放大小固定，最大空間可以預測的消息頭即可。在效率上，由于mmap()分配的內存是映射在接收方用戶空間里的，所有總體效果就相當于對有效負荷數(shù)據(jù)做了一次從發(fā)送方用戶空間到接收方用戶空間的直接數(shù)據(jù)拷貝，省去了內核中暫存這個步驟，提升了一倍的性能。順便再提一點，Linux內核實際上沒有從一個用戶空間到另一個用戶空間直接拷貝的函數(shù)，需要先用copy_from_user()拷貝到內核空間，再用copy_to_user()拷貝到另一個用戶空間。為了實現(xiàn)用戶空間到用戶空間的拷貝，mmap()分配的內存除了映射進了接收方進程里，還映射進了內核空間。所以調用copy_from_user()將數(shù)據(jù)拷貝進內核空間也相當于拷貝進了接收方的用戶空間，這就是Binder只需一次拷貝的‘秘密’。 7 Binder 接收線程管理Binder通信實際上是位于不同進程中的線程之間的通信。假如進程S是Server端，提供Binder實體，線程T1從Client進程C1中通過Binder的引用向進程S發(fā)送請求。S為了處理這個請求需要啟動線程T2，而此時線程T1處于接收返回數(shù)據(jù)的等待狀態(tài)。T2處理完請求就會將處理結果返回給T1，T1被喚醒得到處理結果。在這過程中，T2仿佛T1在進程S中的代理，代表T1執(zhí)行遠程任務，而給T1的感覺就是象穿越到S中執(zhí)行一段代碼又回到了C1。為了使這種穿越更加真實，驅動會將T1的一些屬性賦給T2，特別是T1的優(yōu)先級nice，這樣T2會使用和T1類似的時間完成任務。很多資料會用‘線程遷移’來形容這種現(xiàn)象，容易讓人產生誤解。一來線程根本不可能在進程之間跳來跳去，二來T2除了和T1優(yōu)先級一樣，其它沒有相同之處，包括身份，打開文件，棧大小，信號處理，私有數(shù)據(jù)等。 對于Server進程S，可能會有許多Client同時發(fā)起請求，為了提高效率往往開辟線程池并發(fā)處理收到的請求。怎樣使用線程池實現(xiàn)并發(fā)處理呢？這和具體的IPC機制有關。拿socket舉例，Server端的socket設置為偵聽模式，有一個專門的線程使用該socket偵聽來自Client的連接請求，即阻塞在accept()上。這個socket就象一只會生蛋的雞，一旦收到來自Client的請求就會生一個蛋 – 創(chuàng)建新socket并從accept()返回。偵聽線程從線程池中啟動一個工作線程并將剛下的蛋交給該線程。后續(xù)業(yè)務處理就由該線程完成并通過這個單與Client實現(xiàn)交互。 可是對于Binder來說，既沒有偵聽模式也不會下蛋，怎樣管理線程池呢？一種簡單的做法是，不管三七二十一，先創(chuàng)建一堆線程，每個線程都用BINDER_WRITE_READ命令讀Binder。這些線程會阻塞在驅動為該Binder設置的等待隊列上，一旦有來自Client的數(shù)據(jù)驅動會從隊列中喚醒一個線程來處理。這樣做簡單直觀，省去了線程池，但一開始就創(chuàng)建一堆線程有點浪費資源。于是Binder協(xié)議引入了專門命令或消息幫助用戶管理線程池，包括： · INDER_SET_MAX_THREADS · BC_REGISTER_LOOP · BC_ENTER_LOOP · BC_EXIT_LOOP · BR_SPAWN_LOOPER 首先要管理線程池就要知道池子有多大，應用程序通過INDER_SET_MAX_THREADS告訴驅動最多可以創(chuàng)建幾個線程。以后每個線程在創(chuàng)建，進入主循環(huán)，退出主循環(huán)時都要分別使用BC_REGISTER_LOOP，BC_ENTER_LOOP，BC_EXIT_LOOP告知驅動，以便驅動收集和記錄當前線程池的狀態(tài)。每當驅動接收完數(shù)據(jù)包返回讀Binder的線程時，都要檢查一下是不是已經沒有閑置線程了。如果是，而且線程總數(shù)不會超出線程池最大線程數(shù)，就會在當前讀出的數(shù)據(jù)包后面再追加一條BR_SPAWN_LOOPER消息，告訴用戶線程即將不夠用了，請再啟動一些，否則下一個請求可能不能及時響應。新線程一啟動又會通過BC_xxx_LOOP告知驅動更新狀態(tài)。這樣只要線程沒有耗盡，總是有空閑線程在等待隊列中隨時待命，及時處理請求。 關于工作線程的啟動，Binder驅動還做了一點小小的優(yōu)化。當進程P1的線程T1向進程P2發(fā)送請求時，驅動會先查看一下線程T1是否也正在處理來自P2某個線程請求但尚未完成（沒有發(fā)送回復）。這種情況通常發(fā)生在兩個進程都有Binder實體并互相對發(fā)時請求時。假如驅動在進程P2中發(fā)現(xiàn)了這樣的線程，比如說T2，就會要求T2來處理T1的這次請求。因為T2既然向T1發(fā)送了請求尚未得到返回包，說明T2肯定（或將會）阻塞在讀取返回包的狀態(tài)。這時候可以讓T2順便做點事情，總比等在那里閑著好。而且如果T2不是線程池中的線程還可以為線程池分擔部分工作，減少線程池使用率。 8 數(shù)據(jù)包接收隊列與（線程）等待隊列管理通常數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮斩擞袃蓚€隊列：數(shù)據(jù)包接收隊列和（線程）等待隊列，用以緩解供需矛盾。當超市里的進貨（數(shù)據(jù)包）太多，貨物會堆積在倉庫里；購物的人（線程）太多，會排隊等待在收銀臺，道理是一樣的。在驅動中，每個進程有一個全局的接收隊列，也叫to-do隊列，存放不是發(fā)往特定線程的數(shù)據(jù)包；相應地有一個全局等待隊列，所有等待從全局接收隊列里收數(shù)據(jù)的線程在該隊列里排隊。每個線程有自己私有的to-do隊列，存放發(fā)送給該線程的數(shù)據(jù)包；相應的每個線程都有各自私有等待隊列，專門用于本線程等待接收自己to-do隊列里的數(shù)據(jù)。雖然名叫隊列，其實線程私有等待隊列中最多只有一個線程，即它自己。 由于發(fā)送時沒有特別標記，驅動怎么判斷哪些數(shù)據(jù)包該送入全局to-do隊列，哪些數(shù)據(jù)包該送入特定線程的to-do隊列呢？這里有兩條規(guī)則。規(guī)則1：Client發(fā)給Server的請求數(shù)據(jù)包都提交到Server進程的全局to-do隊列。不過有個特例，就是上節(jié)談到的Binder對工作線程啟動的優(yōu)化。經過優(yōu)化，來自T1的請求不是提交給P2的全局to-do隊列，而是送入了T2的私有to-do隊列。規(guī)則2：對同步請求的返回數(shù)據(jù)包（由BC_REPLY發(fā)送的包）都發(fā)送到發(fā)起請求的線程的私有to-do隊列中。如上面的例子，如果進程P1的線程T1發(fā)給進程P2的線程T2的是同步請求，那么T2返回的數(shù)據(jù)包將送進T1的私有to-do隊列而不會提交到P1的全局to-do隊列。 數(shù)據(jù)包進入接收隊列的潛規(guī)則也就決定了線程進入等待隊列的潛規(guī)則，即一個線程只要不接收返回數(shù)據(jù)包則應該在全局等待隊列中等待新任務，否則就應該在其私有等待隊列中等待Server的返回數(shù)據(jù)。還是上面的例子，T1在向T2發(fā)送同步請求后就必須等待在它私有等待隊列中，而不是在P1的全局等待隊列中排隊，否則將得不到T2的返回的數(shù)據(jù)包。 這些潛規(guī)則是驅動對Binder通信雙方施加的限制條件，體現(xiàn)在應用程序上就是同步請求交互過程中的線程一致性：1) Client端，等待返回包的線程必須是發(fā)送請求的線程，而不能由一個線程發(fā)送請求包，另一個線程等待接收包，否則將收不到返回包；2) Server端，發(fā)送對應返回數(shù)據(jù)包的線程必須是收到請求數(shù)據(jù)包的線程，否則返回的數(shù)據(jù)包將無法送交發(fā)送請求的線程。這是因為返回數(shù)據(jù)包的目的Binder不是用戶指定的，而是驅動記錄在收到請求數(shù)據(jù)包的線程里，如果發(fā)送返回包的線程不是收到請求包的線程驅動將無從知曉返回包將送往何處。 接下來探討一下Binder驅動是如何遞交同步交互和異步交互的。我們知道，同步交互和異步交互的區(qū)別是同步交互的請求端（client）在發(fā)出請求數(shù)據(jù)包后須要等待應答端（Server）的返回數(shù)據(jù)包，而異步交互的發(fā)送端發(fā)出請求數(shù)據(jù)包后交互即結束。對于這兩種交互的請求數(shù)據(jù)包，驅動可以不管三七二十一，統(tǒng)統(tǒng)丟到接收端的to-do隊列中一個個處理。但驅動并沒有這樣做，而是對異步交互做了限流，令其為同步交互讓路，具體做法是：對于某個Binder實體，只要有一個異步交互沒有處理完畢，例如正在被某個線程處理或還在任意一條to-do隊列中排隊，那么接下來發(fā)給該實體的異步交互包將不再投遞到to-do隊列中，而是阻塞在驅動為該實體開辟的異步交互接收隊列（Binder節(jié)點的async_todo域）中，但這期間同步交互依舊不受限制直接進入to-do隊列獲得處理。一直到該異步交互處理完畢下一個異步交互方可以脫離異步交互隊列進入to-do隊列中。之所以要這么做是因為同步交互的請求端需要等待返回包，必須迅速處理完畢以免影響請求端的響應速度，而異步交互屬于‘發(fā)射后不管’，稍微延時一點不會阻塞其它線程。所以用專門隊列將過多的異步交互暫存起來，以免突發(fā)大量異步交互擠占Server端的處理能力或耗盡線程池里的線程，進而阻塞同步交互。 9 總結Binder使用Client-Server通信方式，安全性好，簡單高效，再加上其面向對象的設計思想，獨特的接收緩存管理和線程池管理方式，成為Android進程間通信的中流砥柱。 |
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