概述

最近在學(xué)習(xí)Binder機(jī)制，在網(wǎng)上查閱了大量的資料，也看了老羅的Binder系列的博客和Innost的深入理解Binder系列的博客，都是從底層開始講的，全是C代碼，雖然之前學(xué)過(guò)C和C++，然而各種函數(shù)之間花式跳轉(zhuǎn)，看的我都懷疑人生。毫不夸張的講每看一遍都是新的內(nèi)容，跟沒(méi)看過(guò)一樣。后來(lái)又看到了Gityuan的博客看到了一些圖解仿佛發(fā)現(xiàn)了新大陸。

下面就以圖解的方式介紹下Binder機(jī)制，相信你看這篇文章，一定有所收獲。

什么是 Binder？

Binder是Android系統(tǒng)中進(jìn)程間通訊（IPC）的一種方式，也是Android系統(tǒng)中最重要的特性之一。Android中的四大組件Activity，Service，Broadcast，ContentProvider，不同的App等都運(yùn)行在不同的進(jìn)程中，它是這些進(jìn)程間通訊的橋梁。正如其名“粘合劑”一樣，它把系統(tǒng)中各個(gè)組件粘合到了一起，是各個(gè)組件的橋梁。

理解Binder對(duì)于理解整個(gè)Android系統(tǒng)有著非常重要的作用，如果對(duì)Binder不了解，就很難對(duì)Android系統(tǒng)機(jī)制有更深入的理解。

1. Binder 架構(gòu)

• Binder 通信采用 C/S 架構(gòu)，從組件視角來(lái)說(shuō)，包含 Client、 Server、 ServiceManager 以及 Binder 驅(qū)動(dòng)，其中 ServiceManager 用于管理系統(tǒng)中的各種服務(wù)。
• Binder 在 framework 層進(jìn)行了封裝，通過(guò) JNI 技術(shù)調(diào)用 Native（C/C++）層的 Binder 架構(gòu)。
• Binder 在 Native 層以 ioctl 的方式與 Binder 驅(qū)動(dòng)通訊。

2. Binder 機(jī)制

• 首先需要注冊(cè)服務(wù)端，只有注冊(cè)了服務(wù)端，客戶端才有通訊的目標(biāo)，服務(wù)端通過(guò) ServiceManager 注冊(cè)服務(wù)，注冊(cè)的過(guò)程就是向 Binder 驅(qū)動(dòng)的全局鏈表 binder_procs 中插入服務(wù)端的信息（binder_proc 結(jié)構(gòu)體，每個(gè) binder_proc 結(jié)構(gòu)體中都有 todo 任務(wù)隊(duì)列），然后向 ServiceManager 的 svcinfo 列表中緩存一下注冊(cè)的服務(wù)。

• 有了服務(wù)端，客戶端就可以跟服務(wù)端通訊了，通訊之前需要先獲取到服務(wù)，拿到服務(wù)的代理，也可以理解為引用。比如下面的代碼：

  //獲取WindowManager服務(wù)引用
  WindowManager wm = (WindowManager)getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);
  1
  2

  獲取服務(wù)端的方式就是通過(guò) ServiceManager 向 svcinfo 列表中查詢一下返回服務(wù)端的代理，svcinfo 列表就是所有已注冊(cè)服務(wù)的通訊錄，保存了所有注冊(cè)的服務(wù)信息。

• 有了服務(wù)端的引用我們就可以向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求了，通過(guò) BinderProxy 將我們的請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送給 ServiceManager，通過(guò)共享內(nèi)存的方式使用內(nèi)核方法 copy_from_user() 將我們的參數(shù)先拷貝到內(nèi)核空間，這時(shí)我們的客戶端進(jìn)入等待狀態(tài)，然后 Binder 驅(qū)動(dòng)向服務(wù)端的 todo 隊(duì)列里面插入一條事務(wù)，執(zhí)行完之后把執(zhí)行結(jié)果通過(guò) copy_to_user() 將內(nèi)核的結(jié)果拷貝到用戶空間（這里只是執(zhí)行了拷貝命令，并沒(méi)有拷貝數(shù)據(jù)，binder只進(jìn)行一次拷貝），喚醒等待的客戶端并把結(jié)果響應(yīng)回來(lái)，這樣就完成了一次通訊。

怎么樣是不是很簡(jiǎn)單，以上就是 Binder 機(jī)制的主要通訊方式，下面我們來(lái)看看具體實(shí)現(xiàn)。

3. Binder 驅(qū)動(dòng)

我們先來(lái)了解下用戶空間與內(nèi)核空間是怎么交互的。

先了解一些概念

用戶空間/內(nèi)核空間

詳細(xì)解釋可以參考 Kernel Space Definition； 簡(jiǎn)單理解如下：

Kernel space 是 Linux 內(nèi)核的運(yùn)行空間，User space 是用戶程序的運(yùn)行空間。 為了安全，它們是隔離的，即使用戶的程序崩潰了，內(nèi)核也不受影響。

Kernel space 可以執(zhí)行任意命令，調(diào)用系統(tǒng)的一切資源； User space 只能執(zhí)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算，不能直接調(diào)用系統(tǒng)資源，必須通過(guò)系統(tǒng)接口（又稱 system call），才能向內(nèi)核發(fā)出指令。

系統(tǒng)調(diào)用/內(nèi)核態(tài)/用戶態(tài)

雖然從邏輯上抽離出用戶空間和內(nèi)核空間；但是不可避免的的是，總有那么一些用戶空間需要訪問(wèn)內(nèi)核的資源；比如應(yīng)用程序訪問(wèn)文件，網(wǎng)絡(luò)是很常見(jiàn)的事情，怎么辦呢？

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

用戶空間訪問(wèn)內(nèi)核空間的唯一方式就是系統(tǒng)調(diào)用；通過(guò)這個(gè)統(tǒng)一入口接口，所有的資源訪問(wèn)都是在內(nèi)核的控制下執(zhí)行，以免導(dǎo)致對(duì)用戶程序?qū)ο到y(tǒng)資源的越權(quán)訪問(wèn)，從而保障了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。用戶軟件良莠不齊，要是它們亂搞把系統(tǒng)玩壞了怎么辦？因此對(duì)于某些特權(quán)操作必須交給安全可靠的內(nèi)核來(lái)執(zhí)行。

當(dāng)一個(gè)任務(wù)（進(jìn)程）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)，我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)（或簡(jiǎn)稱為內(nèi)核態(tài)）此時(shí)處理器處于特權(quán)級(jí)最高的（0級(jí)）內(nèi)核代碼中執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)（用戶態(tài)）。即此時(shí)處理器在特權(quán)級(jí)最低的（3級(jí)）用戶代碼中運(yùn)行。處理器在特權(quán)等級(jí)高的時(shí)候才能執(zhí)行那些特權(quán)CPU指令。

內(nèi)核模塊/驅(qū)動(dòng)

通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，用戶空間可以訪問(wèn)內(nèi)核空間，那么如果一個(gè)用戶空間想與另外一個(gè)用戶空間進(jìn)行通信怎么辦呢？很自然想到的是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核添加支持；傳統(tǒng)的 Linux 通信機(jī)制，比如 Socket，管道等都是內(nèi)核支持的；但是 Binder 并不是 Linux 內(nèi)核的一部分，它是怎么做到訪問(wèn)內(nèi)核空間的呢？ Linux 的動(dòng)態(tài)可加載內(nèi)核模塊（Loadable Kernel Module，LKM）機(jī)制解決了這個(gè)問(wèn)題；模塊是具有獨(dú)立功能的程序，它可以被單獨(dú)編譯，但不能獨(dú)立運(yùn)行。它在運(yùn)行時(shí)被鏈接到內(nèi)核作為內(nèi)核的一部分在內(nèi)核空間運(yùn)行。這樣，Android系統(tǒng)可以通過(guò)添加一個(gè)內(nèi)核模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間，用戶進(jìn)程之間的通過(guò)這個(gè)模塊作為橋梁，就可以完成通信了。

在 Android 系統(tǒng)中，這個(gè)運(yùn)行在內(nèi)核空間的，負(fù)責(zé)各個(gè)用戶進(jìn)程通過(guò) Binder 通信的內(nèi)核模塊叫做 Binder 驅(qū)動(dòng);

驅(qū)動(dòng)程序一般指的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Device Driver），是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序。相當(dāng)于硬件的接口，操作系統(tǒng)只有通過(guò)這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作；

驅(qū)動(dòng)就是操作硬件的接口，為了支持Binder通信過(guò)程，Binder 使用了一種“硬件”，因此這個(gè)模塊被稱之為驅(qū)動(dòng)。

熟悉了上面這些概念，我們?cè)賮?lái)看下上面的圖，用戶空間中 binder_open(), binder_mmap(), binder_ioctl() 這些方法通過(guò) system call 來(lái)調(diào)用內(nèi)核空間 Binder 驅(qū)動(dòng)中的方法。內(nèi)核空間與用戶空間共享內(nèi)存通過(guò) copy_from_user(), copy_to_user() 內(nèi)核方法來(lái)完成用戶空間與內(nèi)核空間內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸。 Binder驅(qū)動(dòng)中有一個(gè)全局的 binder_procs 鏈表保存了服務(wù)端的進(jìn)程信息。

4. Binder 進(jìn)程與線程

對(duì)于底層Binder驅(qū)動(dòng)，通過(guò) binder_procs 鏈表記錄所有創(chuàng)建的 binder_proc 結(jié)構(gòu)體，binder 驅(qū)動(dòng)層的每一個(gè) binder_proc 結(jié)構(gòu)體都與用戶空間的一個(gè)用于 binder 通信的進(jìn)程一一對(duì)應(yīng)，且每個(gè)進(jìn)程有且只有一個(gè) ProcessState 對(duì)象，這是通過(guò)單例模式來(lái)保證的。在每個(gè)進(jìn)程中可以有很多個(gè)線程，每個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè) IPCThreadState 對(duì)象，IPCThreadState 對(duì)象也是單例模式，即一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè) IPCThreadState 對(duì)象，在 Binder 驅(qū)動(dòng)層也有與之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，那就是 Binder_thread 結(jié)構(gòu)體。在 binder_proc 結(jié)構(gòu)體中通過(guò)成員變量 rb_root threads，來(lái)記錄當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)所有的 binder_thread。

Binder 線程池：每個(gè) Server 進(jìn)程在啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建一個(gè) binder 線程池，并向其中注冊(cè)一個(gè) Binder 線程；之后 Server 進(jìn)程也可以向 binder 線程池注冊(cè)新的線程，或者 Binder 驅(qū)動(dòng)在探測(cè)到?jīng)]有空閑 binder 線程時(shí)主動(dòng)向 Server 進(jìn)程注冊(cè)新的的 binder 線程。對(duì)于一個(gè) Server 進(jìn)程有一個(gè)最大 Binder 線程數(shù)限制，默認(rèn)為16個(gè) binder 線程，例如 Android 的 system_server 進(jìn)程就存在16個(gè)線程。對(duì)于所有 Client 端進(jìn)程的 binder 請(qǐng)求都是交由 Server 端進(jìn)程的 binder 線程來(lái)處理的。

5. ServiceManager 啟動(dòng)

了解了 Binder 驅(qū)動(dòng)，怎么與 Binder 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通訊呢？那就是通過(guò) ServiceManager，好多文章稱 ServiceManager 是 Binder 驅(qū)動(dòng)的守護(hù)進(jìn)程，大管家，其實(shí) ServiceManager 的作用很簡(jiǎn)單就是提供了查詢服務(wù)和注冊(cè)服務(wù)的功能。下面我們來(lái)看一下 ServiceManager 啟動(dòng)的過(guò)程。

• ServiceManager 分為 framework 層和 native 層，framework 層只是對(duì) native 層進(jìn)行了封裝方便調(diào)用，圖上展示的是 native 層的 ServiceManager 啟動(dòng)過(guò)程。

• ServiceManager 的啟動(dòng)是系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)，init 進(jìn)程解析 init.rc 文件調(diào)用 service_manager.c 中的 main() 方法入口啟動(dòng)的。 native 層有一個(gè) binder.c 封裝了一些與 Binder 驅(qū)動(dòng)交互的方法。

• ServiceManager 的啟動(dòng)分為三步，首先打開驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建全局鏈表 binder_procs，然后將自己當(dāng)前進(jìn)程信息保存到 binder_procs 鏈表，最后開啟 loop 不斷的處理共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并處理 BR_xxx 命令（ioctl 的命令，BR 可以理解為 binder reply 驅(qū)動(dòng)處理完的響應(yīng)）。

6. ServiceManager 注冊(cè)服務(wù)

• 注冊(cè) MediaPlayerService 服務(wù)端，我們通過(guò) ServiceManager 的 addService() 方法來(lái)注冊(cè)服務(wù)。

• 首先 ServiceManager 向 Binder 驅(qū)動(dòng)發(fā)送 BC_TRANSACTION 命令（ioctl 的命令，BC 可以理解為 binder client 客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的請(qǐng)求命令）攜帶 ADD_SERVICE_TRANSACTION 命令，同時(shí)注冊(cè)服務(wù)的線程進(jìn)入等待狀態(tài) waitForResponse()。 Binder 驅(qū)動(dòng)收到請(qǐng)求命令向 ServiceManager 的 todo 隊(duì)列里面添加一條注冊(cè)服務(wù)的事務(wù)。事務(wù)的任務(wù)就是創(chuàng)建服務(wù)端進(jìn)程 binder_node 信息并插入到 binder_procs 鏈表中。

• 事務(wù)處理完之后發(fā)送 BR_TRANSACTION 命令，ServiceManager 收到命令后向 svcinfo 列表中添加已經(jīng)注冊(cè)的服務(wù)。最后發(fā)送 BR_REPLY 命令喚醒等待的線程，通知注冊(cè)成功。

7. ServiceManager 獲取服務(wù)

• 獲取服務(wù)的過(guò)程與注冊(cè)類似，相反的過(guò)程。通過(guò) ServiceManager 的 getService() 方法來(lái)注冊(cè)服務(wù)。

• 首先 ServiceManager 向 Binder 驅(qū)動(dòng)發(fā)送 BC_TRANSACTION 命令攜帶 CHECK_SERVICE_TRANSACTION 命令，同時(shí)獲取服務(wù)的線程進(jìn)入等待狀態(tài) waitForResponse()。

• Binder 驅(qū)動(dòng)收到請(qǐng)求命令向 ServiceManager 的發(fā)送 BC_TRANSACTION 查詢已注冊(cè)的服務(wù)，查詢到直接響應(yīng) BR_REPLY 喚醒等待的線程。若查詢不到將與 binder_procs 鏈表中的服務(wù)進(jìn)行一次通訊再響應(yīng)。

8. 進(jìn)行一次完整通訊

• 我們?cè)谑褂?Binder 時(shí)基本都是調(diào)用 framework 層封裝好的方法，AIDL 就是 framework 層提供的傻瓜式是使用方式。假設(shè)服務(wù)已經(jīng)注冊(cè)完，我們來(lái)看看客戶端怎么執(zhí)行服務(wù)端的方法。

• 首先我們通過(guò) ServiceManager 獲取到服務(wù)端的 BinderProxy 代理對(duì)象，通過(guò)調(diào)用 BinderProxy 將參數(shù)，方法標(biāo)識(shí)（例如：TRANSACTION_test，AIDL中自動(dòng)生成）傳給 ServiceManager，同時(shí)客戶端線程進(jìn)入等待狀態(tài)。

• ServiceManager 將用戶空間的參數(shù)等請(qǐng)求數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間，并向服務(wù)端插入一條執(zhí)行執(zhí)行方法的事務(wù)。事務(wù)執(zhí)行完通知 ServiceManager 將執(zhí)行結(jié)果從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間，并喚醒等待的線程，響應(yīng)結(jié)果，通訊結(jié)束。

總結(jié)

好了，這里只是從實(shí)現(xiàn)邏輯上簡(jiǎn)單介紹了下 Binder 機(jī)制的工作原理，想要深入理解 Binder 機(jī)制，還得自己下功夫，看源碼，盡管這個(gè)過(guò)程很痛苦。一遍看不懂就再來(lái)一遍，說(shuō)實(shí)話本人理解能力比較差，跟著博客思路看了不下十遍。努力總會(huì)有收獲，好好欣賞 native 層各方法之間花式跳轉(zhuǎn)的魅力吧。最后你將發(fā)現(xiàn)新世界的大門在向你敞開。

網(wǎng)上資料很多，個(gè)人覺(jué)得比較好的如下：

1. Bander設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2. 老羅的 Android進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制Binder簡(jiǎn)要介紹和學(xué)習(xí)計(jì)劃 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學(xué)習(xí)指南

參考資料

• Binder系列
• Binder學(xué)習(xí)指南

其他系列

• Android 屏幕適配全攻略
• Windows 環(huán)境下載 Android 源碼
• Android 性能優(yōu)化-UI優(yōu)化
• Android 性能優(yōu)化-內(nèi)存優(yōu)化
• Java 虛擬機(jī)內(nèi)存分配機(jī)制
• Java 虛擬機(jī)垃圾回收機(jī)制
• 一篇文章看明白 TCP/IP，TCP，UDP，IP，Socket 之間的關(guān)系
• 一篇文章看明白 HTTP，HTTPS，SSL/TSL 之間的關(guān)系

Gradle 系列

• Gradle - 簡(jiǎn)介
• Gradle - Groovy Language
• Gradle - DSL
• Gradle - Android Plugin DSL
• Gradle - 插件開發(fā)
• Gradle - 插件發(fā)布

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