Android跨进程通信:binder机制原理
个人阅读收获
通过binder驱动我们可以减少一次io操作,从而减少了我们进程通信的花费的资源,加快了进程间通信的速度。我们使用到了Linux的mmap()操作,从而实现了进程间的接收缓存区与进程的空间区的映射,从而少了一次io操作。我们的客户端会发送信息通过我们io操作讲文件发送到内核缓存区,因为上述说到 我们在注册服务的时候我们已经将,内核缓存区和用户空间,交换缓存区已经进行了映射操作了。
还有一点就是我们平时binder通信中,返回的binder对象,其实是binder的一个代理对象,而真正的binder实体是永存在内核空间当中的,这一点是刚获。
前言
- 如果你接触过 跨进程通信 (
IPC
),那么你对Binder
一定不陌生 - 虽然 网上有很多介绍
Binder
的文章,可是存在一些问题:浅显的讨论Binder
机制 或 一味讲解Binder
源码、逻辑不清楚,最终导致的是读者们还是无法形成一个完整的Binder
概念 - 本文采用 清晰的图文讲解方式,按照 大角度 -> 小角度 去分析
Binder
,即:- 先从 机制、模型的角度 去分析 整个
Binder
跨进程通信机制的模型 - 再 从源码实现角度,分析
Binder
在Android
中的具体实现
- 先从 机制、模型的角度 去分析 整个
从而全方位地介绍 Binder
,希望你们会喜欢。
请尽量在PC端而不要在移动端看,否则图片可能看不清。
目录
1. Binder到底是什么?
- 中文即 粘合剂,意思为粘合了两个不同的进程
-
网上有很多对
Binder
的定义,但都说不清楚:Binder
是跨进程通信方式、它实现了IBinder
接口,是连接ServiceManager
的桥梁blabla,估计大家都看晕了,没法很好的理解 -
我认为:对于
Binder
的定义,在不同场景下其定义不同
在本文的讲解中,按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder
,即:
- 先从 机制、模型的角度 去分析 整个
Binder
跨进程通信机制的模型其中,会详细分析模型组成中的
Binder
驱动 - 再 从源码实现角度,分析
Binder
在Android
中的具体实现
从而全方位地介绍 Binder
,希望你们会喜欢。
2. 知识储备
在讲解Binder
前,我们先了解一些Linux
的基础知识
2.1 进程空间划分
- 一个进程空间分为 用户空间 & 内核空间(
Kernel
),即把进程内 用户 & 内核 隔离开来 -
二者区别:
- 进程间,用户空间的数据不可共享,所以用户空间 = 不可共享空间
- 进程间,内核空间的数据可共享,所以内核空间 = 可共享空间
所有进程共用1个内核空间
-
进程内 用户空间 & 内核空间 进行交互 需通过 系统调用,主要通过函数:
- copy_from_user():将用户空间的数据拷贝到内核空间
- copy_to_user():将内核空间的数据拷贝到用户空间
2.2 进程隔离 & 跨进程通信( IPC )
-
进程隔离
为了保证 安全性 & 独立性,一个进程 不能直接操作或者访问另一个进程,即Android
的进程是相互独立、隔离的 -
跨进程通信(
IPC
)
即进程间需进行数据交互、通信 -
跨进程通信的基本原理
a. 而
Binder
的作用则是:连接 两个进程,实现了mmap()系统调用,主要负责 创建数据接收的缓存空间 & 管理数据接收缓存
b. 注:传统的跨进程通信需拷贝数据2次,但Binder
机制只需1次,主要是使用到了内存映射,具体下面会详细说明
2.5 内存映射
具体请看文章:操作系统:图文详解 内存映射
3. Binder 跨进程通信机制 模型
3.1 模型原理图
Binder
跨进程通信机制 模型 基于 Client - Server
模式
3.2 模型组成角色说明
此处重点讲解 Binder
驱动的作用 & 原理:
- 简介
- 跨进程通信的核心原理
关于其核心原理:内存映射,具体请看文章:操作系统:图文详解 内存映射
3.3 模型原理步骤说明
3.4 额外说明
说明1:Client
进程、Server
进程 & Service Manager
进程之间的交互 都必须通过Binder
驱动(使用 open
和 ioctl
文件操作函数),而非直接交互
原因:
1. Client
进程、Server
进程 & Service Manager
进程属于进程空间的用户空间,不可进行进程间交互
2. Binder
驱动 属于 进程空间的 内核空间,可进行进程间 & 进程内交互
所以,原理图可表示为以下:
虚线表示并非直接交互
说明2: Binder
驱动 & Service Manager
进程 属于 Android
基础架构(即系统已经实现好了);而Client
进程 和 Server
进程 属于Android
应用层(需要开发者自己实现)
所以,在进行跨进程通信时,开发者只需自定义Client
& Server
进程 并 显式使用上述3个步骤,最终借助 Android
的基本架构功能就可完成进程间通信
说明3:Binder请求的线程管理
-
Server
进程会创建很多线程来处理Binder
请求 -
Binder
模型的线程管理 采用Binder
驱动的线程池,并由Binder
驱动自身进行管理而不是由
Server
进程来管理的 -
一个进程的
Binder
线程数默认最大是16,超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。所以,在进程间通信时处理并发问题时,如使用
ContentProvider
时,它的CRUD
(创建、检索、更新和删除)方法只能同时有16个线程同时工作
-
至此,我相信大家对
Binder
跨进程通信机制 模型 已经有了一个非常清晰的定性认识 - 下面,我将通过一个实例,分析
Binder
跨进程通信机制 模型在Android
中的具体代码实现方式即分析 上述步骤在
Android
中具体是用代码如何实现的
4. Binder机制 在Android中的具体实现原理
-
Binder
机制在Android
中的实现主要依靠Binder
类,其实现了IBinder
接口下面会详细说明
-
实例说明:
Client
进程 需要调用Server
进程的加法函数(将整数a和b相加)即:
-
Client
进程 需要传两个整数给Server
进程 -
Server
进程 需要把相加后的结果 返回给Client
进程
-
-
具体步骤
下面,我会根据Binder
跨进程通信机制 模型的步骤进行分析
步骤1:注册服务
- 过程描述
Server
进程 通过Binder
驱动 向Service Manager
进程 注册服务 -
代码实现
Server
进程 创建 一个Binder
对象-
Binder
实体是Server
进程 在Binder
驱动中的存在形式 - 该对象保存
Server
和ServiceManager
的信息(保存在内核空间中) -
Binder
驱动通过 内核空间的Binder
实体 找到用户空间的Server
对象
-
-
代码分析
Binder binder = new Stub();
// 步骤1:创建Binder对象 ->>分析1
// 步骤2:创建 IInterface 接口类 的匿名类
// 创建前,需要预先定义 继承了IInterface 接口的接口 -->分析3
IInterface plus = new IPlus(){
// 确定Client进程需要调用的方法
public int add(int a,int b) {
return a+b;
}
// 实现IInterface接口中唯一的方法
public IBinder asBinder(){
return null ;
}
};
// 步骤3
binder.attachInterface(plus,"add two int");
// 1. 将(add two int,plus)作为(key,value)对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
// 2. 之后,Binder对象 可根据add two int通过queryLocalIInterface()获得对应IInterface对象(即plus)的引用,可依靠该引用完成对请求方法的调用
// 分析完毕,跳出
<-- 分析1:Stub类 -->
public class Stub extends Binder {
// 继承自Binder类 ->>分析2
// 复写onTransact()
@Override
boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
// 具体逻辑等到步骤3再具体讲解,此处先跳过
switch (code) {
case Stub.add: {
data.enforceInterface("add two int");
int arg0 = data.readInt();
int arg1 = data.readInt();
int result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0, arg1);
reply.writeInt(result);
return true;
}
}
return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}
// 回到上面的步骤1,继续看步骤2
<-- 分析2:Binder 类 -->
public class Binder implement IBinder{
// Binder机制在Android中的实现主要依靠的是Binder类,其实现了IBinder接口
// IBinder接口:定义了远程操作对象的基本接口,代表了一种跨进程传输的能力
// 系统会为每个实现了IBinder接口的对象提供跨进程传输能力
// 即Binder类对象具备了跨进程传输的能力
void attachInterface(IInterface plus, String descriptor);
// 作用:
// 1. 将(descriptor,plus)作为(key,value)对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
// 2. 之后,Binder对象 可根据descriptor通过queryLocalIInterface()获得对应IInterface对象(即plus)的引用,可依靠该引用完成对请求方法的调用
IInterface queryLocalInterface(Stringdescriptor) ;
// 作用:根据 参数 descriptor 查找相应的IInterface对象(即plus引用)
boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags);
// 定义:继承自IBinder接口的
// 作用:执行Client进程所请求的目标方法(子类需要复写)
// 参数说明:
// code:Client进程请求方法标识符。即Server进程根据该标识确定所请求的目标方法
// data:目标方法的参数。(Client进程传进来的,此处就是整数a和b)
// reply:目标方法执行后的结果(返回给Client进程)
// 注:运行在Server进程的Binder线程池中;当Client进程发起远程请求时,远程请求会要求系统底层执行回调该方法
final class BinderProxy implements IBinder {
// 即Server进程创建的Binder对象的代理对象类
// 该类属于Binder的内部类
}
// 回到分析1原处
}
<-- 分析3:IInterface接口实现类 -->
public interface IPlus extends IInterface {
// 继承自IInterface接口->>分析4
// 定义需要实现的接口方法,即Client进程需要调用的方法
public int add(int a,int b);
// 返回步骤2
}
<-- 分析4:IInterface接口类 -->
// 进程间通信定义的通用接口
// 通过定义接口,然后再服务端实现接口、客户端调用接口,就可实现跨进程通信。
public interface IInterface
{
// 只有一个方法:返回当前接口关联的 Binder 对象。
public IBinder asBinder();
}
// 回到分析3原处
注册服务后,Binder
驱动持有 Server
进程创建的Binder
实体
步骤2:获取服务
-
Client
进程 使用 某个service
前(此处是 相加函数),须 通过Binder
驱动 向ServiceManager
进程 获取相应的Service
信息 - 具体代码实现过程如下:
此时,Client
进程与 Server
进程已经建立了连接
步骤3:使用服务
Client
进程 根据获取到的 Service
信息(Binder
代理对象),通过Binder
驱动 建立与 该Service
所在Server
进程通信的链路,并开始使用服务
-
过程描述
-
Client
进程 将参数(整数a和b)发送到Server
进程 -
Server
进程 根据Client
进程要求调用 目标方法(即加法函数) -
Server
进程 将目标方法的结果(即加法后的结果)返回给Client
进程
-
-
代码实现过程
步骤1: Client
进程 将参数(整数a和b)发送到Server
进程
// 1. Client进程 将需要传送的数据写入到Parcel对象中
// data = 数据 = 目标方法的参数(Client进程传进来的,此处就是整数a和b) + IInterface接口对象的标识符descriptor
android.os.Parcel data = android.os.Parcel.obtain();
data.writeInt(a);
data.writeInt(b);
data.writeInterfaceToken("add two int");;
// 方法对象标识符让Server进程在Binder对象中根据"add two int"通过queryLocalIInterface()查找相应的IInterface对象(即Server创建的plus),Client进程需要调用的相加方法就在该对象中
android.os.Parcel reply = android.os.Parcel.obtain();
// reply:目标方法执行后的结果(此处是相加后的结果)
// 2. 通过 调用代理对象的transact() 将 上述数据发送到Binder驱动
binderproxy.transact(Stub.add, data, reply, 0)
// 参数说明:
// 1. Stub.add:目标方法的标识符(Client进程 和 Server进程 自身约定,可为任意)
// 2. data :上述的Parcel对象
// 3. reply:返回结果
// 0:可不管
// 注:在发送数据后,Client进程的该线程会暂时被挂起
// 所以,若Server进程执行的耗时操作,请不要使用主线程,以防止ANR
// 3. Binder驱动根据 代理对象 找到对应的真身Binder对象所在的Server 进程(系统自动执行)
// 4. Binder驱动把 数据 发送到Server 进程中,并通知Server 进程执行解包(系统自动执行)
步骤2:Server
进程根据Client
进要求 调用 目标方法(即加法函数)
// 1. 收到Binder驱动通知后,Server 进程通过回调Binder对象onTransact()进行数据解包 & 调用目标方法
public class Stub extends Binder {
// 复写onTransact()
@Override
boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
// code即在transact()中约定的目标方法的标识符
switch (code) {
case Stub.add: {
// a. 解包Parcel中的数据
data.enforceInterface("add two int");
// a1. 解析目标方法对象的标识符
int arg0 = data.readInt();
int arg1 = data.readInt();
// a2. 获得目标方法的参数
// b. 根据"add two int"通过queryLocalIInterface()获取相应的IInterface对象(即Server创建的plus)的引用,通过该对象引用调用方法
int result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0, arg1);
// c. 将计算结果写入到reply
reply.writeInt(result);
return true;
}
}
return super.onTransact(code, data, reply, flags);
// 2. 将结算结果返回 到Binder驱动
步骤3:Server
进程 将目标方法的结果(即加法后的结果)返回给Client
进程
// 1. Binder驱动根据 代理对象 沿原路 将结果返回 并通知Client进程获取返回结果
// 2. 通过代理对象 接收结果(之前被挂起的线程被唤醒)
binderproxy.transact(Stub.ADD, data, reply, 0);
reply.readException();;
result = reply.readInt();
}
}
- 总结
下面,我用一个原理图 & 流程图来总结步骤3的内容
5. 优点
对比 Linux
(Android
基于Linux
)上的其他进程通信方式(管道、消息队列、共享内存、
信号量、Socket
),Binder
机制的优点有:
6. 总结
- 本文主要详细讲解 跨进程通信模型
Binder
机制 ,总结如下:
特别地,对于从模型结构组成的Binder驱动来说:
- 整个
Binder
模型的原理步骤 & 源码分析