红茶一杯话Binder（初始篇）

来源：互联网发布：java list清空编辑：程序博客网时间：2024/04/27 15:43

1 什么是Binder？

简单地说，Binder是Android平台上的一种跨进程交互技术。该技术最早并不是由Google公司提出的，它的前身是Be Inc公司开发的OpenBinder，而且在Palm中也有应用。后来OpenBinder的作者Dianne Hackborn加入了Google公司，并负责Android平台的开发工作，所以把这项技术也带进了Android。

我们知道，在Android的应用层次上，基本上已经没有过去的进程概念了。然而在实现层次，它毕竟还是要建构在一个个进程之上的。实际上，在Android内部，那些支撑应用的组件往往会身处于不同的进程，那么应用的底层必然会牵涉大量的跨进程通信。为了保证通信的高效性，Android提供了Binder机制。

Binder机制具有两层含义：
1）是一种跨进程通信手段（IPC，Inter-Process Communication）。
2）是一种远程过程调用手段（RPC，Remote Procedure Call）。

从实现的角度来说，Binder核心被实现成一个Linux驱动程序，并运行于内核态。这样它才能具有强大的跨进程访问能力。

1.1 简述Binder的跨进程机制

为了理解Binder，我们可以先画一张最简单的跨进程通信示意图：

初始篇001

这个很容易理解，不需赘言。到了Android平台上，IPC机制就变成了Binder机制，情况类似，只不过为了便于说明问题，我们需要稍微调整一下示意图：

初始篇002

图中A侧的圆形块，表示“Binder代理方”，主要用于向远方发送语义，而B侧的方形块则表示“Binder响应方”，主要用于响应语义。需要说明的是，这种图形表示方法是我自己杜撰的，并没有正规的出处。我个人觉得这种图形非常简便，所以在分析Android架构时，会经常使用这种表示法。

在后文中，我们可以看到，Binder代理方大概对应于C++层次的BpBinder对象，而Binder响应方则对应于BBinder对象。这两个对象在后文会详细阐述，此处不必太细究。

然而，上图的Binder代理方主要只负责了“传递信息”的工作，并没有起到“远程过程调用”的作用，如果要支持远程过程调用，我们还必须提供“接口代理方”和“接口实现体”。这样，我们的示意图就需要再调整一下，如下：

初始篇003

从图中可以看到，A进程并不直接和BpBinder（Binder代理）打交道，而是通过调用BpInterface（接口代理）的成员函数来完成远程调用的。此时，BpBinder已经被聚合进BpInterface了，它在BpInterface内部完成了一切跨进程的机制。另一方面，与BpInterface相对的响应端实体就是BnInterface（接口实现）了。需要注意的是，BnInterface是继承于BBinder的，它并没有采用聚合的方式来包含一个BBinder对象，所以上图中B侧的BnInterface块和BBinder块的背景图案是相同的。

这样看来，对于远程调用的客户端而言，主要搞的就是两个东西，一个是“Binder代理”，一个是“接口代理”。而服务端主要搞的则是“接口实现体”。因为binder是一种跨进程通信机制，所以还需要一个专门的管理器来为通信两端牵线搭桥，这个管理器就是Service Manager Service。不过目前我们可以先放下Service Manager Service，以后再详细研究。

2 Binder相关接口和类

Android的整个跨进程通信机制都是基于Binder的，这种机制不但会在底层使用，也会在上层使用，所以必须提供Java和C++两个层次的支持。

2.1 Java层次的binder元素

Java层次里并没有我们前文图中所表示的BpBinder、BpInterface、BBinder等较低层次的概念，取而代之的是IBinder接口、IInterface等接口。Android要求所有的Binder实体都必须实现IBinder接口，该接口的定义截选如下：

【frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java】

public interface IBinder {    . . . . . .    public String getInterfaceDescriptor() throws RemoteException;    public boolean pingBinder();    public boolean isBinderAlive();    public IInterface queryLocalInterface(String descriptor);    public void dump(FileDescriptor fd, String[] args) throws RemoteException;    public void dumpAsync(FileDescriptor fd, String[] args) throws RemoteException;    public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)throws RemoteException;        public interface DeathRecipient     {        public void binderDied();    }    public void linkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags)throws RemoteException;    public boolean unlinkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags);}

另外，不管是代理方还是实体方，都必须实现IInterface接口：

public interface IInterface{    public IBinder asBinder();}

Java层次中，与Binder相关的接口或类的继承关系如下：

初始篇004

在实际使用中，我们并不需要编写上图的XXXXNative、XXXXProxy，它们会由ADT根据我们编写的aidl脚本自动生成。用户只需继承XXXXNative编写一个具体的XXXXService即可，这个XXXXService就是远程通信的服务实体类，而XXXXProxy则是其对应的代理类。

关于Java层次的binder组件，我们就先说这么多，主要是先介绍一个大概。就研究跨进程通信而言，其实质内容基本上都在C++层次，Java层次只是一个壳而已。以后我会写专文来打通Java层次和C++层次，看看它们是如何通过JNI技术关联起来的。现在我们还是把注意力集中在C++层次吧。

2.2 C++层次的binder元素

在C++层次，就能看到我们前文所说的BpBinder类和BBinder类了。这两个类都继承于IBinder，IBinder的定义截选如下：

【frameworks/native/include/binder/IBinder.h】

class IBinder : public virtual RefBase{public:    . . . . . .    IBinder();    virtual sp<IInterface>  queryLocalInterface(const String16& descriptor);    virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const = 0;    virtual bool            isBinderAlive() const = 0;    virtual status_t        pingBinder() = 0;    virtual status_t        dump(int fd, const Vector<String16>& args) = 0;    virtual status_t        transact(uint32_t code, const Parcel& data,                                     Parcel* reply, uint32_t flags = 0) = 0;    class DeathRecipient : public virtual RefBase    {    public:        virtual void binderDied(const wp<IBinder>& who) = 0;    };    virtual status_t        linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,                                        void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0) = 0;    virtual status_t        unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,                                          void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,                                          wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL) = 0;    virtual bool            checkSubclass(const void* subclassID) const;        typedef void (*object_cleanup_func)(const void* id, void* obj, void* cleanupCookie);    virtual void            attachObject(const void* objectID, void* object,                                         void* cleanupCookie, object_cleanup_func func) = 0;    virtual void*           findObject(const void* objectID) const = 0;    virtual void            detachObject(const void* objectID) = 0;    virtual BBinder*        localBinder();    virtual BpBinder*       remoteBinder();protected:    virtual          ~IBinder();private:};

C++层次的继承关系图如下：

初始篇005

其中有以下几个很关键的类：

BpBinder
BpInterface
BBinder
BnInterface

它们扮演着很重要的角色。

2.2.1 BpBinder

BpBinder的定义截选如下：

class BpBinder : public IBinder{public:BpBinder(int32_t handle);    inline  int32_t     handle() const { return mHandle; }    virtual const String16&    getInterfaceDescriptor() const;    virtual bool        isBinderAlive() const;    virtual status_t    pingBinder();    virtual status_t    dump(int fd, const Vector<String16>& args);    virtual status_t    transact(uint32_t code, const Parcel& data,                                    Parcel* reply, uint32_t flags = 0);    virtual status_t    linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,                                    void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0);    virtual status_t    unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,                                            void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,                                            wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);. . . . . .. . . . . .

作为代理端的核心，BpBinder最重要的职责就是实现跨进程传输的传输机制，至于具体传输的是什么语义，它并不关心。我们观察它的transact()函数的参数，可以看到所有的语义都被打包成Parcel了。其他的成员函数，我们先不深究，待我们储备了足够的基础知识后，再回过头研究它们不迟。

2.2.2 BpInterface

另一个重要的类是BpInterface，它的定义如下：

template<typename INTERFACE>class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase{public:BpInterface(const sp<IBinder>& remote);protected:    virtual IBinder*     onAsBinder();};

其基类BpRefBase的定义如下：

class BpRefBase : public virtual RefBase{protected:                            BpRefBase(const sp<IBinder>& o);    virtual                 ~BpRefBase();    virtual void            onFirstRef();    virtual void            onLastStrongRef(const void* id);    virtual bool            onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id);    inline  IBinder*        remote()                { return mRemote; }    inline  IBinder*        remote() const          { return mRemote; }private:BpRefBase(const BpRefBase& o);    BpRefBase&              operator=(const BpRefBase& o);    IBinder* const           mRemote;    RefBase::weakref_type*  mRefs;    volatile int32_t         mState;};

BpInterface使用了模板技术，而且因为它继承了BpRefBase，所以先天上就聚合了一个mRemote成员，这个成员记录的就是前面所说的BpBinder对象啦。以后，我们还需要继承BpInterface<>实现我们自己的代理类。

在实际的代码中，我们完全可以创建多个聚合同一BpBinder对象的代理对象，这些代理对象就本质而言，对应着同一个远端binder实体。在Android框架中，常常把指向同一binder实体的多个代理称为token，这样即便这些代理分别处于不同的进程中，它们也具有了某种内在联系。这个知识点需要大家关注。

2.2.3 BBinder

Binder远程通信的目标端实体必须继承于BBinder类，该类和BpBinder相对，主要关心的只是传输方面的东西，不太关心所传输的语义。

class BBinder : public IBinder{public:BBinder();    virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;    virtual bool        isBinderAlive() const;    virtual status_t    pingBinder();    virtual status_t    dump(int fd, const Vector<String16>& args);    virtual status_t    transact(uint32_t code, const Parcel& data,                                      Parcel* reply, uint32_t flags = 0);    virtual status_t    linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,                                    void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0);    virtual status_t    unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,                                            void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,                                            wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);    virtual void        attachObject(const void* objectID, void* object,                                          void* cleanupCookie, object_cleanup_func func);    virtual void*       findObject(const void* objectID) const;    virtual void        detachObject(const void* objectID);    virtual BBinder*    localBinder();protected:    virtual             ~BBinder();    virtual status_t    onTransact(uint32_t code, const Parcel& data,                                        Parcel* reply, uint32_t flags = 0);private:    BBinder(const BBinder& o);    BBinder&    operator=(const BBinder& o);    class Extras;    Extras*     mExtras; void*       mReserved0;};

我们目前只需关心上面的transact()成员函数，其他函数留待以后再分析。transact函数的代码如下：

【frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp】

status_t BBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data,                            Parcel* reply, uint32_t flags){    data.setDataPosition(0);    status_t err = NO_ERROR;    switch (code)     {        case PING_TRANSACTION:            reply->writeInt32(pingBinder());            break;        default:            err = onTransact(code, data, reply, flags);            break;    }    if (reply != NULL)     {        reply->setDataPosition(0);    }    return err;}

看到了吗，transact()内部会调用onTransact()，从而走到用户所定义的子类的onTransact()里。这个onTransact()的一大作用就是解析经由Binder机制传过来的语义了。

2.2.4 BnInterface

远程通信目标端的另一个重要类是BnInterface<>，它是与BpInterface<>相对应的模板类，比较关心传输的语义。一般情况下，服务端并不直接使用BnInterface<>，而是使用它的某个子类。为此，我们需要编写一个新的BnXXX子类，并重载它的onTransact()成员函数。

BnInterface<>的定义如下：

template<typename INTERFACE>class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder{public:    virtual sp<IInterface>      queryLocalInterface(const String16& _descriptor);    virtual const String16&     getInterfaceDescriptor() const;protected:    virtual IBinder*            onAsBinder();};

如上所示，BnInterface<>继承于BBinder，但它并没有实现一个默认的onTransact()成员函数，所以在远程通信时，前文所说的BBinder::transact()调用的onTransact()应该就是BnInterface<>的某个子类的onTransact()成员函数。

2.3 几个重要的C++宏或模板

为了便于编写新的接口和类，Android在C++层次提供了几个重要的宏和模板，比如我们在IInterface.h文件中，可以看到DECLARE_META_INTERFACE、IMPLEMENT_META_INTERFACE的定义。

2.3.1 DECLARE_META_INTERFACE()

DECLARE_META_INTERFACE()的定义如下：

#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               \    static const android::String16 descriptor;                          \    static android::sp<I##INTERFACE> asInterface(                       \            const android::sp<android::IBinder>& obj);                  \    virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;    \    I##INTERFACE();                                                     \    virtual ~I##INTERFACE();                                            \

我们举个实际的例子，来说明如何使用这个宏：

初始篇006

上例中ICamera内部使用了DECLARE_META_INTERFACE(Camera)，我们把宏展开后，可以看到ICamera类的定义相当于：

class ICamera: public IInterface{public:static const android::String16 descriptor;static android::sp<ICamera> asInterface( const android::sp<android::IBinder>& obj);virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;ICamera();virtual ~ICamera();virtual void disconnect() = 0;. . . . . .

宏展开的部分就是中间那5行代码，其中最关键的就是asInterface()函数了，这个函数将承担把BpBinder打包成BpInterface的职责。

2.3.2 IMPLEMENT_META_INTERFACE()

与DECLARE_META_INTERFACE相对的就是IMPLEMENT_META_INTERFACE宏。它的定义如下：

#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \    const android::String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);             \    const android::String16&                                            \            I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {              \        return I##INTERFACE::descriptor;                                \    }                                                                   \    android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(                \            const android::sp<android::IBinder>& obj)                   \    {                                                                   \        android::sp<I##INTERFACE> intr;                                 \        if (obj != NULL) {                                              \            intr = static_cast<I##INTERFACE*>(                          \                obj->queryLocalInterface(                               \                        I##INTERFACE::descriptor).get());               \            if (intr == NULL) {                                         \                intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          \            }                                                           \        }                                                               \        return intr;                                                    \    }                                                                   \    I##INTERFACE::I##INTERFACE() { }                                    \    I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { }                                   \

其中，实现了关键的asInterface()函数。

实际使用IMPLEMENT_META_INTERFACE时，我们只需把它简单地写在binder实体所处的cpp文件中即可，举例如下：

初始篇007

其中的IMPLEMENT_META_INTERFACE(Camera, “android.hardware.ICamera”);一句相当于以下这段代码：

const android::String16 ICamera::descriptor(“android.hardware.ICamera”);const android::String16& ICamera::getInterfaceDescriptor() const {return ICamera::descriptor;}android::sp<ICamera> ICamera::asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj){android::sp<ICamera > intr;if (obj != NULL) {intr = static_cast<ICamera*>(obj->queryLocalInterface(ICamera::descriptor).get());        if (intr == NULL) {            intr = new BpCamera(obj);        }}    return intr;}ICamera::ICamera() { }ICamera::~ICamera () { }

看来，其中重点实现了asInterface()成员函数。请注意，asInterface()函数中会先尝试调用queryLocalInterface()来获取intr。此时，如果asInterface()的obj参数是个代理对象（BpBinder），那么intr = static_cast<ICamera*>(obj->queryLocalInterface(...)一句得到的intr基本上就是NULL啦。这是因为除非用户编写的代理类重载queryLocalInterface()函数，否则只会以默认函数为准。而IBinder类中的默认queryLocalInterface()函数如下：

【frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp】

sp<IInterface>  IBinder::queryLocalInterface(const String16& descriptor){    return NULL;}

另一方面，如果obj参数是个实现体对象（BnInterface对象）的话，那么queryLocalInterface()函数的默认返回值就是实体对象的this指针了，代码如下：

【frameworks/native/include/binder/IInterface.h】

template<typename INTERFACE>inline sp<IInterface> BnInterface<INTERFACE>::queryLocalInterface(const String16& _descriptor){    if (_descriptor == INTERFACE::descriptor)         return this;    return NULL;}

在我们所举的Camera例子中，我们要研究的是如何将BpBinder转成BpInterface，所以现在我们只阐述obj参数为BpBinder的情况。此时asInterface()函数中obj->queryLocalInterface()的返回值为NULL，于是asInterface()会走到new BpCamera(obj)一句，这一句是最关键的一句。我们知道，BpCamera继承于BpInterface<ICamera>，所以此时所创建的BpCamera对象正是可被App使用的BpInterface代理对象。

BpCamera的定义如下：

class BpCamera: public BpInterface<ICamera>{public:    BpCamera(const sp<IBinder>& impl)        : BpInterface<ICamera>(impl)    {    }    // disconnect from camera service    void disconnect()    {        LOGV("disconnect");        Parcel data, reply;        data.writeInterfaceToken(ICamera::getInterfaceDescriptor());        remote()->transact(DISCONNECT, data, &reply);    }. . . . . .

至此，IMPLEMENT_META_INTERFACE宏和asInterface()函数的关系就分析完毕了。

2.3.3 interface_cast

不过，我们经常使用的其实并不是asInterface()函数，而是interface_cast()，它简单包装了asInterface()：

template<typename INTERFACE>inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj){    return INTERFACE::asInterface(obj);}

以上就是关于C++层次中一些binder元素的介绍，下面我们再进一步分析其他细节。

3 ProcessState

前文我们已经提到过，在Android的上层架构中，已经大幅度地弱化了进程的概念。应用程序员能看到的主要是activity、service、content provider等概念，再也找不到以前熟悉的main()函数了。然而，底层程序（C++层次）毕竟还是得跑在一个个进程之上，现在我们就来看底层进程是如何运用Binder机制来完成跨进程通信的。

在每个进程中，会有一个全局的ProcessState对象。这个很容易理解，ProcessState的字面意思不就是“进程状态”吗，当然应该是每个进程一个ProcessState。ProcessState的定义位于frameworks/native/include/binder/ProcessState.h中，我们只截选其中的一部分：

class ProcessState : public virtual RefBase{public:    static  sp<ProcessState>    self();    . . . . . .    void                startThreadPool();    . . . . . .    void                spawnPooledThread(bool isMain);    status_t            setThreadPoolMaxThreadCount(size_t maxThreads);private:    friend class IPCThreadState;    . . . . . .        struct handle_entry     {        IBinder* binder;        RefBase::weakref_type* refs;    };    handle_entry*       lookupHandleLocked(int32_t handle);    int                 mDriverFD;    void*               mVMStart;    mutable Mutex       mLock;  // protects everything below.        Vector<handle_entry> mHandleToObject;    . . . . . .    KeyedVector<String16, sp<IBinder> > mContexts;    . . . . . .};

我们知道，Binder内核被设计成一个驱动程序，所以ProcessState里专门搞了个mDriverFD域，来记录binder驱动对应的句柄值，以便随时和binder驱动通信。ProcessState对象采用了典型的单例模式，在一个应用进程中，只会有唯一的一个ProcessState对象，它将被进程中的多个线程共用，因此每个进程里的线程其实是共用所打开的那个驱动句柄（mDriverFD）的，示意图如下：

初始篇008

每个进程基本上都是这样的结构，组合起来的示意图就是：

初始篇009

我们常见的使用ProcessState的代码如下：

int main(int argc, char** argv){    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());    . . . . . .    . . . . . .    ProcessState::self()->startThreadPool();    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();}

因为ProcessState采用的是单例模式，所以它的构造函数是private的，我们只能通过调用ProcessState::self()来获取进程中唯一的一个ProcessState对象。self()函数的代码如下：

sp<ProcessState> ProcessState::self(){    Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);    if (gProcess != NULL) {        return gProcess;    }    gProcess = new ProcessState;    return gProcess;}

ProcessState对象构造之时，就会打开binder驱动：

ProcessState::ProcessState()    : mDriverFD(open_driver())     // 打开binder驱动。    , mVMStart(MAP_FAILED)    , mManagesContexts(false)    , mBinderContextCheckFunc(NULL)    , mBinderContextUserData(NULL)    , mThreadPoolStarted(false)    , mThreadPoolSeq(1){    . . . . . .    mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);    . . . . . .    }

注意上面那句mDriverFD(open_driver())，其中的open_driver()就负责打开“/dev/binder”驱动：

static int open_driver(){    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);    . . . . . .    status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);    . . . . . .    size_t maxThreads = 15;    result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);    . . . . . .    return fd;}

ProcessState中另一个比较有意思的域是mHandleToObject：

Vector<handle_entry> mHandleToObject;

它是本进程中记录所有BpBinder的向量表噢，非常重要。我们前文已经说过，BpBinder是代理端的核心，现在终于看到它的藏身之处了。在Binder架构中，应用进程是通过“binder句柄”来找到对应的BpBinder的。从这张向量表中我们可以看到，那个句柄值其实对应着这个向量表的下标。这张表的子项类型为handle_entry，定义如下：

struct handle_entry {    IBinder* binder;    RefBase::weakref_type* refs;};

其中的binder域，记录的就是BpBinder对象。

初始篇010

Ok，有关Binder的初步知识，我们就先说这么多。我也不想一下子把所有的信息都塞到一篇文章中，所以打算把更多技术细节安排到其他文章中阐述，呵呵，这需要一点儿时间。

https://my.oschina.net/youranhongcha/blog/149575

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0 0