《深入理解Android 卷III》第二章 深入理解Java Binder和MessageQueue

2015-08-06 15:46 8826人阅读 评论(4) 收藏 举报

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Android开发系列（106） 

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《深入理解Android 卷III》即将发布，作者是张大伟。此书填补了深入理解Android Framework卷中的一个主要空白，即Android Framework中和UI相关的部分。在一个特别讲究颜值的时代，本书分析了Android 4.2中WindowManagerService、ViewRoot、Input系统、StatusBar、Wallpaper等重要“颜值绘制/处理”模块

注意，此处连载的节选是出版社未排版的内容。

第2章 深入理解Java Binder和MessageQueue

本章主要内容：

·  介绍Binder系统的Java层框架

·  介绍MessageQueue

本章所涉及的源代码文件名及位置：

·  IBinder.java

frameworks/base/core/java/Android/os/IBinder.java

·  Binder.java

frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java

·  BinderInternal.java

frameworks/base/core/java/com/android/intenal/os/BinderInternal.java

·  android_util_Binder.cpp

frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

·  SystemServer.java

frameworks/base/services/java/com/android/servers/SystemServer.java

·  ActivityManagerService.java

frameworks/base/services/java/com/android/servers/ActivityManagerService.java

·  ServiceManager.java

frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java

·  ServcieManagerNative.java

frameworks/base/core/java/android/os/ServcieManagerNative.java

·  MessageQueue.java

frameworks/base/core/java/android/os/MessageQueue.java

·  android_os_MessageQueue.cpp

frameworks/base/core/jni/android_os_MessageQueue.cpp

·  Looper.cpp

frameworks/base/native/android/Looper.cpp

·  Looper.h

frameworks/base/include/utils/Looper.h

·  android_app_NativeActivity.cpp

frameworks/base/core/jni/android_app_NativeActivity.cpp

2.1 概述

由于本书所介绍的内容主要是以Java层的系统服务为主，因此Binder相关的应用在本书中比比皆是。而MessageQueue作为Android中重要的任务调度工具，它的使用也是随处可见。所以本书有必要对这两个工具有所介绍。根据邓凡平的同意与推荐，本章由卷II第2章升级到4.2.2而来，并且增加了对AIDL相关的知识点的分析。

以本章作为本书Android分析之旅的开篇，将重点关注两个基础知识点，它们是：

·  Binder系统在Java世界是如何布局和工作的。

·  MessageQueue的新职责。

先来分析Java层中的Binder。

建议 读者先阅读《深入理解Android：卷I》（以下简称“卷I”）的第6章“深入理解Binder”。网上有样章可下载。

2.2 Java层中的Binder分析

2.2.1 Binder架构总览

如果读者读过卷I第6章“深入理解Binder”，相信就不会对Binder架构中代表Client的Bp端及代表Server的Bn端感到陌生。Java层中Binder实际上也是一个C/S架构，而且其在类的命名上尽量保持与Native层一致，因此可认为，Java层的Binder架构是Native层Binder架构的一个镜像。Java层的Binder架构中的成员如图2-1所示。

图 2 - 1 Java层中的Binder家族

由图2-1可知：

·   系统定义了一个IBinder接口类以及DeathRecepient接口。

·  Binder类和BinderProxy类分别实现了IBinder接口。其中Binder类作为服务端的Bn的代表，而BinderProxy作为客户端的Bp的代表。

·  系统中还定义一个BinderInternal类。该类是一个仅供Binder框架使用的类。它内部有一个GcWatcher类，该类专门用于处理和Binder相关的垃圾回收。

·  Java层同样提供一个用于承载通信数据的Parcel类。

注意 IBinder接口类中定义了一个叫FLAG_ONEWAY的整型，该变量的意义非常重要。当客户端利用Binder机制发起一个跨进程的函数调用时，调用方（即客户端）一般会阻塞，直到服务端返回结果。这种方式和普通的函数调用是一样的。但是在调用Binder函数时，在指明了FLAG_ONEWAY标志后，调用方只要把请求发送到Binder驱动即可返回，而不用等待服务端的结果，这就是一种所谓的非阻塞方式。在Native层中，涉及的Binder调用基本都是阻塞的，但是在Java层的framework中，使用FLAG_ONEWAY进行Binder调用的情况非常多，以后经常会碰到。

思考 使用FLAG_ONEWAY进行函数调用的程序在设计上有什么特点？这里简单分析一下：对于使用FLAG_ONEWAY的函数来说，客户端仅向服务端发出了请求，但是并不能确定服务端是否处理了该请求。所以，客户端一般会向服务端注册一个回调（同样是跨进程的Binder调用），一旦服务端处理了该请求，就会调用此回调来通知客户端处理结果。当然，这种回调函数也大多采用FLAG_ONEWAY的方式。

2.2.2 初始化Java层Binder框架

虽然Java层Binder系统是Native层Binder系统的一个Mirror，但这个Mirror终归还需借助Native层Binder系统来开展工作，即Mirror和Native层Binder有着千丝万缕的关系，一定要在Java层Binder正式工作之前建立这种关系。下面分析Java层Binder框架是如何初始化的。

在Android系统中，在Java初创时期，系统会提前注册一些JNI函数，其中有一个函数专门负责搭建Java Binder和Native Binder交互关系，该函数是register_android_os_Binder，代码如下：

[android_util_Binder.cpp-->register_android_os_Binder()]

int register_android_os_Binder(JNIEnv* env)

{

    // 初始化Java Binder类和Native层的关系

    if(int_register_android_os_Binder(env) < 0)

       return -1;

    // 初始化Java BinderInternal类和Native层的关系

    if(int_register_android_os_BinderInternal(env) < 0)

       return -1;

    // 初始化Java BinderProxy类和Native层的关系

    if(int_register_android_os_BinderProxy(env) < 0)

       return -1;

    ......

    return0;

}

据上面的代码可知，register_android_os_Binder函数完成了Java Binder架构中最重要的3个类的初始化工作。

1. Binder类的初始化

int_register_android_os_Binder函数完成了Binder类的初始化工作，代码如下：

[android_util_Binder.cpp-->int_register_android_os_Binder()]

static int int_register_android_os_Binder(JNIEnv*env)

{

    jclassclazz;

   //kBinderPathName为Java层中Binder类的全路径名，“android/os/Binder“

    clazz =env->FindClass(kBinderPathName);

    /*gBinderOffSets是一个静态类对象，它专门保存Binder类的一些在JNI层中使用的信息，

      如成员函数execTranscat的methodID,Binder类中成员mObject的fildID */

   gBinderOffsets.mClass = (jclass) env->NewGlobalRef(clazz);

   gBinderOffsets.mExecTransact

                     =env->GetMethodID(clazz, "execTransact", "(IIII)Z");

   gBinderOffsets.mObject

                     =env->GetFieldID(clazz, "mObject", "I");

    // 注册Binder类中native函数的实现

    returnAndroidRuntime::registerNativeMethods(

                            env,kBinderPathName,

                            gBinderMethods,NELEM(gBinderMethods));

}

从上面代码可知，gBinderOffsets对象保存了和Binder类相关的某些在JNI层中使用的信息。它们将用来在JNI层对Java层的Binder对象进行操作。execTransact()函数以及mObject成员的用途将在2.2.3节介绍。

建议 如果读者对JNI不是很清楚，可参阅卷I第2章“深入理解JNI”。

2. BinderInternal类的初始化

下一个初始化的类是BinderInternal，其代码在int_register_android_os_BinderInternal函数中。

[android_util_Binder.cpp-->int_register_android_os_BinderInternal()]

static intint_register_android_os_BinderInternal(JNIEnv* env)

{

   jclassclazz;

   // 根据BinderInternal的全路径名找到代表该类的jclass对象。全路径名为

   //“com/android/internal/os/BinderInternal”

   clazz =env->FindClass(kBinderInternalPathName);

  //gBinderInternalOffsets也是一个静态对象，用来保存BinderInternal类的一些信息

  gBinderInternalOffsets.mClass = (jclass) env->NewGlobalRef(clazz);

   // 获取forceBinderGc的methodID

  gBinderInternalOffsets.mForceGc

                = env->GetStaticMethodID(clazz, "forceBinderGc","()V");

   // 注册BinderInternal类中native函数的实现

   returnAndroidRuntime::registerNativeMethods(

                         env,kBinderInternalPathName,

                        gBinderInternalMethods, NELEM(gBinderInternalMethods));

}

int_register_android_os_BinderInternal的工作内容和int_register_android_os_Binder的工作内容类似：

·  获取一些有用的methodID和fieldID。这表明JNI层一定会向上调用Java层的函数。

·  注册相关类中native函数的实现。

3. BinderProxy类的初始化

int_register_android_os_BinderProxy完成了BinderProxy类的初始化工作，代码稍显复杂，如下所示：

[android_util_Binder.cpp-->int_register_android_os_BinderProxy()]

static intint_register_android_os_BinderProxy(JNIEnv* env)

{

    jclassclazz;

  

    // ① gWeakReferenceOffsets用来和WeakReference类打交道

    clazz =env->FindClass("java/lang/ref/WeakReference");

   gWeakReferenceOffsets.mClass = (jclass) env->NewGlobalRef(clazz);

    // 获取WeakReference类get函数的MethodID

   gWeakReferenceOffsets.mGet= env->GetMethodID(clazz, "get",

                                   "()Ljava/lang/Object;");

 

    // ② gErrorOffsets用来和Error类打交道

    clazz =env->FindClass("java/lang/Error");

   gErrorOffsets.mClass = (jclass) env->NewGlobalRef(clazz);

 

    // ③ gBinderProxyOffsets用来和BinderProxy类打交道

    clazz =env->FindClass(kBinderProxyPathName);

   gBinderProxyOffsets.mClass = (jclass) env->NewGlobalRef(clazz);

   gBinderProxyOffsets.mConstructor= env->GetMethodID(clazz,"<init>", "()V");

    ......//获取BinderProxy的一些信息

 

    // ④ gClassOffsets用来和Class类打交道

    clazz =env->FindClass("java/lang/Class");

   gClassOffsets.mGetName =env->GetMethodID(clazz,

                              "getName","()Ljava/lang/String;");

 

    // 注册BinderProxy native函数的实现

    returnAndroidRuntime::registerNativeMethods(env,

         kBinderProxyPathName,gBinderProxyMethods,

                               NELEM(gBinderProxyMethods));

}

据上面代码可知，int_register_android_os_BinderProxy函数除了初始化BinderProxy类外，还获取了WeakReference类和Error类的一些信息。看来BinderProxy对象的生命周期会委托WeakReference来管理，难怪JNI层会获取该类get函数的MethodID。

至此，Java Binder几个重要成员的初始化已完成，同时在代码中定义了几个全局静态对象，分别是gBinderOffsets、gBinderInternalOffsets和gBinderProxyOffsets。

框架的初始化其实就是提前获取一些JNI层的使用信息，如类成员函数的MethodID，类成员变量的fieldID等。这项工作是必需的，因为它能节省每次使用时获取这些信息的时间。当Binder调用频繁时，这些时间累积起来还是不容小觑的。

另外，这个过程中所创建的几个全局静态对象为JNI层访问Java层的对象提供了依据。而在每个初始化函数中所执行的registerNativeMethods()方法则为Java层访问JNI层打通了道路。换句话说，Binder初始化的工作就是通过JNI建立起Native Binder与Java Binder之间互相通信的桥梁。

下面通过一个例子来分析Java Binder的工作流程。

2.2.3 窥一斑，可见全豹乎

这个例子源自ActivityManagerService，我们试图通过它揭示Java层Binder的工作原理。先来描述一下该例子的分析步骤：

·  首先分析AMS如何将自己注册到ServiceManager。

·  然后分析AMS如何响应客户端的Binder调用请求。

本例的起点是setSystemProcess，其代码如下所示：

[ActivityManagerService.java-->ActivityManagerService.setSystemProcess()]

public static void setSystemProcess() {

   try {

      ActivityManagerService m = mSelf;

       // 将ActivityManagerService服务注册到ServiceManager中

      ServiceManager.addService("activity", m);......

   } catch {... }

   return;

}

上面所示代码行的目的是将ActivityManagerService服务（以后简称AMS）加到ServiceManager中。

在整个Android系统中有一个Native的ServiceManager（以后简称SM）进程，它统筹管理Android系统上的所有Service。成为一个Service的首要条件是先在SM中注册。下面来看Java层的Service是如何向SM注册的。

1. 向ServiceManager注册服务

（1）创建ServiceManagerProxy

向SM注册服务的函数叫addService，其代码如下：

[ServiceManager.java-->ServiceManager.addService()]

public static void addService(String name, IBinderservice) {

    try {

        //getIServiceManager返回什么

       getIServiceManager().addService(name, service);

    }

    ......

}

首先需要搞清楚getIServiceManager()方法返回的是一个什么对象呢？参考其实现：

[ServiceManager.java-->ServiceManager.getIServiceManager()]

private static IServiceManagergetIServiceManager() {

    ......

    // 调用asInterface，传递的参数类型为IBinder       

   sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(

                       BinderInternal.getContextObject());

    returnsServiceManager;

}

asInterface()方法的参数为BinderInternal.getContextObject()的返回值。于是这个简短的方法中有两个内容值得讨论：BinderInternal.getContextObject()以及asInterface()。

BinderInternal.getContextObject()方法是一个native的函数，参考其实现：

[android_util_Binder.cpp-->android_os_BinderInternal_getContextObject()]

static jobjectandroid_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)

{

    /* 下面这句代码在卷I第6章详细分析过，它将返回一个BpProxy对象，其中

      NULL（即0，用于标识目的端）指定Proxy通信的目的端是ServiceManager*/

   sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);

    // 由Native对象创建一个Java对象,下面分析该函数

    returnjavaObjectForIBinder(env, b);

}

可见，Java层的ServiceManager需要在Native层获取指向Native进程中ServiceManager的BpProxy。这个BpProxy不能由Java层的ServiceManager直接使用，于是android_os_BinderInteral_getContextObject()函数通过javaObjectForIBinder()函数将创建一个封装了这个BpProxy的一个Java对象并返回给调用者。ServiceManager便可一通过这个Java对象实现对BpProxy的访问。参考这个Java对象的创建过程：

[android_util_Binder.cpp-->javaObjectForIBinder()]

jobject javaObjectForIBinder(JNIEnv* env, constsp<IBinder>& val)

{

    //mProxyLock是一个全局的静态CMutex对象

   AutoMutex _l(mProxyLock);

 

    /* val对象实际类型是BpBinder，读者可自行分析BpBinder.cpp中的findObject函数。

      事实上，在Native层的BpBinder中有一个ObjectManager，它用来管理在Native BpBinder

      上创建的Java BpBinder对象。下面这个findObject用来判断gBinderProxyOffsets

      是否已经保存在ObjectManager中。如果是，那就需要删除这个旧的object */

    jobjectobject = (jobject)val->findObject(&gBinderProxyOffsets);

    if(object != NULL) {

       jobject res = env->CallObjectMethod(object,gWeakReferenceOffsets.mGet);

       android_atomic_dec(&gNumProxyRefs);

       val->detachObject(&gBinderProxyOffsets);

       env->DeleteGlobalRef(object);

    }

   

    // ① 创建一个新的BinderProxy对象。并将它注册到Native BpBinder对象的ObjectManager中

    object =env->NewObject(gBinderProxyOffsets.mClass,

                           gBinderProxyOffsets.mConstructor);

    if(object != NULL) {

        /* ② 把Native层的BpProxy的指针保存到BinderProxy对象的成员字段mObject中。

          于是BinderProxy对象的Native方法可以通过mObject获取BpProxy对象的指针。

          这个操作是将BinderProxy与BpProxy联系起来的纽带 */

       env->SetIntField(object, gBinderProxyOffsets.mObject,(int)val.get());

       val->incStrong(object);

       jobject refObject = env->NewGlobalRef(

               env->GetObjectField(object, gBinderProxyOffsets.mSelf));

 

        /* 将这个新创建的BinderProxy对象注册（attach）到BpBinder的ObjectManager中，

          同时注册一个回收函数proxy_cleanup。当BinderProxy对象撤销（detach）的时候，

          该函数会被调用，以释放一些资源。读者可自行研究proxy_cleanup函数*/

       val->attachObject(&gBinderProxyOffsets, refObject,

                             jnienv_to_javavm(env), proxy_cleanup);

 

        //DeathRecipientList保存了一个用于死亡通知的list

       sp<DeathRecipientList> drl = new DeathRecipientList;

       drl->incStrong((void*)javaObjectForIBinder);

        //将死亡通知list和BinderProxy对象联系起来

       env->SetIntField(object, gBinderProxyOffsets.mOrgue,

                            reinterpret_cast<jint>(drl.get()));

 

        // 增加该Proxy对象的引用计数

       android_atomic_inc(&gNumProxyRefs);

        /*下面这个函数用于垃圾回收。创建的Proxy对象一旦超过200个，该函数

          将调用BinderInter类的ForceGc做一次垃圾回收 */

       incRefsCreated(env);

    }

    returnobject;

}

BinderInternal.getContextObject的代码有点多，简单整理一下，可知该函数完成了以下两个工作：

·  创建了一个Java层的BinderProxy对象。

·  通过JNI，该BinderProxy对象和一个Native的BpProxy对象挂钩，而该BpProxy对象的通信目标就是ServiceManager。

接下来讨论asInterface()方法，大家还记得在Native层Binder中那个著名的interface_cast宏吗？在Java层中，虽然没有这样的宏，但是定义了一个类似的函数asInterface。下面来分析ServiceManagerNative类的asInterface函数，其代码如下：

[ServiceManagerNative.java-->ServiceManagerNative.asInterface()]

static public IServiceManager asInterface(IBinderobj)

{

    ......// 以obj为参数，创建一个ServiceManagerProxy对象

    returnnew ServiceManagerProxy(obj);

}

上面代码和Native层interface_cast非常类似，都是以一个BpProxy对象为参数构造一个和业务相关的Proxy对象，例如这里的ServiceManagerProxy对象。ServiceManagerProxy对象的各个业务函数会将相应请求打包后交给BpProxy对象，最终由BpProxy对象发送给Binder驱动以完成一次通信。

说明 实际上BpProxy也不会直接和Binder驱动交互，真正和Binder驱动交互的是IPCThreadState。

（2）addService函数分析

现在来分析ServiceManagerProxy的addService函数，其代码如下：

[ServcieManagerNative.java-->ServiceManagerProxy.addService()]

public void addService(String name, IBinderservice)

                           throwsRemoteException {

    Parceldata = Parcel.obtain();

    Parcelreply = Parcel.obtain();

   data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);

   data.writeString(name);

    // 注意下面这个writeStrongBinder函数，后面我们会详细分析它

   data.writeStrongBinder(service);

    /*mRemote实际上就是BinderProxy对象，调用它的transact，将封装好的请求数据

      发送出去 *

   mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);

    reply.recycle();

   data.recycle();

}

BinderProxy的transact，是一个native函数，其实现函数的代码如下所示：

[android_util_Binder.cpp-->android_os_BinderProxy_transact()]

static jbooleanandroid_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,

                                           jint code, jobject dataObj,

                                           jobject replyObj, jint flags)

{

    ......

    // 从Java的Parcel对象中得到作为参数的Native的Parcel对象

    Parcel*data = parcelForJavaObject(env, dataObj);

    if (data== NULL) {

       return JNI_FALSE;

    }

    // 得到一个用于接收回复的Parcel对象

    Parcel*reply = parcelForJavaObject(env, replyObj);

    if(reply == NULL && replyObj != NULL) {

       return JNI_FALSE;

    }

 

    // 从Java的BinderProxy对象中得到之前已经创建好的那个Native的BpBinder对象

    IBinder*target = (IBinder*)

       env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);

    ......

    // 通过Native的BpBinder对象，将请求发送给ServiceManager

    status_terr = target->transact(code, *data, reply, flags);

    ......

    signalExceptionForError(env,obj, err);

    returnJNI_FALSE;

}

看了上面的代码会发现，Java层的Binder最终还是要借助Native的Binder进行通信的。

说明 从架构的角度看，在Java中搭建了一整套框架，如IBinder接口，Binder类和BinderProxy类。但是从通信角度看，不论架构的编写采用的是Native语言还是Java语言，只要把请求传递到Binder驱动就可以了，所以通信的目的是向binder发送请求和接收回复。在这个目的之上，考虑到软件的灵活性和可扩展性，于是编写了一个架构。反过来说，也可以不使用架构（即没有使用任何接口、派生之类的东西）而直接和binder交互，例如ServiceManager作为Binder的一个核心程序，就是直接读取/dev/binder设备，获取并处理请求。从这一点上看，Binder的目的虽是简单的（即打开binder设备，然后读请求和写回复），但是架构是复杂的（编写各种接口类和封装类等）。我们在研究源码时，一定要先搞清楚目的。实现只不过是达到该目的的一种手段和方式。脱离目的的实现，如缘木求鱼，很容易偏离事物本质。

在对addService进行分析时曾提示writeStrongBinder是一个特别的函数。那么它特别在哪里呢？下面将给出解释。

（3）三人行之Binder、JavaBBinderHolder和JavaBBinder

ActivityManagerService从ActivityManagerNative类派生，并实现了一些接口，其中和Binder的相关的只有这个ActivityManagerNative类，其原型如下：

[ActivityManagerNative.java-->ActivityManagerNative]

public abstract class ActivityManagerNative

                          extends Binder

                          implementsIActivityManager

ActivityManagerNative从Binder派生，并实现了IActivityManager接口。下面来看ActivityManagerNative的构造函数：

[ActivityManagerNative.java-->ActivityManagerNative.ActivityManagerNative()]

public ActivityManagerNative() {

   attachInterface(this, descriptor);// 该函数很简单，读者可自行分析

}

而ActivityManagerNative父类的构造函数则是Binder的构造函数：

[Binder.java-->Binder.Binder()]

public Binder() {

    init();

}

Binder构造函数中会调用native的init函数，其实现的代码如下：

[android_util_Binder.cpp-->android_os_Binder_init()]

static void android_os_Binder_init(JNIEnv* env,jobject obj)

{

    // 创建一个JavaBBinderHolder对象

   JavaBBinderHolder* jbh = new JavaBBinderHolder();

   bh->incStrong((void*)android_os_Binder_init);

    // 将这个JavaBBinderHolder对象保存到Java Binder对象的mObject成员中

   env->SetIntField(obj, gBinderOffsets.mObject, (int)jbh);

}

从上面代码可知，Java的Binder对象将和一个Native的JavaBBinderHolder对象相关联。那么，JavaBBinderHolder是何方神圣呢？其定义如下：

[android_util_Binder.cpp-->JavaBBinderHolder]

class JavaBBinderHolder : public RefBase

{

public:

   sp<JavaBBinder> get(JNIEnv* env, jobject obj)

    {

       AutoMutex _l(mLock);

       sp<JavaBBinder> b = mBinder.promote();

        if(b == NULL) {

           // 创建一个JavaBBinder，obj实际上是Java层中的Binder对象

           b = new JavaBBinder(env, obj);

           mBinder = b;

        }

       return b;

    }

    ......

private:

   Mutex           mLock;

   wp<JavaBBinder> mBinder;

};

从派生关系上可以发现，JavaBBinderHolder仅从RefBase派生，所以它不属于Binder家族。Java层的Binder对象为什么会和Native层的一个与Binder家族无关的对象绑定呢？仔细观察JavaBBinderHolder的定义可知：JavaBBinderHolder类的get函数中创建了一个JavaBBinder对象，这个对象就是从BnBinder派生的。

那么，这个get函数是在哪里调用的？答案在下面这句代码中：

//其中，data是Parcel对象，service此时还是ActivityManagerService

data.writeStrongBinder(service);

writeStrongBinder会做一个替换工作，下面是它的native代码实现：

[android_util_Binder.cpp-->android_os_Parcel_writeStrongBinder()]

static voidandroid_os_Parcel_writeStrongBinder(JNIEnv* env,

                                               jobject clazz, jobject object)

{

    /*parcel是一个Native的对象，writeStrongBinder的真正参数是

     ibinderForJavaObject()的返回值*/

    conststatus_t err = parcel->writeStrongBinder(

                                   ibinderForJavaObject(env, object));

}

[android_util_Binder.cpp-->ibinderForJavaObject()]

sp<IBinder> ibinderForJavaObject(JNIEnv*env, jobject obj)

{

    /* 如果Java的obj是Binder类，则首先获得JavaBBinderHolder对象，然后调用

      它的get()函数。而这个get将返回一个JavaBBinder  */

    if(env->IsInstanceOf(obj, gBinderOffsets.mClass)) {

    JavaBBinderHolder* jbh = (JavaBBinderHolder*)env->GetIntField(obj,

                                     gBinderOffsets.mObject);

       return jbh != NULL ? jbh->get(env, obj) : NULL;

    }

 

    // 如果obj是BinderProxy类，则返回Native的BpBinder对象

    if(env->IsInstanceOf(obj, gBinderProxyOffsets.mClass)) {

       return (IBinder*)

           env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);

    }

   returnNULL;

}

根据上面的介绍会发现，addService实际添加到Parcel的并不是AMS本身，而是一个叫JavaBBinder的对象。正是将它最终传递到Binder驱动。

读者此时容易想到，Java层中所有的Binder对应的都是这个JavaBBinder。当然，不同的Binder对象对应不同的JavaBBinder对象。

图2-2展示了Java Binder、JavaBBinderHolder和JavaBBinder的关系。

图 2 - 2 Java Binder 、JavaBBinderHolder和JavaBBinder三者的关系

从图2-2可知：

·  Java层的Binder通过mObject指向一个Native层的JavaBBInderHolder对象。

·  Native层的JavaBBinderHolder对象通过mBinder成员变量指向一个Native的JavaBBinder对象。

·  Native的JavaBBinder对象又通过mObject变量指向一个Java层的Binder对象。

为什么不直接让Java层的Binder对象指向Native层的JavaBBinder对象呢？由于缺乏设计文档，这里不便妄加揣测，但从JavaBBinderHolder的实现上来分析，估计和垃圾回收（内存管理）有关，因为JavaBBinderHolder中的mBinder对象的类型被定义成弱引用wp了。

建议 对此有更好的解释的读者，不妨与大家分享一下。

2. ActivityManagerService响应请求

初见JavaBBinde时，多少有些吃惊。回想一下Native层的Binder架构：虽然在代码中调用的是Binder类提供的接口，但其对象却是一个实际的服务端对象，例如MediaPlayerService对象，AudioFlinger对象。

而在Java层的Binder架构中，JavaBBinder却是一个和业务完全无关的对象。那么，这个对象如何实现不同业务呢？

为回答此问题，我们必须看它的onTransact函数。当收到请求时，系统会调用这个函数。

说明 关于这个问题，建议读者阅读卷I第6章“深入理解Binder”。

[android_util_Binder.cpp-->JavaBBinder::onTransact()]

virtual status_t onTransact(

       uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags =0)

{

    JNIEnv*env = javavm_to_jnienv(mVM);

   IPCThreadState* thread_state = IPCThreadState::self();

    .......

    // 调用Java层Binder对象的execTranscat函数

    jbooleanres = env->CallBooleanMethod(mObject,

                    gBinderOffsets.mExecTransact,code,

                   (int32_t)&data, (int32_t)reply, flags);

    ......

    returnres != JNI_FALSE ? NO_ERROR : UNKNOWN_TRANSACTION;

}

就本例而言，上面代码中的mObject就是ActivityManagerService，现在调用它的execTransact()方法，该方法在Binder类中实现，具体代码如下：

[Binder.java-->Binder.execTransact()]

private boolean execTransact(int code, intdataObj, int replyObj,int flags) {

    Parceldata = Parcel.obtain(dataObj);

    Parcelreply = Parcel.obtain(replyObj);

    booleanres;

    try {

        //调用onTransact函数，派生类可以重新实现这个函数，以完成业务功能

        res= onTransact(code, data, reply, flags);

    } catch{ ... }

   reply.recycle();

   data.recycle();

    returnres;

}

ActivityManagerNative类实现了onTransact函数，代码如下：

[ActivityManagerNative.java-->ActivityManagerNative.onTransact()]

public boolean onTransact(int code, Parcel data,Parcel reply, int flags)

           throws RemoteException {

    switch(code) {

    caseSTART_ACTIVITY_TRANSACTION:

    {

       data.enforceInterface(IActivityManager.descriptor);

       IBinder b = data.readStrongBinder();

       ......

        //再由ActivityManagerService实现业务函数startActivity

        intresult = startActivity(app, intent, resolvedType,

                   grantedUriPermissions, grantedMode, resultTo, resultWho,

                   requestCode, onlyIfNeeded, debug, profileFile,

                   profileFd, autoStopProfiler);

       reply.writeNoException();

       reply.writeInt(result);

       return true;

    }

    .... // 处理其他请求的case

    }

}

由此可以看出，JavaBBinder仅是一个传声筒，它本身不实现任何业务函数，其工作是：

·  当它收到请求时，只是简单地调用它所绑定的Java层Binder对象的exeTransact。

·  该Binder对象的exeTransact调用其子类实现的onTransact函数。

·  子类的onTransact函数将业务又派发给其子类来完成。请读者务必注意其中的多层继承关系。

通过这种方式，来自客户端的请求就能传递到正确的Java Binder对象了。图2-3展示AMS响应请求的整个流程。

图 2 - 3 AMS响应请求的流程

在图2-3中，右上角的大方框表示AMS这个对象，其间的虚线箭头表示调用子类重载的函数。

2.2.4 理解AIDL

经过上一节的介绍，读者已经明白在Java层Binder的架构中，Bp端可以通过BinderProxy的transact()方法与Bn端发送请求，而Bn端通过继承Binder类并重写onTransact()接收并处理来自Bp端的请求。这个结构非常清晰而且简单，但是实现起来却颇为繁琐。于是Android提供了AIDL语言以及AIDL解释器自动生成一个服务的Bn端即Bp端的用于处理Binder通信的代码。

AIDL的语法与定义一个Java接口的语法非常相似。为了避免业务实现对分析的干扰，本节通过一个最简单的例子对AIDL的原理进行介绍：

[IMyServer.aidl]

package com.understanding.samples;

interface IMyServer {

    intfoo(String str);

}

IMyServer.aidl定义了一个名为IMyServer的Binder服务，并提供了一个可以跨Binder调用的接口foo()。可以通过aidl工具将其解析为一个实现了Bn端及Bp端通过Binder进行通信的Java源代码。具体命令如下：

aidl com/understanding/samples/IMyServer.aidl

生成的IMyServer.java可以在com/understanding/samples/文件夹下找到。

建议 读者可以阅读aidl有关的文档了解此工具的详细功能。

[IMyServer.java-->IMyServer]

package com.understanding.samples;

/* ① 首先，IMyServer.aidl被解析为一个Java接口IMyServer。这个接口定义了AIDL文件中

  所定义的接口foo() */

public interface IMyServer extendsandroid.os.IInterface {

    /*② aidl工具生成了一个继承自IMyServer接口的抽象类IMyServer.Stub。这个抽象类实现了

      Bn端通过onTransact()方法接收来自Bp端的请求的代码。本例中的foo()方法在这个类中

      会被定义成一个抽象方法。因为aidl工具根不知道foo()方法是做什么的，它只能在onTransact()

      中得知Bp端希望对foo()方法进行调用，所以Stub类是抽象的。 */

    publicstatic abstract class Stub extends android.os.Binder implements

                                           com.understanding.samples.IMyServer{

       ...... // Stub类的其他实现

        /*onTransact()根据code的值选择调用IMyServer接口中的不同方法。本例中

         TRANSACTION_foo意味着需要通过调用foo()方法完成请求 */

       public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data,

               android.os.Parcel reply, int flags)

               throws android.os.RemoteException {

           switch (code) {

            ......

           case TRANSACTION_foo: {

               ...... // 从data中读取参数_arg0

               // Stub类的子类需要实现foo()方法

                int _result = this.foo(_arg0);

               ...... // 向reply中写入_result

               return true;

           }

           }

           return super.onTransact(code, data, reply, flags);

        }

 

        /* ③ aidl工具还生成了一个继承自IMyServer接口的类Proxy，它是Bp端的实现。与Bn端的

         Stub类不同，它实现了foo()函数。因为foo()函数在Bp端的实现是确定的，即将参数存储到

         Parcel中然后执行transact()方法将请求发送给Bn端，然后从reply中读取返回值并返回

          给调用者 */

          private static class Proxy implements com.understanding.samples.IMyServer{

            ...... // Proxy类的其他实现

           public int foo(java.lang.String str)

                   throws android.os.RemoteException {

               android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();

               android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();

               int _result;

               try {

                   ...... // 将参数str写入参数_data

                   // mRemote就是指向IMyServer Bn端的BinderProxy

                   mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_foo, _data, _reply, 0);

                   ......// 从_replay中读取返回值_result

               } finally { ...... }

               return _result;

           }

        }

 

        // TRANSACTION_foo常量用于定义foo()方法的code

          static final int TRANSACTION_foo =

                             (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION+ 0);

    }

    // 声明IMyServer所提供的接口

    publicint foo(java.lang.String str) throws android.os.RemoteException;

}

可见一个AIDL文件被aidl工具解析之后会产生三个物件：

·  IMyServer接口。它仅仅用来在Java中声明IMyServer.aidl中所声明的接口。

·  IMyServer.Stub类。这个继承自Binder类的抽象类实现了Bn端与Binder通信相关的代码。

·  IMyServer.Stub.Proxy类。这个类实现了Bp端与Binder通信相关的代码。

在完成了aidl的解析之后，为了实现一个Bn端，开发者需要继承IMyServer.Stub类并实现其抽象方法。如下所示：

class MyServer extends IMyServer.Stub {

    intfoo(String str) {

        // 做点什么都可以

        returnstr.length();

    }

}

于是每一个MyServer类的实例，都具有了作为Bn端的能力。典型的做法是将MyServer类的实例通过ServiceManager.addService()将其注册为一个系统服务，或者在一个Android标准Service的onBind()方法中将其作为返回值使之可以被其他进程访问。另外，也可以通过Binder调用将其传递给另外一个进程，使之成为一个跨进程的回调对象。

那么Bp端将如何使用IMyServer.Proxy呢？在Bp端所在进程中，一旦获取了IMyServer的BinderProxy（通过ServiceManager.getService()、onServiceConnected()或者其他方式），就可以以如下方式获得一个IMyServer.Proxy：

// 其中binderProxy就是通过ServiceManager.getService()所获取

IMyServer remote = IMyServer.Stub.asInterface(binderProxy);

remote.foo(“Hello AIDL!”);

IMyServer.Stub.asInterface()的实现如下：

[IMyServer.java-->IMyServer.Stub.asInterface()]

public static com.understanding.samples.IMyServerasInterface(

       android.os.IBinder obj) {

    ......

    // 创建一个IMyServer.Stub.Proxy。其中参数obj将会被保存为Proxy类的mRemote成员。

    return new com.understanding.samples.IMyServer.Stub.Proxy(obj);

}

可见，AIDL使得构建一个Binder服务的工作大大地简化了。

2.2.5 Java层Binder架构总结

图2-4展示了Java层的Binder架构。

图 2 - 4 Java层Binder架构

根据图2-4可知：

q  对于代表客户端的BinderProxy来说，Java层的BinderProxy在Native层对应一个BpBinder对象。凡是从Java层发出的请求，首先从Java层的BinderProxy传递到Native层的BpBinder，继而由BpBinder将请求发送到Binder驱动。

q  对于代表服务端的Service来说，Java层的Binder在Native层有一个JavaBBinder对象。前面介绍过，所有Java层的Binder在Native层都对应为JavaBBinder，而JavaBBinder仅起到中转作用，即把来自客户端的请求从Native层传递到Java层。

q  系统中依然只有一个Native的ServiceManager。

至此，Java层的Binder架构已介绍完毕。从前面的分析可以看出，Java层Binder非常依赖Native层的Binder。建议想进一步了解Binder的读者们，要深入了解这一问题，有必要阅读卷I的第6章“深入理解Binder”。

2.3 心系两界的MessageQueue

卷I第5章介绍过，MessageQueue类封装了与消息队列有关的操作。在一个以消息驱动的系统中，最重要的两部分就是消息队列和消息处理循环。在Andrid 2.3以前，只有Java世界的居民有资格向MessageQueue中添加消息以驱动Java世界的正常运转，但从Android 2.3开始，MessageQueue的核心部分下移至Native层，让Native世界的居民也能利用消息循环来处理他们所在世界的事情。因此现在的MessageQueue心系Native和Java两个世界。

2.3.1 MessageQueue的创建

现在来分析MessageQueue是如何跨界工作的，其代码如下：

[MessageQueue.java-->MessageQueue.MessageQueue()]

MessageQueue() {

    nativeInit();//构造函数调用nativeInit，该函数由Native层实现

}

nativeInit()方法的真正实现为android_os_MessageQueue_nativeInit()函数，其代码如下：

[android_os_MessageQueue.cpp-->android_os_MessageQueue_nativeInit()]

static voidandroid_os_MessageQueue_nativeInit(JNIEnv* env, jobject obj) {

    // NativeMessageQueue是MessageQueue在Native层的代表

    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = newNativeMessageQueue();

    ......

    // 将这个NativeMessageQueue对象设置到Java层保存

    android_os_MessageQueue_setNativeMessageQueue(env,obj,

                                                         nativeMessageQueue);

}

nativeInit函数在Native层创建了一个与MessageQueue对应的NativeMessageQueue对象，其构造函数如下：

[android_os_MessageQueue.cpp-->NativeMessageQueue::NativeMessageQueue()]

NativeMessageQueue::NativeMessageQueue() {

    /* 代表消息循环的Looper也在Native层中呈现身影了。根据消息驱动的知识，一个线程会有一个

      Looper来循环处理消息队列中的消息。下面一行的调用就是取得保存在线程本地存储空间

     （Thread Local Storage）中的Looper对象 */

    mLooper= Looper::getForThread();

    if (mLooper == NULL) {

        /* 如为第一次进来，则该线程没有设置本地存储，所以须先创建一个Looper，然后再将其保存到

          TLS中，这是很常见的一种以线程为单位的单例模式*/

        mLooper = new Looper(false);

        Looper::setForThread(mLooper);

    }

}

Native的Looper是Native世界中参与消息循环的一位重要角色。虽然它的类名和Java层的Looper类一样，但此二者其实并无任何关系。这一点以后还将详细分析。

2.3.2 提取消息

当一切准备就绪后，Java层的消息循环处理，也就是Looper会在一个循环中提取并处理消息。消息的提取就是调用MessageQueue的next()方法。当消息队列为空时，next就会阻塞。MessageQueue同时支持Java层和Native层的事件，那么其next()方法该怎么实现呢？具体代码如下：

[MessagQueue.java-->MessageQueue.next()]

final Message next() {

    int pendingIdleHandlerCount = -1;

    int nextPollTimeoutMillis = 0;

 

    for (;;) {

        ......

        // mPtr保存了NativeMessageQueue的指针，调用nativePollOnce进行等待

        nativePollOnce(mPtr,nextPollTimeoutMillis);

        synchronized (this) {

            final long now = SystemClock.uptimeMillis();

            // mMessages用来存储消息，这里从其中取一个消息进行处理

            final Message msg = mMessages;

            if (msg != null) {

                final long when = msg.when;

                if (now >= when) {

                    mBlocked = false;

                    mMessages = msg.next;

                    msg.next = null;

                    msg.markInUse();

                    return msg; // 返回一个Message给Looper进行派发和处理

               } else {

                    nextPollTimeoutMillis = (int) Math.min(when- now,

                                                  Integer.MAX_VALUE);

                }

            } else {

                nextPollTimeoutMillis = -1;

            }

            ......

            /* 处理注册的IdleHandler，当MessageQueue中没有Message时，

           Looper会调用IdleHandler做一些工作，例如做垃圾回收等  */

           ......

           pendingIdleHandlerCount = 0;

            nextPollTimeoutMillis = 0;

        }

    }

}

看到这里，可能会有人觉得这个MessageQueue很简单，不就是从以前在Java层的wait变成现在Native层的wait了吗？但是事情本质比表象要复杂得多，来思考下面的情况：

nativePollOnce()返回后，next()方法将从mMessages中提取一个消息。也就是说，要让nativePollOnce()返回，至少要添加一个消息到消息队列，否则nativePollOnce()不过是做了一次无用功罢了。

如果nativePollOnce()将在Native层等待，就表明Native层也可以投递Message，但是从Message类的实现代码上看，该类和Native层没有建立任何关系。那么nativePollOnce()在等待什么呢？

对于上面的问题，相信有些读者心中已有了答案：nativePollOnce()不仅在等待Java层来的Message，实际上还在Native还做了大量的工作。

下面我们来分析Java层投递Message并触发nativePollOnce工作的正常流程。

1. 在Java层投递Message

MessageQueue的enqueueMessage函数完成将一个Message投递到MessageQueue中的工作，其代码如下：

[MesssageQueue.java-->MessageQueue.enqueueMessage()]

final boolean enqueueMessage(Message msg, longwhen) {

    ......

    finalboolean needWake;

   synchronized (this) {

        if(mQuiting) {

           return false;

        }else if (msg.target == null) {

           mQuiting = true;

        }

       msg.when = when;

       Message p = mMessages;

        if(p == null || when == 0 || when < p.when) {

           /* 如果p为空，表明消息队列中没有消息，那么msg将是第一个消息，needWake

             需要根据mBlocked的情况考虑是否触发 */

            msg.next= p;

           mMessages = msg;

           needWake = mBlocked;

        } else {

           // 如果p不为空，表明消息队列中还有剩余消息，需要将新的msg加到消息尾

           Message prev = null;

           while (p != null && p.when <= when) {

               prev = p;

               p = p.next;

           }

           msg.next = prev.next;

           prev.next = msg;

           // 因为消息队列之前还剩余有消息，所以这里不用调用nativeWakeup

           needWake = false;

        }

    }

    if(needWake) {

        // 调用nativeWake，以触发nativePollOnce函数结束等待

       nativeWake(mPtr);

    }

    returntrue;

}

上面的代码比较简单，主要功能是：

·  将message按执行时间排序，并加入消息队。

·  根据情况调用nativeWake函数，以触发nativePollOnce函数，结束等待。

建议 虽然代码简单，但是对于那些不熟悉多线程的读者，还是要细细品味一下mBlocked值的作用。我们常说细节体现美，代码也一样，这个小小的mBlocked正是如此。

2. nativeWake函数分析

nativeWake函数的代码如下所示：

[android_os_MessageQueue.cpp-->android_os_MessageQueue_nativeWake()]

static voidandroid_os_MessageQueue_nativeWake(JNIEnv* env, jobject obj,

                                                      jint ptr)

{

   NativeMessageQueue* nativeMessageQueue = // 取出NativeMessageQueue对象

                      reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);

    returnnativeMessageQueue->wake(); // 调用它的wake函数

}

[android_os_MessageQueue.cpp-->NativeMessageQueue::wake()]

void NativeMessageQueue::wake() {

   mLooper->wake(); // 层层调用，现在转到mLooper的wake函数

}

Native Looper的wake函数代码如下：

[Looper.cpp-->Looper::wake()]

void Looper::wake() {

    ssize_tnWrite;

    do {

        // 向管道的写端写入一个字符

       nWrite = write(mWakeWritePipeFd, "W", 1);

    } while(nWrite == -1 && errno == EINTR);

}

Wake()函数则更为简单，仅仅向管道的写端写入一个字符”W”，这样管道的读端就会因为有数据可读而从等待状态中醒来。

2.3.3 nativePollOnce函数分析

nativePollOnce()的实现函数是android_os_MessageQueue_nativePollOnce，代码如下：

[android_os_MessageQueue.cpp-->android_os_MessageQueue_nativePollOnce()]

static voidandroid_os_MessageQueue_nativePollOnce(JNIEnv* env, jobject obj,

        jintptr, jint timeoutMillis)

    NativeMessageQueue* nativeMessageQueue =

                           reinterpret_cast<NativeMessageQueue*>(ptr);

    // 取出NativeMessageQueue对象，并调用它的pollOnce

   nativeMessageQueue->pollOnce(timeoutMillis);

}

分析pollOnce函数：

[android_os_MessageQueue.cpp-->NativeMessageQueue::pollOnece()]

void NativeMessageQueue::pollOnce(inttimeoutMillis) {

   mLooper->pollOnce(timeoutMillis); // 重任传递到Looper的pollOnce函数

}

Looper的pollOnce函数如下：

[Looper.cpp-->Looper::pollOnce()]

inline int pollOnce(int timeoutMillis) {

    returnpollOnce(timeoutMillis, NULL, NULL, NULL);

}

上面的函数将调用另外一个有4个参数的pollOnce函数，这个函数的原型如下：

int pollOnce(int timeoutMillis, int* outFd, int*outEvents, void** outData)

其中：

·  timeOutMillis参数为超时等待时间。如果为-1，则表示无限等待，直到有事件发生为止。如果值为0，则无需等待立即返回。

·  outFd用来存储发生事件的那个文件描述符 。

·  outEvents用来存储在该文件描述符1上发生了哪些事件，目前支持可读、可写、错误和中断4个事件。这4个事件其实是从epoll事件转化而来。后面我们会介绍大名鼎鼎的epoll。

·  outData用于存储上下文数据，这个上下文数据是由用户在添加监听句柄时传递的，它的作用和pthread_create函数最后一个参数param一样，用来传递用户自定义的数据。

另外，pollOnce函数的返回值也具有特殊的意义，具体如下：

·  当返回值为ALOOPER_POLL_WAKE时，表示这次返回是由wake函数触发的，也就是管道写端的那次写事件触发的。

·  返回值为ALOOPER_POLL_TIMEOUT表示等待超时。

·  返回值为ALOOPER_POLL_ERROR，表示等待过程中发生错误。

·  返回值为ALOOPER_POLL_CALLBACK，表示某个被监听的句柄因某种原因被触发。这时，outFd参数用于存储发生事件的文件句柄，outEvents用于存储所发生的事件。

上面这些知识是和epoll息息相关的。

提示 查看Looper的代码会发现，Looper采用了编译选项(即#if和#else)来控制是否使用epoll作为I/O复用的控制中枢。鉴于现在大多数系统都支持epoll，这里仅讨论使用epoll的情况。

1. epoll基础知识介绍

epoll机制提供了Linux平台上最高效的I/O复用机制，因此有必要介绍一下它的基础知识。

从调用方法上看，epoll的用法和select/poll非常类似，其主要作用就是I/O复用，即在一个地方等待多个文件句柄的I/O事件。

下面通过一个简单例子来分析epoll的工作流程。

/* ① 使用epoll前，需要先通过epoll_create函数创建一个epoll句柄。

  下面一行代码中的10表示该epoll句柄初次创建时候分配能容纳10个fd相关信息的缓存。

  对于2.6.8版本以后的内核，该值没有实际作用，这里可以忽略。其实这个值的主要目的是

  确定分配一块多大的缓存。现在的内核都支持动态拓展这块缓存，所以该值就没有意义了 */

int epollHandle = epoll_create(10);

 

/* ② 得到epoll句柄后，下一步就是通过epoll_ctl把需要监听的文件句柄加入到epoll句柄中。

  除了指定文件句柄本身的fd值外，同时还需要指定在该fd上等待什么事件。epoll支持四类事件，

  分别是EPOLLIN(句柄可读)、EPOLLOUT(句柄可写),EPOLLERR(句柄错误)、EPOLLHUP(句柄断)。

  epoll定义了一个结构体struct epoll_event来表达监听句柄的诉求。

  假设现在有一个监听端的socket句柄listener，要把它加入到epoll句柄中 */

struct epoll_event listenEvent; //先定义一个event

 

/* EPOLLIN表示可读事件,EPOLLOUT表示可写事件，另外还有EPOLLERR,EPOLLHUP表示

  系统默认会将EPOLLERR加入到事件集合中 */

listenEvent.events = EPOLLIN;// 指定该句柄的可读事件

 

// epoll_event中有一个联合体叫data，用来存储上下文数据，本例的上下文数据就是句柄自己

listenEvent.data.fd = listenEvent;

 

  /* ③ EPOLL_CTL_ADD将监听fd和监听事件加入到epoll句柄的等待队列中；

    EPOLL_CTL_DEL将监听fd从epoll句柄中移除；

    EPOLL_CTL_MOD修改监听fd的监听事件，例如本来只等待可读事件，现在需要同时等待

    可写事件，那么修改listenEvent.events 为EPOLLIN|EPOLLOUT后，再传给epoll句柄*/

epoll_ctl(epollHandle,EPOLL_CTL_ADD,listener,&listenEvent);

 

/* 当把所有感兴趣的fd都加入到epoll句柄后，就可以开始坐等感兴趣的事情发生了。

  为了接收所发生的事情，先定义一个epoll_event数组 */

struct epoll_event resultEvents[10];

 

int timeout = -1;

while(1) {

    /* ④ 调用epoll_wait用于等待事件。其中timeout可以指定一个超时时间，

     resultEvents用于接收发生的事件，10为该数组的大小。

     epoll_wait函数的返回值有如下含义：

      nfds大于0表示所监听的句柄上有事件发生；

      nfds等于0表示等待超时；

      nfds小于0表示等待过程中发生了错误*/

    int nfds = epoll_wait(epollHandle,resultEvents, 10, timeout);

    if(nfds == -1) {

        // epoll_wait发生了错误

    } else if(nfds == 0) {

        //发生超时，期间没有发生任何事件

    } else{

        // ⑤resultEvents用于返回那些发生了事件的信息

        for(int i = 0; i < nfds; i++) {

            struct epoll_event & event =resultEvents[i];

            if(event & EPOLLIN) {

                /* ⑥ 收到可读事件。到底是哪个文件句柄发生该事件呢？可通过event.data这个联合

                 体取得 前传递给epoll的上下文数据，该上下文信息可用于判断到底是谁发生了事件 */

              ......

 

            }

            .......//其他处理 

        }

    }

}

epoll整体使用流程如上面代码所示，基本和select/poll类似，不过作为Linux平台最高效的I/O复用机制，这里有些内容供读者参考，

epoll的效率为什么会比select高？其中一个原因是调用方法。每次调用select时，都需要把感兴趣的事件复制到内核中，而epoll只在epll_ctl进行加入的时候复制一次。另外，epoll内部用于保存事件的数据结构使用的是红黑树，查找速度很快。而select采用数组保存信息，不但一次能等待的句柄个数有限，并且查找起来速度很慢。当然，在只等待少量文件句柄时，select和epoll效率相差不是很多，但还是推荐使用epoll。

epoll等待的事件有两种触发条件，一个是水平触发（EPOLLLEVEL），另外一个是边缘触发（EPOLLET,ET为Edge Trigger之意），这两种触发条件的区别非常重要。读者可通过man epoll查阅系统提供的更为详细的epoll机制。

最后，关于pipe，还想提出一个小问题供读者思考讨论：

为什么Android中使用pipe作为线程间通讯的方式？对于pipe的写端写入的数据，读端都不感兴趣，只是为了简单的唤醒。POSIX不是也有线程间同步函数吗？为什么要用pipe呢？

关于这个问题的答案，可参见邓凡平的一篇博文“随笔之如何实现一个线程池”。

·  http://www.cnblogs.com/innost/archive/2011/11/24/2261454.html

2. pollOnce()函数分析

下面分析带4个参数的pollOnce()函数，代码如下：

[Looper.cpp-->Looper::pollOnce()]

int Looper::pollOnce(int timeoutMillis, int*outFd, int* outEvents,

void** outData) {

    intresult = 0;

    for(;;) { // 一个无限循环

        // mResponses是一个Vector，这里首先需要处理response

       while (mResponseIndex < mResponses.size()) {

           const Response& response = mResponses.itemAt(mResponseIndex++);

           ALooper_callbackFunc callback = response.request.callback;

            if (!callback) {// 首先处理那些没有callback的Response

               int ident = response.request.ident; // ident是这个Response的id

               int fd = response.request.fd;

               int events = response.events;

               void* data = response.request.data;

               ......

               if (outFd != NULL) *outFd = fd;

               if (outEvents != NULL) *outEvents = events;

               if (outData != NULL) *outData = data;

               /* 实际上，对于没有callback的Response，pollOnce只是返回它的

                 ident，并没有实际做什么处理。因为没有callback，所以系统也不知道如何处理 */

               return ident;

           }

        }

 

        if(result != 0) {

            if(outFd != NULL) *outFd = 0;

           if (outEvents != NULL) *outEvents = NULL;

            if (outData != NULL) *outData = NULL;

           return result;

        }

        // 调用pollInner函数。注意，它在for循环内部

       result = pollInner(timeoutMillis);

    }

}

初看上面的代码，可能会让人有些丈二和尚摸不着头脑。但是把pollInner()函数分析完毕，大家就会明白很多。pollInner()函数非常长，把用于调试和统计的代码去掉，结果如下：

[Looper.cpp-->Looper::pollInner()]

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {

    if(timeoutMillis != 0 && mNextMessageUptime != LLONG_MAX) {

       nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);

       ......//根据Native Message的信息计算此次需要等待的时间

       timeoutMillis = messageTimeoutMillis;

    }

 

    intresult = ALOOPER_POLL_WAKE;

   mResponses.clear();

   mResponseIndex = 0;

#ifdef LOOPER_USES_EPOLL  // 只讨论使用epoll进行I/O复用的方式

    structepoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];

    // 调用epoll_wait，等待感兴趣的事件或超时发生

    inteventCount = epoll_wait(mEpollFd, eventItems, EPOLL_MAX_EVENTS,

                                     timeoutMillis);

#else

    ......//使用别的方式进行I/O复用

#endif

 

    //从epoll_wait返回，这时候一定发生了什么事情

   mLock.lock();

    if(eventCount < 0) { //返回值小于零，表示发生错误

        if(errno == EINTR) {

           goto Done;

        }

        //设置result为ALLOPER_POLL_ERROR,并跳转到Done

       result = ALOOPER_POLL_ERROR;

        gotoDone;

    }

 

   //eventCount为零，表示发生超时，因此直接跳转到Done

    if(eventCount == 0) {

      result = ALOOPER_POLL_TIMEOUT;

        gotoDone;

    }

#ifdef LOOPER_USES_EPOLL

    // 根据epoll的用法，此时的eventCount表示发生事件的个数

    for (inti = 0; i < eventCount; i++) {

        intfd = eventItems[i].data.fd;

       uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;

        /* 之前通过pipe函数创建过两个fd，这里根据fd知道是管道读端有可读事件。

         读者还记得对nativeWake函数的分析吗？在那里我们向管道写端写了一个”W”字符，这样

         就能触发管道读端从epoll_wait函数返回了 */

        if(fd == mWakeReadPipeFd) {

           if (epollEvents & EPOLLIN) {

                // awoken函数直接读取并清空管道数据，读者可自行研究该函数

               awoken();

           }

            ......

        }else {

          /* mRequests和前面的mResponse相对应，它也是一个KeyedVector，其中存储了

           fd和对应的Request结构体，该结构体封装了和监控文件句柄相关的一些上下文信息，

            例如回调函数等。我们在后面的小节会再次介绍该结构体 */

           ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);

           if (requestIndex >= 0) {

               int events = 0;

               // 将epoll返回的事件转换成上层LOOPER使用的事件

               if (epollEvents & EPOLLIN) events |= ALOOPER_EVENT_INPUT;

               if (epollEvents & EPOLLOUT) events |= ALOOPER_EVENT_OUTPUT;

               if (epollEvents & EPOLLERR) events |= ALOOPER_EVENT_ERROR;

               if (epollEvents & EPOLLHUP) events |= ALOOPER_EVENT_HANGUP;

               // 每处理一个Request，就相应构造一个Response

               pushResponse(events, mRequests.valueAt(requestIndex));

           } 

            ......

        }

    }

Done: ;

#else

     ......

#endif

 

    // 除了处理Request外，还处理Native的Message

   mNextMessageUptime = LLONG_MAX;

    while(mMessageEnvelopes.size() != 0) {

       nsecs_t now = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);

       const MessageEnvelope& messageEnvelope =mMessageEnvelopes.itemAt(0);

        if(messageEnvelope.uptime <= now) {

           {

               sp<MessageHandler> handler = messageEnvelope.handler;

               Message message = messageEnvelope.message;

               mMessageEnvelopes.removeAt(0);

               mSendingMessage = true;

               mLock.unlock();

               /* 调用Native的handler处理Native的Message

                从这里也可看出Native Message和Java层的Message没有什么关系 */

               handler->handleMessage(message);

           }

           mLock.lock();

           mSendingMessage = false;

           result = ALOOPER_POLL_CALLBACK;

        }else {

            mNextMessageUptime = messageEnvelope.uptime;

           break;

        }

    }

 

   mLock.unlock();

    // 处理那些带回调函数的Response

    for (size_t i = 0; i < mResponses.size();i++) {

       const Response& response = mResponses.itemAt(i);

       ALooper_callbackFunc callback = response.request.callback;

        if(callback) {// 有了回调函数，就能知道如何处理所发生的事情了

           int fd = response.request.fd;

           int events = response.events;

           void* data = response.request.data;

           // 调用回调函数处理所发生的事件

           int callbackResult = callback(fd, events, data);

           if (callbackResult == 0) {

               // callback函数的返回值很重要，如果为0，表明不需要再次监视该文件句柄

                removeFd(fd);

           }

           result = ALOOPER_POLL_CALLBACK;

        }

    }

    returnresult;

}

看完代码了，是否还有点模糊？那么，回顾一下pollInner函数的几个关键点：

·  首先需要计算一下真正需要等待的时间。

·  调用epoll_wait函数等待。

·  epoll_wait函数返回，这时候可能有三种情况：

a)      发生错误，则跳转到Done处。

b)     超时，这时候也跳转到Done处。

c)      epoll_wait监测到某些文件句柄上有事件发生。

·  假设epoll_wait因为文件句柄有事件而返回，此时需要根据文件句柄来分别处理：

a)      如果是管道读这一端有事情，则认为是控制命令，可以直接读取管道中的数据。

b)     如果是其他FD发生事件，则根据Request构造Response，并push到Response数组中。

·  真正开始处理事件是在有Done标志的位置。

a)      首先处理Native的Message。调用Native Handler的handleMessage处理该Message。

b)     处理Response数组中那些带有callback的事件。

上面的处理流程还是比较清晰的，但还是有个一个拦路虎，那就是mRequests，下面就来清剿这个拦路虎。

3. 添加监控请求

添加监控请求其实就是调用epoll_ctl增加文件句柄。下面通过从Native的Activity找到的一个例子来分析mRequests。

[android_app_NativeActivity.cpp-->loadNativeCode_native()]

static jint

loadNativeCode_native(JNIEnv* env, jobject clazz,jstring path,

                          jstringfuncName,jobject messageQueue,

                          jstringinternalDataDir, jstring obbDir,

                          jstringexternalDataDir, int sdkVersion,

                          jobject jAssetMgr,jbyteArray savedState)

{

    ......

    /* 调用Looper的addFd函数。第一个参数表示监听的fd；第二个参数0表示ident；

      第三个参数表示需要监听的事件，这里为只监听可读事件；第四个参数为回调函数，当该fd发生

      指定事件时，looper将回调该函数；第五个参数code为回调函数的参数 */

    code->looper->addFd(code->mainWorkRead,0,

                          ALOOPER_EVENT_INPUT,mainWorkCallback, code);

  ......

}

Looper的addFd()代码如下所示：

[Looper.cpp-->Looper::addFd()]

int Looper::addFd(int fd, int ident, int events,

                      ALooper_callbackFunccallback, void* data) {

    if (!callback) {

         /* 判断该Looper是否支持不带回调函数的文件句柄添加。一般不支持，因为没有回调函数

           Looper也不知道如何处理该文件句柄上发生的事情 */

         if(! mAllowNonCallbacks) {

           return -1;

        }

      ......

    }

 

#ifdef LOOPER_USES_EPOLL

    intepollEvents = 0;

    // 将用户的事件转换成epoll使用的值

    if(events & ALOOPER_EVENT_INPUT) epollEvents |= EPOLLIN;

    if(events & ALOOPER_EVENT_OUTPUT) epollEvents |= EPOLLOUT;

    {

       AutoMutex _l(mLock);

       Request request; // 创建一个Request对象

       request.fd = fd; // 保存fd

       request.ident = ident; // 保存id

       request.callback = callback; //保存callback

       request.data = data;  // 保存用户自定义数据

 

       struct epoll_event eventItem;

       memset(& eventItem, 0, sizeof(epoll_event));

       eventItem.events = epollEvents;

       eventItem.data.fd = fd;

        // 判断该Request是否已经存在，mRequests以fd作为key值

       ssize_t requestIndex = mRequests.indexOfKey(fd);

        if(requestIndex < 0) {

           // 如果是新的文件句柄，则需要为epoll增加该fd

           int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &eventItem);

           ......

           // 保存Request到mRequests键值数组

           mRequests.add(fd, request);

        }else {

           // 如果之前加过，那么就修改该监听句柄的一些信息

           int epollResult = epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &eventItem);

          ......

           mRequests.replaceValueAt(requestIndex, request);

        }

    }

#else

    ......

#endif

    return1;

}

4. 处理监控请求

我们发现在pollInner()函数中，当某个监控fd上发生事件后，就会把对应的Request取出来调用。

pushResponse(events, mRequests.itemAt(i));

此函数如下：

[Looper.cpp-->Looper::pushResponse()]

void Looper::pushResponse(int events, constRequest& request) {

    Responseresponse;

   response.events = events;

   response.request = request; //其实很简单，就是保存所发生的事情和对应的Request

    mResponses.push(response);//然后保存到mResponse数组

}

根据前面的知识可知，并不是单独处理Request，而是需要先收集Request，等到Native Message消息处理完之后再做处理。这表明，在处理逻辑上，Native Message的优先级高于监控FD的优先级。

下面来了解如何添加Native的Message。

5. Native的sendMessage

Android 2.2中只有Java层才可以通过sendMessage()往MessageQueue中添加消息，从4.0开始，Native层也支持sendMessage()了。sendMessage()的代码如下：

[Looper.cpp-->Looper::sendMessage()]

void Looper::sendMessage(constsp<MessageHandler>& handler,

                              constMessage& message) {

    //Native的sendMessage函数必须同时传递一个Handler

    nsecs_tnow = systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC);

   sendMessageAtTime(now, handler, message); //调用sendMessageAtTime

}

[Looper.java-->Looper::sendMessageAtTime()]

void Looper::sendMessageAtTime(nsecs_t uptime,

                                     constsp<MessageHandler>& handler,

                                     constMessage& message) {

   size_t i= 0;

    {

       AutoMutex _l(mLock);

 

       size_t messageCount = mMessageEnvelopes.size();

        // 按时间排序，将消息插入到正确的位置上

       while (i < messageCount &&

               uptime >= mMessageEnvelopes.itemAt(i).uptime) {

           i += 1;

        }

       MessageEnvelope messageEnvelope(uptime, handler, message);

       mMessageEnvelopes.insertAt(messageEnvelope, i, 1);

        // mSendingMessage和Java层中的那个mBlocked一样，是一个小小的优化措施

        if(mSendingMessage) {

           return;

        }

    }

    // 唤醒epoll_wait，让它处理消息

    if (i ==0) {

       wake();

    }

}

2.3.4 MessageQueue总结

想不到，一个小小的MessageQueue竟然有如此多的内容。在后面分析Android输入系统时，会再次在Native层和MessageQueue碰面，这里仅是为后面的相会打下一定的基础。

现在将站在一个比具体代码更高的层次来认识一下MessageQueue和它的伙伴们。

1. 消息处理的大家族合照

MessageQueue只是消息处理大家族的一员，该家族的成员合照如图2-5所示。

图 2 - 5 消息处理的家族合照

结合前述内容可从图2-5中得到：

·  Java层提供了Looper类和MessageQueue类，其中Looper类提供循环处理消息的机制，MessageQueue类提供一个消息队列，以及插入、删除和提取消息的函数接口。另外，Handler也是在Java层常用的与消息处理相关的类。

·  MessageQueue内部通过mPtr变量保存一个Native层的NativeMessageQueue对象，mMessages保存来自Java层的Message消息。

·  NativeMessageQueue保存一个native的Looper对象，该Looper从ALooper派生，提供pollOnce和addFd等函数。

·  Java层有Message类和Handler类，而Native层对应也有Message类和MessageHandler抽象类。在编码时，一般使用的是MessageHandler的派生类WeakMessageHandler类。

注意 在include/media/stagfright/foundation目录下也定义了一个ALooper类，它是供stagefright使用的类似Java消息循环的一套基础类。这种同名类的产生，估计是两个事先未做交流的Group的人写的。

2. MessageQueue处理流程总结

·  MessageQueue核心逻辑下移到Native层后，极大地拓展了消息处理的范围，总结一下有以下几点：

·  MessageQueue继续支持来自Java层的Message消息，也就是早期的Message加Handler的处理方式。

·  MessageQueue在Native层的代表NativeMessageQueue支持来自Native层的Message，是通过Native的Message和MessageHandler来处理的。

·  NativeMessageQueue还处理通过addFd添加的Request。在后面分析输入系统时，还会大量碰到这种方式。

·  从处理逻辑上看，先是Native的Message，然后是Native的Request，最后才是Java的Message。

2.4 本章小结

本章先对Java层的Binder架构做了一次较为深入的分析。Java层的Binder架构和Native层Binder架构类似，但是Java的Binder在通信上还是依赖Native层的Binder。建议想进一步了解Native Binder工作原理的读者，阅读卷I第6章“深入理解Binder”。另外，本章还对MessageQueue进行了较为深入的分析。Android 2.2中那个功能简单的MessageQueue现在变得复杂了，原因是该类的核心逻辑下移到Native层，导致现在的MessageQueue除了支持Java层的Message派发外，还新增了支持Native Message派发以及处理来自所监控的文件句柄的事件。