Android Binder 全解析(3) -- AIDL原理剖析

摘要本文是 Android 系统学习系列文章中的第二章节，在前面一些细节概念的铺垫下，大体上知道 Binder Framework 是怎么运作的，在这边文章中，将详细说明下 Binder Framework 的具体实现，这一套机制如何盘活整个 Android 系统。对此系列感兴趣的同学，可以收藏这个链接 Android 系统学习，也可以点击 RSS订阅 进行订阅。

• DONE: Android Binder 完全解析（一）概述
• DONE: Android Binder 完全解析（二）设计详解
• DONE: Android Binder 完全解析（三）AIDL实现原理分析

IBinder 与 Binder

一个在同进程的对象的抽象是 Object，但这个对象是不能被跨进程使用的，要想跨进程使用，在 Android 中就必须依附于 Binder Framework。基于抽象设计的原理，Android系统将一个可远程操作的应用定义为 IBinder，在这个接口中定义了一个可远程调用对象应该具有的属性和方法，在代码中实际使用的Binder 也都是继承自 IBinder 对象。我们接下来分析 IBinder 中定义了那些接口，是怎么抽象出可远程调用相关的方法的。

public interface IBinder {    ... ...    // 查看 binder 对应的进程是否存活    public boolean pingBinder();    // 查看 binder 是否存活，需要注意的是，可能在返回的过程中，binder 不可用    public  boolean isBinderAlive();    /**     * 执行一个对象的方法，     *     * @param 需要执行的命令     * @param 传输的命令数据，这里一定不能为空     * @param 目标 Binder 返回的结果，可能为空     * @param 操作方式，0 等待 RPC 返回结果，1 单向的命令，最常见的就是 Intent.     */    public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException;    // 注册对Binder死亡通知的观察者，在其死亡后，会收到相应的通知    // 这里先跳过，后续    public void linkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags) throws RemoteException;    ... ...}

如注释中所述，最重要的方法是 transact 方法，要理解这个方法是干嘛的，得看ipcthreadstate.cpp 源代码里的说明。

status_t IPCThreadState::transact(int32_t handle,                                  uint32_t code, const Parcel& data,                                  Parcel* reply, uint32_t flags){    status_t err = data.errorCheck();    flags |= TF_ACCEPT_FDS;    ... ...    if (err == NO_ERROR) {        LOG_ONEWAY(">>>> SEND from pid %d uid %d %s", getpid(), getuid(),            (flags & TF_ONE_WAY) == 0 ? "READ REPLY" : "ONE WAY");        err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, NULL);    }    if (err != NO_ERROR) {        if (reply) reply->setError(err);        return (mLastError = err);    }    if ((flags & TF_ONE_WAY) == 0) {        ... ...        if (reply) {            err = waitForResponse(reply);        } else {            Parcel fakeReply;            err = waitForResponse(&fakeReply);        }        ... ...    } else {        err = waitForResponse(NULL, NULL);    }    return err;}

这是截取过后的源码，刨除了一些支线逻辑，从这个代码里面可以看到的主要逻辑就是：根据Uid 和 Pid （用户id和进程id）进行相应的校验，校验通过后，将相应的数据写入writeTransactionData ，其后在 waitForResponse 里面读取前面写入的值，并执行相应的方法，最后返回结果。

总结地来说，就是 IBinder 抽象了远程调用的接口，任何一个可远程调用的对象都应该实现这个接口。由于 IBinder 对象是一个高度抽象的结构，直接使用这个接口对于应用层的开发者而言学习成本太高，需要涉及到不少本地实现，因而 Android 实现了 Binder 作为 IBinder 的抽象类，提供了一些默认的本地实现，当开发者需要自定义实现的时候，只需要重写 Binder 中的 protected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) 方法即可。

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自动售货机的故事

先偏一个题，夏天一到，天气也变得炎热，地铁旁边的自动售货机开始有更多的人关顾了。那么售货机是怎么工作的了？通过对这个分析，可以对Binder Proxy/Stub 模式更好地理解。

和我们打交道得是售货机，而不是背后的零售商，道理很简单，零售商的位置是固定的，也就意味着有很大的交通成本，而和售货机打交道就轻松很多，毕竟售货机就在身边。因而从客户端的角度上看，只需要知道售货机即可。

再从零售商的角度来看，要和为数众多的售货机打交道也是不容易的事情，需要大量的维护和更新成本，如果将起交由另一个中介公司，就能够省心不少。零售商只关心这个中介公司，按时发货，检查营收，这就是所有它应该完成的工作。

如上图所示，在 Binder Framework 中也采用了类似的结构，Proxy 就相当于前面提及的售货机，Stub 相当于这里的中介公司，在这样的设计下，客户端只需要和 Proxy 打交道，服务端只需要和 Stub 打交道，调理清晰很多。这种模式又被称为 Proxy / Stub 模式，这种模式也值得我们在日后的开发中借鉴。另外需要注意的是，为了开发的需要，通常 Proxy 和 Stub 实现了相同的接口。

在这里 Stub 是具体的远程方法实现，也被称为存根，Proxy 继承了相应的接口，但只是在这里面调用远程方法，并返回相应的结果。

AIDL 是什么？它是如何运作的？

虽然上述的模式帮助我们将远程方法调用与服务具体实现解耦开来，但是这里面还是又不少代码需要实现，而且远程方法调用这一块应该是重复代码，那么有什么方法来帮我们简化这个步骤吗？

Android 的设计者在一开始也意识到这个问题，推出了 AIDL，如下图所示

现在我们来分析下，Android Framework 是如何把 AIDL 运行起来的，首先来看看一个大数相乘的例子，想把这个耗时的操作，放到另一个进程上来调用，于是定义了下面的 IMultiply.aidl 文件。

// IMultiply.aidlpackage com.wandoujia.baymax.aidl;interface IMultiply {    long multiply(long left, long right);}

在 Android Studio 中点击 Clean / Rebuild Project 之后，可以在 build / genreated / Source 的目录里面找到 IMultiply.java 文件，具体的代码如下：

/* * This file is auto-generated.  DO NOT MODIFY. * Original file: /Users/QisenTang/Program/Wandoulabs/baymax/packages/baymax/src/main/aidl/com/wandoujia/baymax/aidl/IMultiply.aidl */package com.wandoujia.baymax.aidl;// Declare any non-default types here with import statementspublic interface IMultiply extends android.os.IInterface {  /**   * Local-side IPC implementation stub class.   */  public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply {    private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply";    /**     * Construct the stub at attach it to the interface.     */    public Stub() {      this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);    }    /**     * Cast an IBinder object into an com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply interface,     * generating a proxy if needed.     */    public static com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply asInterface(android.os.IBinder obj) {      if ((obj == null)) {        return null;      }      android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);      if (((iin != null) && (iin instanceof com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply))) {        return ((com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply) iin);      }      return new com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply.Stub.Proxy(obj);    }    @Override    public android.os.IBinder asBinder() {      return this;    }    @Override    public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {      switch (code) {        case INTERFACE_TRANSACTION: {          reply.writeString(DESCRIPTOR);          return true;        }        case TRANSACTION_multiply: {          data.enforceInterface(DESCRIPTOR);          long _arg0;          _arg0 = data.readLong();          long _arg1;          _arg1 = data.readLong();          long _result = this.multiply(_arg0, _arg1);          reply.writeNoException();          reply.writeLong(_result);          return true;        }      }      return super.onTransact(code, data, reply, flags);    }    private static class Proxy implements com.wandoujia.baymax.aidl.IMultiply {      private android.os.IBinder mRemote;      Proxy(android.os.IBinder remote) {        mRemote = remote;      }      @Override      public android.os.IBinder asBinder() {        return mRemote;      }      public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {        return DESCRIPTOR;      }      @Override      public long multiply(long left, long right) throws android.os.RemoteException {        android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();        android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();        long _result;        try {          _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);          _data.writeLong(left);          _data.writeLong(right);          mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_multiply, _data, _reply, 0);          _reply.readException();          _result = _reply.readLong();        } finally {          _reply.recycle();          _data.recycle();        }        return _result;      }    }    static final int TRANSACTION_multiply = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);  }  public long multiply(long left, long right) throws android.os.RemoteException;}

这段自动的生成的代码，可读性上不是很好，但不影响我们进行分析。这段自动生成的代码中，最重要的是三个部分，Proxy，Stub和asInterface。

首先看看Proxy的实现，首先是将远程的Binder作为参数传入进来，再来看看 multiply 这个方法里面的下面几个步骤。首先是将left 和 right的参数写入到_data中去，同时在 远程binder 调用结束后，得到返回的 _reply ，在没有异常的情况下，返回_reply.readLong()的结果。根据 Android Binder 完全解析（一）概述 提到的内容，这里可以粗略地将 Binder 看做远程服务抛出的句柄，通过这个句柄就可以执行相应的方法了。这里需要额外说明的是，写入和传输的数据，都是 Parcelable，Android Framework 中提供的

_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);_data.writeLong(left);_data.writeLong(right);mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_multiply, _data, _reply, 0);_reply.readException();_result = _reply.readLong();

再来看看Stub里面的实现，Stub本身继承了Binder抽象类，本身将作为一个句柄，实现在服务端，但传递给客户端使用。同样也看看 onTransact里面的方法，首先是通过long _arg0; _arg0 = data.readLong(); 读取 left 和 right 参数，在this.multiply(_arg0, _arg1)计算过后，将结果写入到reply中。

细心的读者，可以从上面的描述中，发现一些有意思的东西。Proxy 是写入参数，读取值；Stub 是读取参数，写入值。正好是一对，那因此我们是不是可以做出这样的论断呢？Proxy 和 Stub 操作的是一份数据？恭喜你，答对了。

在前文提及的内容里，用户空间和内核空间是互相隔离的，客户端和服务端在同一用户空间，而 Binder Driver 在内核空间中，常见的方式是通过 copy_from_user 和 copy_to_user 两个系统调用来完成，但 Android Framework 考虑到这种方式涉及到两次内存拷贝，在嵌入式系统中不是很合适，于是 Binder Framework 通过 ioctl 系统调用，直接在内核态进行了相关的操作，节省了宝贵的空间。

可能大家也注意点 Proxy 这里是private权限的，外部是无法访问的，但这里是 Android 有意为之，抛出了 asInterface 方法，这样避免了对 Proxy可能的修改。

系统使用AIDL的场景

AIDL 被Android 系统广泛使用，在许多地方都能看到相应的场景，这里以 电话服务 作为例子，来简单说明下如何在系统没有提供挂断电话的API的情况下强行挂电话。

通过的 ITelephony.aidl 的查看，可以在里面找到相应的接口，不过这个类是 internal 包里面的，应用层无法访问。那怎么来完成这个操作了？

 /**  * End call if there is a call in progress, otherwise does nothing.  *  * @return whether it hung up  */ boolean endCall();

首先在相同包名下申明同样的AIDL文件，再通过编译后，就会生成相应的 Stub 文件。其次通过反射拿到 TELEPHONY_SERVICE 的binder。这个 binder 就是可以操作另一个进程来挂断电话的句柄。将这个binder 作为 Proxy 的参数，并通过 asInterface 注入进去，从何获得相应的接口，最后调用 telephony.endCall() 即可完成操作。

Method method = Class.forName("android.os.ServiceManager").getMethod("getService", String.class);IBinder binder = (IBinder) method.invoke(null, new Object[]{TELEPHONY_SERVICE});ITelephony telephony = ITelephony.Stub.asInterface(binder);telephony.endCall();

参考文献

1. https://developer.android.com/guide/components/aidl.html
2. http://8204129.blog.51cto.com/8194129/1357365

Published: May 30 2016

• Category: 
• Android 37

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