Android Framework 架构介绍，Binder理解

2024-02-11 17:28:34

一，Android Framework架构介绍

1.Android系统架构

Android本质就是在标准的Linux系统上增加了Java虚拟机Dalvik/ART，并在Dalvik/ART虚拟机上搭建了一个JAVA的application framework，所有的应用程序都是基于JAVA的application framework之上。

Android分为四个层，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux内核层。

Android Framework 架构介绍，Binder理解 — Android架构

Linux 内核

原生 C/C++ 库 + Android Runtime

Java API 框架（Android Framework 框架层）

系统应用

1）APPLICATION （System Apps）

该层提供一些核心应用程序包，主要为系统中的应用，如桌面，闹铃，设置，日历，电话，短信等系统应用。同时，应用开发工程师设计和编写属于的应用程序也在这一层。

2）APPLICATION FRAMEWORK（Java API 框架）

应用框架层为开发人员提供了可以开发应用程序所需要的API，我们平常开发应用程序都是调用的这一层所提供的API，当然也包括系统的应用。这一层的是由Java代码编写的，所以可以称为Java Framework。应用框架层是系统的核心部分，一方面向上提供接口给应用层调用，另一方面向下与C/C++程序库以及硬件抽象层等进行衔接。

应用程序框架层包括活动管理器、位置管理器、包管理器、通知管理器、资源管理器、电话管理器、窗口管理器、内容提供者、视图系统和XMPP服务十个部分。

3）系统运行库层（C/C++程序库和Android运行时库）

① C/C++程序库

Android 包含一些C/C++库，这些库能被Android系统中不同的组件使用。它们通过 Android 应用程序框架为开发者提供服务。以下是一些核心库：

② Android Runtime运行时库

运行时库又分为核心库和ART(5.0系统之后，Dalvik虚拟机被ART取代)。核心库提供了Java语言核心库的大多数功能，这样开发者可以使用Java语言来编写Android应用。相较于JVM，Dalvik虚拟机是专门为移动设备定制的，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。而替代Dalvik虚拟机的ART的机制与Dalvik不同。在Dalvik下，应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器转换为机器码，这会拖慢应用的运行效率，而在ART 环境中，应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，使其成为真正的本地应用。

4）Linux Kernel

Android 的核心系统服务基于Linux 内核，在此基础上添加了部分Android专用的驱动。系统的安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型等都依赖于该内核。Linux内核也是作为硬件与软件栈的抽象层。

5）各层之间的联系

从下至上排序，Linux层为第1层，系统运行库层为第2层，JavaFrameWork层为第3层，System Apps层为第4层；

Android的第一层是用C语言实现，第二层由C和C++实现，第3、4层主要是用Java实现的；

第1、2层之间，从linux的操作系统的角度来看，是由内核空间和用户空间的分界线；

第2、3层之间是本地代码层和java代码层的接口；

第3、4层之间，是android的系统API的接口；

第一层运行于内核空间，第2、3、4层运行于用户空间。

2.Android系统启动过程

Android启动过程包含从Linux内核加载到Home应用程序启动的整个过程。

1）Android是基于linux内核的系统平台，启动时，首先通过Bootloader（系统加载器），加载Linux内核。在Linux加载启动时，与普通的Linux启动过程相同，先初始化内核，然后调用init进程（Linux用户空间中第一个进程，是所有进程的父进程）。

2） Init进程启动Zygote。init进程启动. init进程主要来创建和挂载启动所需的文件目录，启动属性服务（类似于windows的注册表），启动Zygote进程。

3） Zygote(孵化器)进程的建立是真正的Android运行空间，Zygote孵化第一个进程SystemServer，SystemServer启动各种系统服务线程。

SystemServer进程在Android的运行环境中扮演了"神经中枢"的作用，APK应用中能够直接交互的大部分系统服务都在该进程中运行，常见的比如WindowManagerServer（WMS）、ActivityManagerSystemService（AMS）、PackageManagerServer（PMS）等，这些系统服务都是以一个线程的方式存在于SystemServer进程中。

SystemService会启动Binder线程池创建SystemServiceManage对系统服务的创建启动和生命周期进程管理，并启动各种java层系统服务，接着会调用WMS,AMS等服务的systemReady()完成启动.

4）当以上服务线程都启动后，AMS以systemReady调用完成最后启动，在ActivityManagerService的systemReady方法中调用startHomeActivityLocked来启动Action为Intent.ACTION_MAIN Category为Intent.CATEGORY_HOME的应用，也就是Launcher所配置的标签，启动第一个Activity。至此，Android系统的启动完成。

三，Binder理解

以下内容基于《Android Framework精编内核解析》

1）Binder概述

Android系统中，每个应用程序是由Android的Activity，Service，Broadcast，ContentProvider这四剑客的中一个或多个组合而成，这四剑客所涉及的多进程间的通信底层都是依赖于Binder IPC机制。例如当进程A中的Activity要向进程B中的Service通信，这便需要依赖于Binder IPC。不仅于此，整个Android系统架构中，大量采用了Binder机制作为IPC（Inter-Process Communication 进程间通信）方案，当然也存在部分其他的IPC方式，比如Zygote通信便是采用socket。

Binder作为Android系统提供的一种IPC机制，无论从事系统开发还是应用开发，都应该有所了解，这是Android系统中最重要的组成，也是最难理解的一块知识点，错综复杂。

① IPC原理

从进程角度来看IPC机制

每个Android的进程，只能运行在自己进程所拥有的虚拟地址空间。对应一个4GB的虚拟地址空间，其中3GB是用户空间，1GB是内核空间，当然内核空间的大小是可以通过参数配置调整的。对于用户空间，不同进程之间彼此是不能共享的，而内核空间却是可共享的。Client进程向Server进程通信，恰恰是利用进程间可共享的内核内存空间来完成底层通信工作的，Client端与Server端进程往往采用ioctl（ioctl 是设备驱动程序中设备控制接口函数，打开关闭，读写）等方法跟内核空间的驱动进行交互。

② Binder通信原理

Binder通信采用C/S架构，从组件视角来说，包含Client、Server、ServiceManager以及Binder驱动，其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。架构图如下所示：

可以看出无论是注册服务和获取服务的过程都需要ServiceManager，需要注意的是此处的Service Manager是指Native层的ServiceManager（C++），并非指framework层的ServiceManager(Java)。ServiceManager是整个Binder通信机制的大管家，是Android进程间通信机制Binder的守护进程，要掌握Binder机制，首先需要了解系统是如何首次启动Service Manager。当Service Manager启动之后，Client端和Server端通信时都需要先获取Service Manager接口，才能开始通信服务。

图中Client/Server/ServiceManage之间的相互通信都是基于Binder机制。既然基于Binder机制通信，那么同样也是C/S架构，则图中的3大步骤都有相应的Client端与Server端。

注册服务：Server进程要先注册Service到ServiceManager。该过程：Server是客户端，ServiceManager是服务端。

获取服务：Client进程使用某个Service前，须先向ServiceManager中获取相应的Service。该过程：Client是客户端，ServiceManager是服务端。

使用服务：Client根据得到的Service信息建立与Service所在的Server进程通信的通路，然后就可以直接与Service交互。该过程：client是客户端，server是服务端。

图中的Client,Server,Service Manager之间交互都是虚线表示，是由于它们彼此之间不是直接交互的，而是都通过与Binder驱动进行交互的，从而实现IPC通信方式。其中Binder驱动位于内核空间，Client,Server,Service Manager位于用户空间。Binder驱动和Service Manager可以看做是Android平台的基础架构，而Client和Server是Android的应用层，开发人员只需自定义实现client、Server端，借助Android的基本平台架构便可以直接进行IPC通信。

③ C/S模式

BpBinder(客户端)和BBinder(服务端)都是Android中Binder通信相关的代表。

client端：BpBinder.transact()来发送事务请求；

server端：BBinder.onTransact()会接收到相应事务。

2）Binder 驱动概述

Binder 驱动是 Android 专用的，但底层的驱动架构与 Linux 驱动一样。binder驱动在以 misc 设备进行注册，作为虚拟字符设备，没有直接操作硬件，只是对设备内存的处理。主要是驱动设备的初始化(binder_init)，打开 (binder_open)，映射(binder_mmap)，数据操作(binder_ioctl)。

Binder 驱动的 init 、 open 、 mmap 、 ioctl这 4 个核心方法：

初始化(binder_init)，为了注册 misc 设备，初始化字符设备；
打开 (binder_open)，打开 binder 驱动设备；
映射(binder_mmap)，申请内存空间，实现用户空间的 Buffer 和内核空间的Buffer 同步操作的功能；
数据操作(binder_ioctl)，该函数负责在两个进程间收发 IPC 数据和 IPC reply 数据，执行相应的 ioctl 操作；

3）ServiceManager

① 启动 ServiceManager

ServiceManager 是 Binder IPC 通信过程中的守护进程，本身也是一个 Binder服务，ServiceManager 本身工作相对简单，其核心功能：查询和注册服务。对于 Binder IPC
通信过程中，其实更多的情形是 BpBinder 和 BBinder 之间的通信，比如ActivityManagerProxy 和 ActivityManagerService 之间的通信等。

注册服务：记录服务名和 handle 信息，保存到 svclist 列表；
查询服务：根据服务名查询相应的的 handle 信息。

ServiceManger 集中管理系统内的所有服务，通过权限控制进程是否有权注册服务,通过字符串名称来查找对应的Service; 由于ServiceManger进程建立跟所有向其注册服务的死亡通知, 那么当服务所在进程死亡后, 会只需告知ServiceManager。每个 Client 通过查询 ServiceManager 可获取 Server 进程的情况，降低所有 Client 进程直接检测会导致负载过重。

② 获取 ServiceManager

获取 Service Manager 是通过 defaultServiceManager() 方法来完成，当进程注册服务(addService)或获取服务(getService)的过程之前，都需要先调用
defaultServiceManager()方法来获取 gDefaultServiceManager 对象。对于gDefaultServiceManager 对象，如果存在则直接返回；如果不存在则创建该对象，创建过程包括调用 open()打开 binder 驱动设备，利用 mmap()映射内核的地址空间。

4）framework层分析

主要分析Binder在java framework层的框架

Binder架构

binder在framework层，采用JNI技术来调用native(C/C++)层的binder架构，从而为上层应用程序提供服务。 native层中，binder是C/S架构，分为Bn端(Server)和Bp端(Client)。对于java层在命名与架构上非常相近，同样实现了一套IPC通信架构。

图中红色代表整个framework层 binder架构相关组件；

Binder类代表Server端，BinderProxy类代码Client端；

图中蓝色代表Native层Binder架构相关组件；

上层framework层的Binder逻辑是建立在Native层架构基础之上的，核心逻辑都是交予Native层方法来处理。

framework层的ServiceManager类与Native层的功能并不完全对应，framework层的ServiceManager类的实现最终是通过BinderProxy传递给Native层来完成的。

如何使用AIDL（重点）

AIDL是Android中IPC（Inter-Process Communication）方式中的一种，AIDL是Android Interface definition language的缩写。其主要作用是用于进程间的通讯。

既然在Android系统中，进程间相互独立，但是有时候我们又有应用间进行互动的需求，比较传递数据或者任务委托等，AIDL就是为了满足这种需求而诞生的。通过AIDL，可以在一个进程中获取另一个进程的数据和调用其暴露出来的方法，从而满足进程间通信的需求。进程间相互传递的数据类型如下：

八种基本数据类型：byte、char、short、int、long、float、double、boolean

String，CharSequence

实现了Parcelable接口的数据类型

List 类型。List承载的数据必须是AIDL支持的类型，或者是其它声明的AIDL对象

Map类型。Map承载的数据必须是AIDL支持的类型，或者是其它声明的AIDL对象

编写代码：

创建两个工程，一个作为服务端，一个作为客户端，客户端绑定服务端service，然后调用方法向服务端获取书籍名称，向服务端添加书籍序号。

1）创建服务端

① 在Android Studio中 src目录上右键创建一个AIDL文件并命名，完成后会再main下自动生成一个aidl目录，该目录的包名和java下的包名是一致的。

创建完成后样式如下图所示：

每次生成的.aidl文件后我们需要build一下才能让系统生成自后我们能使用文件。因为在进程间通信中真正起作用的并不是 AIDL 文件，而是系统据此而生成的文件，在Android Studio下，我们可以在build/generated/aidl目录下找到这些Java文件。之后需要使用到当中的内部静态抽象类 Stub。
当然我们可以在所有aidl文件写完再build，也可以每次写完一个build一下。

② 我们在java对应bean目录下生成一个实体类，这里我们写一个书籍类；

我们要在AIDL中用到这个实体类，所以需要用Parcelable序列化该实体类：

③ 接着我们要把用到的bean类在上面创建的aidl包下相同目录下创建对应实体类的aidl文件，并把它改为声明parcelable数据类型的AIDL文件；

注意这里的parcelable是小写。

④ 然后可以再开始写的IMyAidlInterface.aidl里定义能被客户端调用的接口：

至此，我们的aidl文件写完了，写完后我们make project或者make对应的module让漏掉的文件自动生成。

⑤ 接下来在java下创建一个类IBinder继承IMyAidlInterface.aidl对应的IMyAidlInterface.Stub，实现对应的方法：

⑥ 然后使用服务暴露接口给外部，创建一个服务RemoteService 继承Service，实现对应方法，绑定MyBinder：

⑦ 在清单文件里注册服务：

到这里服务端的完成了.接下来是创建客户端。

2）创建Client客户端

① 新建一个工程作为客户端，我们把服务端的的aidl整个包下所有东西都拷贝到新项目中，然后make project或者make对应的module：

② 如果aidl有用到bean实体类，我们也要把这些实体类照搬过来：

③ 接下来，我们就可以在客户端的activity里连接远程服务实现aidl通信：

具体代码如下：

public class ClientActivity extends AppCompatActivity {

    private IMyAidlInterface iMyAidlInterface;
    private TextView textView;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        textView = findViewById(R.id.txt);
        bind();
    }

    private boolean connected = false;
    private ServiceConnection serviceConnection;
    private void bind() {
        Intent intent = new Intent();
        intent.setComponent(new ComponentName("com.example.aidl", "com.example.aidl.RemoteService"));
        bindService(intent, serviceConnection = new ServiceConnection() {

            @Override
            public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
                Log.d("chin", "onServiceConnected");
                connected = true;
                iMyAidlInterface = IMyAidlInterface.Stub.asInterface(service);
                try {
                    textView.setText(iMyAidlInterface.getName());
                    iMyAidlInterface.setNumber(56);
                } catch (RemoteException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
                Log.d("chin", "onServiceDisconnected");
                iMyAidlInterface = null;
                connected = false;
            }
        }, BIND_AUTO_CREATE);
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        super.onDestroy();
        unbindService(serviceConnection);
    }
}

在onServiceConnected()回调中，我们使用IMyAidlInterface.Stub.asInterface(service)方法返回我们的接口的引用。接着客户端就可以通过它来与服务端通信了。

先运行服务端，在运行客户端，得到结果如下：