图文详解 Android Binder跨进程通信机制原理

2022-11-20 10:16:34

图文详解 Android Binder跨进程通信机制原理

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

定义

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，我们先了解一些基础知识

2.1 进程空间分配

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：
1. 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
2. 进程间，内核空间的数据可共享，所以内核空间 = 可共享空间
进程内用户与内核进行交互称为系统调用

示意图

2.2 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

2.3 跨进程通信（ `IPC` ）

隔离后，由于某些需求，进程间需要合作 / 交互
跨进程间通信的原理
1. 先通过进程间的内核空间进行数据交互
2. 再通过进程内的用户空间 & 内核空间进行数据交互，从而实现进程间的用户空间的数据交互

示意图

而Binder，就是充当连接两个进程（内核空间）的通道。

3. Binder 跨进程通信机制模型

3.1 模型原理

Binder 跨进程通信机制模型基于 Client - Server 模式，模型原理图如下：

相信我，一张图就能解决问题

示意图

3.2 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：

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
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

示意图

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

示意图

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
管理Binder模型的线程是采用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：
1. Client进程需要传两个整数给 Server进程
2. 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
1. Binder 实体是 Server进程在 Binder 驱动中的存在形式
2. 该对象保存 Server 和 ServiceManager 的信息（保存在内核空间中）
3. 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：

示意图

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
1. Client进程将参数（整数a和b）发送到Server进程
2. Server进程根据Client进程要求调用目标方法（即加法函数）
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
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

原理图
流程图

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：

高效
1. Binder数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、Socket都需要2次
2. 通过驱动在内核空间拷贝数据，不需要额外的同步处理
安全性高
Binder 机制为每个进程分配了 UID/PID 来作为鉴别身份的标示，并且在 Binder 通信时会根据 UID/PID 进行有效性检测
1. 传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证
2. 如，Socket通信 ip地址是客户端手动填入，容易出现伪造

使用简单
1. 采用Client/Server 架构
2. 实现面向对象的调用方式，即在使用Binder时就和调用一个本地对象实例一样

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：

定义
原理图

码农公寓

图文详解 Android Binder跨进程通信机制原理

图文详解 Android Binder跨进程通信机制原理

目录

1. Binder到底是什么？

2. 知识储备

2.1 进程空间分配

2.2 进程隔离

2.3 跨进程通信（ `IPC` ）

3. Binder 跨进程通信机制模型

3.1 模型原理

3.2 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 **

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）

说明3：Binder请求的线程管理

4. Binder机制在Android中的具体实现原理

步骤1：注册服务

步骤2：获取服务

步骤3：使用服务

5. 优点

6. 总结

码农公寓

图文详解 Android Binder跨进程通信机制 原理

目录

1. Binder到底是什么？

2. 知识储备

2.1 进程空间分配

2.2 进程隔离

2.3 跨进程通信（ IPC ）

3. Binder 跨进程通信机制 模型

3.1 模型原理

3.2 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 **

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）

说明3：Binder请求的线程管理

4. Binder机制 在Android中的具体实现原理

步骤1：注册服务

步骤2：获取服务

步骤3：使用服务

5. 优点

6. 总结

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2.3 跨进程通信（ `IPC` ）

3. Binder 跨进程通信机制模型

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 **

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）

4. Binder机制在Android中的具体实现原理