Android Binder 进程间通讯机制梳理

2022-01-15 19:45:47

什么是 Binder ？

Binder是Android系统中进程间通讯（IPC）的一种方式，也是Android系统中最重要的特性之一。Binder的设计采用了面向对象的思想，在Binder通信模型的四个角色里面；他们的代表都是“Binder”，这样，对于Binder通信的使用者而言，Server里面的Binder和Client里面的Binder没有什么不同，一个Binder对象就代表了所有，它不用关心实现的细节，甚至不用关心驱动以及SM的存在；这就是抽象。

通常意义下，Binder指的是一种通信机制；我们说AIDL使用Binder进行通信，指的就是Binder这种IPC机制。
对于Server进程来说，Binder指的是Binder本地对象
对于Client来说，Binder指的是Binder代理对象，它只是Binder本地对象的一个远程代理；对这个Binder代理对象的操作，会通过驱动最终转发到Binder本地对象上去完成；对于一个拥有Binder对象的使用者而言，它无须关心这是一个Binder代理对象还是Binder本地对象；对于代理对象的操作和对本地对象的操作对它来说没有区别。
对于传输过程而言，Binder是可以进行跨进程传递的对象；Binder驱动会对具有跨进程传递能力的对象做特殊处理：自动完成代理对象和本地对象的转换。

面向对象思想的引入将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法，而其独特之处在于Binder对象是一个可以跨进程引用的对象，它的实体（本地对象）位于一个进程中，而它的引用（代理对象）却遍布于系统的各个进程之中。最诱人的是，这个引用和java里引用一样既可以是强类型，也可以是弱类型，而且可以从一个进程传给其它进程，让大家都能访问同一Server，就象将一个对象或引用赋值给另一个引用一样。Binder模糊了进程边界，淡化了进程间通信过程，整个系统仿佛运行于同一个面向对象的程序之中。形形色色的Binder对象以及星罗棋布的引用仿佛粘接各个应用程序的胶水，这也是Binder在英文里的原意。

理解Binder对于理解整个Android系统有着非常重要的作用，如果对Binder不了解，就很难对Android系统机制有更深入的理解。

1. Binder 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，

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。

Binder 在 framework 层进行了封装，通过 JNI 技术调用 Native（C/C++）层的 Binder 架构。

Binder 在 Native 层以 ioctl 的方式与 Binder 驱动通讯。

BpBinder(客户端)和BBinder(服务端)都是Android中Binder通信相关的代表，它们都从IBinder类中派生而来，关系图如下：

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 机制

首先需要注册服务端，只有注册了服务端，客户端才有通讯的目标，服务端通过 ServiceManager 注册服务，注册的过程就是向 Binder 驱动的全局链表 binder_procs 中插入服务端的信息（binder_proc 结构体，每个 binder_proc 结构体中都有 todo 任务队列），然后向 ServiceManager 的 svcinfo 列表中缓存一下注册的服务。

有了服务端，客户端就可以跟服务端通讯了，通讯之前需要先获取到服务，拿到服务的代理，也可以理解为引用。比如下面的代码：

//获取WindowManager服务引用
WindowManager wm = (WindowManager)getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);

获取服务端的方式就是通过 ServiceManager 向 svcinfo 列表中查询一下返回服务端的代理，svcinfo 列表就是所有已注册服务的通讯录，保存了所有注册的服务信息。

有了服务端的引用我们就可以向服务端发送请求了，通过 BinderProxy 将我们的请求参数发送给 ServiceManager，通过共享内存的方式使用内核方法 copy_from_user() 将我们的参数先拷贝到内核空间，这时我们的客户端进入等待状态，然后 Binder 驱动向服务端的 todo 队列里面插入一条事务，执行完之后把执行结果通过 copy_to_user() 将内核的结果拷贝到用户空间（这里只是执行了拷贝命令，并没有拷贝数据，binder只进行一次拷贝），唤醒等待的客户端并把结果响应回来，这样就完成了一次通讯。

怎么样是不是很简单，以上就是 Binder 机制的主要通讯方式，下面我们来看看具体实现。

3. Binder 驱动

我们先来了解下用户空间与内核空间是怎么交互的。

先了解一些概念

用户空间/内核空间
详细解释可以参考 Kernel Space Definition；简单理解如下：

Kernel space 是 Linux 内核的运行空间，User space 是用户程序的运行空间。为了安全，它们是隔离的，即使用户的程序崩溃了，内核也不受影响。

Kernel space 可以执行任意命令，调用系统的一切资源； User space 只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源，必须通过系统接口（又称 system call），才能向内核发出指令。

系统调用/内核态/用户态
虽然从逻辑上抽离出用户空间和内核空间；但是不可避免的的是，总有那么一些用户空间需要访问内核的资源；比如应用程序访问文件，网络是很常见的事情，怎么办呢？

Kernel space can be accessed by user processes only through the use of system calls.

用户空间访问内核空间的唯一方式就是系统调用；通过这个统一入口接口，所有的资源访问都是在内核的控制下执行，以免导致对用户程序对系统资源的越权访问，从而保障了系统的安全和稳定。用户软件良莠不齐，要是它们乱搞把系统玩坏了怎么办？因此对于某些特权操作必须交给安全可靠的内核来执行。

当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。

内核模块/驱动

通过系统调用，用户空间可以访问内核空间，那么如果一个用户空间想与另外一个用户空间进行通信怎么办呢？很自然想到的是让操作系统内核添加支持；传统的 Linux 通信机制，比如 Socket，管道等都是内核支持的；但是 Binder 并不是 Linux 内核的一部分，它是怎么做到访问内核空间的呢？ Linux 的动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM）机制解决了这个问题；模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行。这样，Android系统可以通过添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间的通过这个模块作为桥梁，就可以完成通信了。

在 Android 系统中，这个运行在内核空间的，负责各个用户进程通过 Binder 通信的内核模块叫做 Binder 驱动;

驱动程序一般指的是设备驱动程序（Device Driver），是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作；

和路由器一样，Binder驱动虽然默默无闻，却是通信的核心。尽管名叫‘驱动’，实际上和硬件设备没有任何关系，只是实现方式和设备驱动程序是一样的：它工作于内核态，提供open()，mmap()，poll()，ioctl()等标准文件操作，以字符驱动设备中的misc设备注册在设备目录/dev下，用户通过/dev/binder访问该它。驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。驱动和应用程序之间定义了一套接口协议，主要功能由ioctl()接口实现，不提供read()，write()接口，因为ioctl()灵活方便，且能够一次调用实现先写后读以满足同步交互，而不必分别调用write()和read()。Binder驱动的代码位于linux目录的drivers/misc/binder.c中。

熟悉了上面这些概念，我们再来看下上面的图，用户空间中 binder_open(), binder_mmap(), binder_ioctl() 这些方法通过 system call 来调用内核空间 Binder 驱动中的方法。内核空间与用户空间共享内存通过 copy_from_user(), copy_to_user() 内核方法来完成用户空间与内核空间内存的数据传输。 Binder驱动中有一个全局的 binder_procs 链表保存了服务端的进程信息。

4. Binder内存机制

binder_mmap：binder_mmap(文件描述符，用户虚拟内存空间)

主要功能：首先在内核虚拟地址空间，申请一块与用户虚拟内存相同大小的内存；然后再申请1个page大小的物理内存，再将同一块物理内存分别映射到内核虚拟地址空间和用户虚拟内存空间，从而实现了用户空间的Buffer和内核空间的Buffer同步操作的功能。

binder_mmap通过加锁，保证一次只有一个进程分配内存，保证多进程间的并发访问。其中user_buffer_offset是虚拟进程地址与虚拟内核地址的差值(该值为负数)。也就是说同一物理地址，当内核地址为kernel_addr，则进程地址为proc_addr = kernel_addr + user_buffer_offset。因为分配给内核的虚拟地址是高位，所以是负值。

这也是Binder进程间通信效率高的核心机制所在，如下图

虚拟进程地址空间(vm_area_struct)和虚拟内核地址空间(vm_struct)都映射到同一块物理内存空间。当Client端与Server端发送数据时，Client（作为数据发送端）先从自己的进程空间把IPC通信数据copy_from_user拷贝到内核空间，而Server端（作为数据接收端）与内核共享数据，不再需要拷贝数据，而是通过内存地址空间的偏移量，即可获悉内存地址，整个过程只发生一次内存拷贝。一般地做法，需要Client端进程空间拷贝到内核空间，再由内核空间拷贝到Server进程空间，会发生两次拷贝。

这里解释下：这里有三个业务方：发送方，binder 驱动（内核），接收方。其中接收方和内核是共享内存的。发送方需要将数据拷贝到内核指向的地址空间。

对于进程和内核虚拟地址映射到同一个物理内存的操作是发生在数据接收端，而数据发送端还是需要将用户态的数据复制到内核态。到此，可能有读者会好奇，为何不直接让发送端和接收端直接映射到同一个物理空间，那样就连一次复制的操作都不需要了，0次复制操作那就与Linux标准内核的共享内存的IPC机制没有区别了，对于共享内存虽然效率高，但是对于多进程的同步问题比较复杂，而管道/消息队列等IPC需要复制2两次，效率较低。这里就不先展开讨论Linux现有的各种IPC机制跟Binder的详细对比，总之Android选择Binder的基于速度和安全性的考虑。

下面这图是从Binder在进程间数据通信的流程图，从图中更能明了Binder的内存转移关系。

5. Binder 进程与线程

对于底层Binder驱动，通过 binder_procs 链表记录所有创建的 binder_proc 结构体，binder 驱动层的每一个 binder_proc 结构体都与用户空间的一个用于 binder 通信的进程一一对应，且每个进程有且只有一个 ProcessState 对象，这是通过单例模式来保证的。在每个进程中可以有很多个线程，每个线程对应一个 IPCThreadState 对象，IPCThreadState 对象也是单例模式，即一个线程对应一个 IPCThreadState 对象，在 Binder 驱动层也有与之相对应的结构，那就是 Binder_thread 结构体。在 binder_proc 结构体中通过成员变量 rb_root threads，来记录当前进程内所有的 binder_thread。

Binder 线程池：每个 Server 进程在启动时创建一个 binder 线程池，并向其中注册一个 Binder 线程；之后 Server 进程也可以向 binder 线程池注册新的线程，或者 Binder 驱动在探测到没有空闲 binder 线程时主动向 Server 进程注册新的的 binder 线程。对于一个 Server 进程有一个最大 Binder 线程数限制，默认为16个 binder 线程，例如 Android 的 system_server 进程就存在16个线程。对于所有 Client 端进程的 binder 请求都是交由 Server 端进程的 binder 线程来处理的。

Binder IPC机制，就是指在进程间传输数据（binder_transaction_data），一次数据的传输，称为事务（binder_transaction）。对于多个不同进程向同一个进程发送事务时，这个同一个进程或线程的事务需要串行执行，在Binder驱动中为binder_proc和binder_thread都有todo队列。

也就是说对于进程间的通信，就是发送端把binder_transaction节点，插入到目标进程或其子线程的todo队列中，等目标进程或线程不断循环地从todo队列中取出数据并进行相应的操作。

在Binder驱动层，每个接收端进程都有一个todo队列，用于保存发送端进程发送过来的binder请求，这类请求可以由接收端进程的任意一个空闲的binder线程处理；接收端进程存在一个或多个binder线程，在每个binder线程里都有一个todo队列，也是用于保存发送端进程发送过来的binder请求，这类请求只能由当前binder线程来处理。binder线程在空闲时进入可中断的休眠状态，当自己的todo队列或所属进程的todo队列有新的请求到来时便会唤醒，如果是由所需进程唤醒的，那么进程会让其中一个线程处理响应的请求，其他线程再次进入休眠状态。

6. ServiceManager 启动

了解了 Binder 驱动，怎么与 Binder 驱动进行通讯呢？那就是通过 ServiceManager，好多文章称 ServiceManager 是 Binder 驱动的守护进程，大管家，其实 ServiceManager 的作用很简单就是提供了查询服务和注册服务的功能。下面我们来看一下 ServiceManager 启动的过程。

ServiceManager 分为 framework 层和 native 层，framework 层只是对 native 层进行了封装方便调用，图上展示的是 native 层的 ServiceManager 启动过程。

ServiceManager 的启动是系统在开机时，init 进程解析 init.rc 文件调用 service_manager.c 中的 main() 方法入口启动的。 native 层有一个 binder.c 封装了一些与 Binder 驱动交互的方法。

ServiceManager 的启动分为三步，首先打开驱动创建全局链表 binder_procs，然后将自己当前进程信息保存到 binder_procs 链表，最后开启 loop 不断的处理共享内存中的数据，并处理 BR_xxx 命令（ioctl 的命令，BR 可以理解为 binder reply 驱动处理完的响应）。

ServiceManager本身工作相对简单，其功能：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。

7. ServiceManager 注册服务

首先 ServiceManager 向 Binder 驱动发送 BC_TRANSACTION 命令（ioctl 的命令，BC 可以理解为 binder client 客户端发过来的请求命令）携带 ADD_SERVICE_TRANSACTION 命令，同时注册服务的线程进入等待状态 waitForResponse()。 Binder 驱动收到请求命令向 ServiceManager 的 todo 队列里面添加一条注册服务的事务。事务的任务就是创建服务端进程 binder_node 信息并插入到 binder_procs 链表中。

事务处理完之后发送 BR_TRANSACTION 命令，ServiceManager 收到命令后向 svcinfo 列表中添加已经注册的服务。最后发送 BR_REPLY 命令唤醒等待的线程，通知注册成功。

8. ServiceManager 获取服务

获取服务的过程与注册类似，相反的过程。通过 ServiceManager 的 getService() 方法来注册服务。

首先 ServiceManager 向 Binder 驱动发送 BC_TRANSACTION 命令携带 CHECK_SERVICE_TRANSACTION 命令，同时获取服务的线程进入等待状态 waitForResponse()。

Binder 驱动收到请求命令向 ServiceManager 的发送 BC_TRANSACTION 查询已注册的服务，查询到直接响应 BR_REPLY 唤醒等待的线程。若查询不到将与 binder_procs 链表中的服务进行一次通讯再响应。

请求服务(getService)区分请求服务所属进程情况：

当请求服务的进程与服务属于不同进程，则为请求服务所在进程创建binder_ref对象，指向服务进程中的binder_node;
- 最终readStrongBinder()，返回的是BpBinder对象；
当请求服务的进程与服务属于同一进程，则不再创建新对象，只是引用计数加1，并且修改type为BINDER_TYPE_BINDER或BINDER_TYPE_WEAK_BINDER。
- 最终readStrongBinder()，返回的是BBinder对象的真实子类