roid 6.0的源码剖析, 本文深度剖析Binder IPC过程, 这绝对是一篇匠心巨作,从Java framework到Native,再到Linux Kernel,带你全程看Binder通信过程.
Android内核是基于Linux系统, 而Linux现存多种进程间IPC方式:管道, 消息队列, 共享内存, 套接字, 信号量, 信号. 为什么Android非要用Binder来进行进程间通信呢.
从我个人的理解角度, 曾尝试着在知乎回答同样一个问题 为什么Android要采用Binder作为IPC机制?.
这是我第一次认认真真地在知乎上回答问题, 收到很多网友的点赞与回复, 让我很受鼓舞, 也决心分享更多优先地文章回报读者和粉丝, 为Android圈贡献自己的微薄之力.
在说到Binder架构之前, 先简单说说大家熟悉的TCP/IP的五层通信体系结构:
这是经典的五层TPC/IP协议体系, 这样分层设计的思想, 让每一个子问题都设计成一个独立的协议, 这协议的设计/分析/实现/测试都变得更加简单:
Binder架构也是采用分层架构设计, 每一层都有其不同的功能:
前面通过一个Binder系列-开篇来从源码讲解了Binder的各个层面, 但是Binder牵涉颇为广泛, 几乎是整个Android架构的顶梁柱, 虽说用了十几篇文章来阐述Binder的各个过程. 但依然还是没有将Binder IPC(进程间通信)的过程彻底说透.
Binder系统如此庞大, 那么这里需要寻求一个出发点来穿针引线, 一窥视Binder全貌. 那么本文将从全新的视角,以startService流程分析为例子来说说Binder所其作用.
首先在发起方进程调用AMP.startService,经过binder驱动,最终调用系统进程AMS.startService,如下图:
AMP和AMN都是实现了IActivityManager接口,AMS继承于AMN. 其中AMP作为Binder的客户端,运行在各个app所在进程, AMN(或AMS)运行在系统进程system_server.
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。下面说说startService过程所涉及的Binder对象的架构图:
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,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, 当然查找懂啊目标信息可以缓存起来则不需要每次都向ServiceManager请求。
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。
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 Driver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.
这3大过程每一次都是一个完整的Binder IPC过程, 接下来从源码角度, 仅介绍第3过程使用服务, 即展开AMP.startService是如何调用到AMS.startService的过程
.
Tips: 如果你只想了解大致过程,并不打算细扣源码, 那么你可以略过通信过程源码分析, 仅看本文第一段落和最后段落也能对Binder所有理解.
主要功能:
sOwnedPool
是一个大小为6,存放着parcel对象的缓存池,这样设计的目标是用于节省每次都创建Parcel对象的开销。obtain()方法的作用:
sOwnedPool
中查询是否存在缓存Parcel对象,当存在则直接返回该对象;nativeCreate这是native方法,经过JNI进入native层, 调用android_os_Parcel_create()方法.
创建C++层的Parcel对象, 该对象指针强制转换为long型, 并保存到Java层的mNativePtr
对象. 创建完Parcel对象利用Parcel对象写数据. 接下来以writeString为例.
将不再使用的Parcel对象放入缓存池,可回收重复利用,当缓存池已满则不再加入缓存池。这里有两个Parcel线程池,mOwnsNativeParcelObject
变量来决定:
mOwnsNativeParcelObject
=true, 即调用不带参数obtain()方法获取的对象, 回收时会放入sOwnedPool
对象池;mOwnsNativeParcelObject
=false, 即调用带nativePtr参数的obtain(long)方法获取的对象, 回收时会放入sHolderPool
对象池;Tips: 除了writeString(),在Parcel.java
中大量的native方法, 都是调用android_os_Parcel.cpp
相对应的方法, 该方法再调用Parcel.cpp
中对应的方法.
调用流程: Parcel.java –> android_os_Parcel.cpp –> Parcel.cpp.
/frameworks/base/core/java/android/os/Parcel.java /frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.cpp /frameworks/native/libs/binder/Parcel.cpp
简单说,就是
mRemote的出生,要出先说说ActivityManagerProxy对象(简称AMP)创建说起, AMP是通过ActivityManagerNative.getDefault()来获取的.
gDefault的数据类型为Singleton<IActivityManager>
, 这是一个单例模式, 接下来看看Singleto.get()的过程
首次调用时需要创建,创建完之后保持到mInstance对象,之后可直接使用.
文章Binder系列7—framework层分析,可知ServiceManager.getService(“activity”)返回的是指向目标服务AMS的代理对象BinderProxy
对象,由该代理对象可以找到目标服务AMS所在进程
此时obj为BinderProxy对象, 记录着远程进程system_server中AMS服务的binder线程的handle.
对于Binder IPC的过程中, 同一个进程的调用则会是asInterface()方法返回的便是本地的Binder对象;对于不同进程的调用则会是远程代理对象BinderProxy.
可知mRemote
便是指向AMS服务的BinderProxy
对象。
mRemote.transact()方法中的code=START_SERVICE_TRANSACTION, data保存了descriptor
,caller
, intent
, resolvedType
, callingPackage
, userId
这6项信息。
transactNative是native方法,经过jni调用android_os_BinderProxy_transact方法。
gBinderProxyOffsets.mObject中保存的是BpBinder
对象, 这是开机时Zygote调用AndroidRuntime::startReg
方法来完成jni方法的注册.
其中register_android_os_Binder()过程就有一个初始并注册BinderProxy的操作,完成gBinderProxyOffsets的赋值过程. 接下来就进入该方法.
IPCThreadState::self()采用单例模式,保证每个线程只有一个实例对象。
transact主要过程:
mOut
写入数据,此时mIn
还没有数据;mIn
, 则根据收到的不同响应吗,执行相应的操作。此处调用waitForResponse根据是否有设置TF_ONE_WAY
的标记:
将数据写入mOut
在这个过程中, 常见的几个BR_命令:
规律: BC_TRANSACTION + BC_REPLY = BR_TRANSACTION_COMPLETE + BR_DEAD_REPLY + BR_FAILED_REPLY
处于剩余的BR_命令.
binder_write_read结构体用来与Binder设备交换数据的结构, 通过ioctl与mDriverFD通信,是真正与Binder驱动进行数据读写交互的过程。 ioctl()方法经过syscall最终调用到Binder_ioctl()方法.
[-> Binder.c]
由【小节2.11】传递过出来的参数 cmd=BINDER_WRITE_READ
首先,根据传递过来的文件句柄指针获取相应的binder_proc结构体, 再从中查找binder_thread,如果当前线程已经加入到proc的线程队列则直接返回,
如果不存在则创建binder_thread,并将当前线程添加到当前的proc.
此时arg是一个binder_write_read
结构体,mOut
数据保存在write_buffer,所以write_size>0,但此时read_size=0。首先,将用户空间bwr结构体拷贝到内核空间,然后执行binder_thread_write()操作.
不断从binder_buffer所指向的地址获取cmd, 当只有BC_TRANSACTION
或者BC_REPLY
时, 则调用binder_transaction()来处理事务.
发送的是BC_TRANSACTION时,此时reply=0。
BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE
写入当前线程.mIn
.对于startService过程, 显然没有指定oneway的方式,那么发起者进程还会继续停留在waitForResponse()方法,等待收到BR_REPLY消息. 由于在前面binder_transaction过程中,除了向自己所在线程写入了BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE, 还向目标进程(此处为system_server)写入了
BINDER_WORK_TRANSACTION命令. 而此时system_server进程的binder线程一旦空闲便是停留在binder_thread_read()方法来处理进程/线程新的事务, 收到的是BINDER_WORK_TRANSACTION
命令, 经过binder_thread_read()后生成命令BR_TRANSACTION.同样的流程.
接下来,从system_server
的binder线程一直的执行流: IPC.joinThreadPool –> IPC.getAndExecuteCommand() -> IPC.talkWithDriver() ,但talkWithDriver收到事务之后, 便进入IPC.executeCommand(), 接下来,从executeCommand说起.
还记得AndroidRuntime::startReg过程吗, 其中有一个过程便是register_android_os_Binder(),该过程会把gBinderOffsets.mExecTransact便是Binder.java中的execTransact()方法.详见见Binder系列7—framework层分析文章中的第二节初始化的过程.
另外,此处mObject是在服务注册addService过程,会调用writeStrongBinder方法, 将Binder对象传入了JavaBBinder构造函数的参数, 最终赋值给mObject. 在本次通信过程中Object为ActivityManagerNative对象.
此处斗转星移, 从C++代码回到了Java代码. 进入AMN.execTransact, 由于AMN继续于Binder对象, 接下来进入Binder.execTransact
[Binder.java]
当发生RemoteException, RuntimeException, OutOfMemoryError, 对于非oneway的情况下都会把异常传递给调用者.
历经千山万水, 总算是进入了AMS.startService. 当system_server收到BR_TRANSACTION的过程后, 再经历一个类似的过程,将事件告知app所在进程service启动完成.过程基本一致,此处就不再展开.
本文详细地介绍如何从AMP.startService是如何通过Binder一步步调用进入到system_server进程的AMS.startService. 整个过程涉及Java framework, native, kernel driver各个层面知识. 仅仅一个Binder IPC调用, 就花费了如此大篇幅来讲解, 可见系统之庞大. 整个过程的调用流程:
从通信流程角度来看整个过程:
前面第二至第四段落,主要讲解过程 BC_TRANSACTION –> BR_TRANSACTION_COMPLETE –> BR_TRANSACTION. 有兴趣的同学可以再看看后面3个事务的处理:BC_REPLY –> BR_TRANSACTION_COMPLETE –> BR_REPLY,这两个流程基本是一致的.
从通信协议的角度来看这个过程:
BC_TRANSACTION
和BC_REPLY
, 所有Binder Driver向Binder客户端或者服务端发送的命令则都是以BR_开头, 例如本文中的BR_TRANSACTION
和BR_REPLY
.BC_TRANSACTION
或者BC_REPLY
时, 才调用binder_transaction()来处理事务. 并且都会回应调用者一个BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE
事务, 经过binder_thread_read()会转变成BR_TRANSACTION_COMPLETE
.上图是非oneway通信过程的协议图, 下图则是对于oneway场景下的通信协议图:
当收到BR_TRANSACTION_COMPLETE则程序返回,有人可能觉得好奇,为何oneway怎么还要等待回应消息? 我举个例子,你就明白了.
你(app进程)要给远方的家人(system_server进程)邮寄一封信(transaction), 你需要通过邮寄员(Binder Driver)来完成.整个过程如下:
BC_TRANSACTION
);BR_TRANSACTION_COMPLETE
). 这样你才放心知道邮递员已确定接收信, 否则就这样走了,信到底有没有交到邮递员手里都不知道,这样的通信实在太让人不省心, 长时间收不到远方家人的回信, 无法得知是在路的中途信件丢失呢,还是压根就没有交到邮递员的手里. 所以说oneway也得知道信是投递状态是否成功.BR_TRANSACTION
);当你收到回执(BR_TRANSACTION_COMPLETE)时心里也不期待家人回信, 那么这便是一次oneway的通信过程.
如果你希望家人回信, 那便是非oneway的过程,在上述步骤2后并不是直接返回,而是继续等待着收到家人的回信, 经历前3个步骤之后继续执行:
BC_REPLY
;BR_TRANSACTION_COMPLETE
)给你家人;BR_REPLY
)这便是一次完成的非oneway通信过程.
oneway与非oneway: 都是需要等待Binder Driver的回应消息BR_TRANSACTION_COMPLETE. 主要区别在于oneway的通信收到BR_TRANSACTION_COMPLETE则返回,而不会再等待BR_REPLY消息的到来.