3分鐘帶你看懂a(chǎn)ndroid中的Binder機(jī)制

一.引言

最近一段時(shí)間由于工作，接觸到framework部分比較多一點(diǎn)，也難免要和Binder打一些交道，也整理了一些相關(guān)知識(shí)，但準(zhǔn)備寫這篇文章時(shí)，還是有些慌。而且關(guān)于整個(gè)Binder機(jī)制的復(fù)雜程度不是三言兩語(yǔ)能描敘清楚的，也害怕自己的理解有些偏差，誤導(dǎo)一些朋友（ps:反正也沒人看....扎心）所以也參考了很多資料。

本文主要站在Android開發(fā)的角度來大致解析下Binder在java層的一些知識(shí)原理，給大家腦子形成一個(gè)完整的概念，比如AIDL的實(shí)現(xiàn)原理，Binder是怎么通信的等等，文章文字較多，請(qǐng)耐心觀看

二.Binder概述

2.1 Android為什么選擇Binder

Android是基于Linux內(nèi)核的，所以Android要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信，其實(shí)大可使用linux原有的一些手段，比如管道，共享內(nèi)存，socket等方式，但是Android還是采用了Binder作為主要機(jī)制，說明Binder具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

其實(shí)進(jìn)程通信大概就兩個(gè)方面因素，一者性能方面，傳輸效率問題，傳統(tǒng)的管道隊(duì)列模式采用內(nèi)存緩沖區(qū)的方式，數(shù)據(jù)先從發(fā)送方緩存區(qū)拷貝到內(nèi)核開辟的緩存區(qū)中，然后再?gòu)膬?nèi)核緩存區(qū)拷貝到接收方緩存區(qū)，至少有兩次拷貝過程，而socket都知道傳輸效率低，開銷大，用于跨網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程交互比較多，共享內(nèi)存雖然無需拷貝。

二者這是安全問題，Android作為一個(gè)開放式，擁有眾多開發(fā)者的的平臺(tái)，應(yīng)用程序的來源廣泛，確保終端安全是非常重要的，傳統(tǒng)的IPC通信方式?jīng)]有任何措施，基本依靠上層協(xié)議，其一無法確認(rèn)對(duì)方可靠的身份，Android為每個(gè)安裝好的應(yīng)用程序分配了自己的UID，故進(jìn)程的UID是鑒別進(jìn)程身份的重要標(biāo)志，傳統(tǒng)的IPC要發(fā)送類似的UID也只能放在數(shù)據(jù)包里，但也容易被攔截，惡意進(jìn)攻，socket則需要暴露自己的ip和端口，知道這些惡意程序則可以進(jìn)行任意接入。

綜上所述，Android需要一種高效率，安全性高的進(jìn)程通信方式，也就是Binder，Binder只需要一次拷貝，性能僅次于共享內(nèi)存，而且采用的傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性也是沒得說，發(fā)送添加UID/PID，安全性高。

2.2 Binder實(shí)現(xiàn)機(jī)制

2.2.1進(jìn)程隔離

我們知道進(jìn)程之間是無法直接進(jìn)行交互的，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)享自己的數(shù)據(jù)，而且操作系統(tǒng)為了保證自身的安全穩(wěn)定性，將系統(tǒng)內(nèi)核空間和用戶空間分離開來，保證用戶程序進(jìn)程崩潰時(shí)不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的說就是，內(nèi)核空間（Kernel）是系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行的空間，用戶空間（UserSpace）是用戶程序運(yùn)行的空間。為了保證安全性，它們之間是隔離的，所以用戶空間的進(jìn)程要進(jìn)行交互需要通過內(nèi)核空間來驅(qū)動(dòng)整個(gè)過程。

2.2.2 C/S結(jié)構(gòu)

Binder是基于C/S機(jī)制的，要實(shí)現(xiàn)這樣的機(jī)制，server必須需要有特定的節(jié)點(diǎn)來接受到client的請(qǐng)求，也就是入口地址，像輸入一個(gè)網(wǎng)址，通過DNS解析出對(duì)應(yīng)的ip，然后進(jìn)行訪問，這個(gè)就是server提供出來的節(jié)點(diǎn)地址，而Binder而言的話，與傳統(tǒng)的C/S不太一樣，Binder本身來作為Server中提供的節(jié)點(diǎn)，client拿到Binder實(shí)體對(duì)象對(duì)應(yīng)的地址去訪問Server，對(duì)于client而言，怎么拿到這個(gè)地址并建立起整個(gè)通道是整個(gè)交互的關(guān)鍵所在，而且Binder作為一個(gè)Server中的實(shí)體，對(duì)象提供一系列的方法來實(shí)現(xiàn)服務(wù)端和客戶端之間的請(qǐng)求，只要client拿到這個(gè)引用就可以或者一個(gè)有著該方法代理對(duì)象的引用，就可以進(jìn)行通信了。

引用Android Bander設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 設(shè)計(jì)篇一段話來總結(jié)：

面向?qū)ο笏枷氲囊雽⑦M(jìn)程間通信轉(zhuǎn)化為通過對(duì)某個(gè)Binder對(duì)象的引用調(diào)用該對(duì)象的方法，而其獨(dú)特之處在于Binder對(duì)象是一個(gè)可以跨進(jìn)程引用的對(duì)象，它的實(shí)體位于一個(gè)進(jìn)程中，而它的引用卻遍布于系統(tǒng)的各個(gè)進(jìn)程之中。最誘人的是，這個(gè)引用和java里引用一樣既可以是強(qiáng)類型，也可以是弱類型，而且可以從一個(gè)進(jìn)程傳給其它進(jìn)程，讓大家都能訪問同一Server，就象將一個(gè)對(duì)象或引用賦值給另一個(gè)引用一樣。Binder模糊了進(jìn)程邊界，淡化了進(jìn)程間通信過程，整個(gè)系統(tǒng)仿佛運(yùn)行于同一個(gè)面向?qū)ο蟮某绦蛑小Ｐ涡紊腂inder對(duì)象以及星羅棋布的引用仿佛粘接各個(gè)應(yīng)用程序的膠水，這也是Binder在英文里的原意。

2.2.3 Binder通信模型

Binder基于C/S的結(jié)構(gòu)下，定義了4個(gè)角色：Server、Client、ServerManager、Binder驅(qū)動(dòng)，其中前三者是在用戶空間的，也就是彼此之間無法直接進(jìn)行交互，Binder驅(qū)動(dòng)是屬于內(nèi)核空間的，屬于整個(gè)通信的核心，雖然叫驅(qū)動(dòng)，但是實(shí)際上和硬件沒有太大關(guān)系，只是實(shí)現(xiàn)的方式和驅(qū)動(dòng)差不多，驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)進(jìn)程之間Binder通信的建立，Binder在進(jìn)程之間的傳遞，Binder引用計(jì)數(shù)管理，數(shù)據(jù)包在進(jìn)程之間的傳遞和交互等一系列底層支持。

ServerManager的作用？

我們知道ServerManager也是屬于用戶空間的一個(gè)進(jìn)程，主要作用就是作為Server和client的橋梁，client可以ServerManager拿到Server中Binder實(shí)體的引用，這么說可能有點(diǎn)模糊，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們?cè)L問，www.baidu.com，百度首頁(yè)頁(yè)面就顯示出來了，首先我們知道，這個(gè)頁(yè)面肯定是發(fā)布在百度某個(gè)服務(wù)器上的，DNS通過你這個(gè)地址，解析出對(duì)應(yīng)的ip地址，再去訪問對(duì)應(yīng)的頁(yè)面，然后再把數(shù)據(jù)返回給客戶端，完成交互。這個(gè)和Binder的C/S非常類似，這里的DNS就是對(duì)應(yīng)的ServerManager，首先，Server中的Binder實(shí)體對(duì)象，將自己的引用（也就是ip地址）注冊(cè)到ServerManager，client通過特定的key（也就是百度這個(gè)網(wǎng)址）和這個(gè)引用進(jìn)行綁定，ServerManager內(nèi)部自己維護(hù)一個(gè)類似MAP的表來一一對(duì)應(yīng)，通過這個(gè)key就可以向ServerManager拿到Server中Binder的引用，對(duì)應(yīng)到Android開發(fā)中，我們知道很多系統(tǒng)服務(wù)都是通過Binder去和AMS進(jìn)行交互的，比如獲取音量服務(wù)：

AudioManager am = (AudioManager)context.getSystemService(Context.AUDIO_SERVICE);

細(xì)心的朋友應(yīng)該發(fā)現(xiàn)ServerManager和Server也是兩個(gè)不同的進(jìn)程呀，Server要向ServerManager去注冊(cè)不是也要涉及到進(jìn)程間的通信嗎，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信又要用到進(jìn)程間的通信，你這不是扯犢子嗎....莫急莫急，Binder的巧妙之處在于，當(dāng)ServerManager作為Serve端的時(shí)候，它提供的Binder比較特殊，它沒有名字也不需要注冊(cè)，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令將自己注冊(cè)成SMgr時(shí)Binder驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)為它創(chuàng)建Binder實(shí)體，這個(gè)Binder的引用在所有Client中都固定為0而無須通過其它手段獲得。也就是說，一個(gè)Server若要向ServerManager注冊(cè)自己Binder就必需通過0這個(gè)引用號(hào)和ServerManager的Binder通信,有朋友又要問了，server和client屬于兩個(gè)不同的進(jìn)程，client怎么能拿到server中對(duì)象，不妨先看看下面的交互圖

image

從上圖很清晰的可以看出來整個(gè)的交互過程，原本從SM中拿到binder的引用，通過Binder驅(qū)動(dòng)層的處理之后，返回給了client一個(gè)代理對(duì)象，實(shí)際上如果client和server處于同一個(gè)進(jìn)程，返回的就是當(dāng)前binder對(duì)象，如果client和server不處于同一個(gè)進(jìn)程，返回給client的就是一個(gè)代理對(duì)象，這一點(diǎn)，有興趣可以看下源碼。

2.2.4 Binder角色的定位

Binder本質(zhì)上只是提供了一種通信的方式，和我們具體要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容沒有關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)服務(wù)，我們需要定義一些接口，讓client能夠遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)，因?yàn)槭强邕M(jìn)程，這時(shí)候就要設(shè)計(jì)到代理模式，以接口函數(shù)位基準(zhǔn)，client和server去實(shí)現(xiàn)接口函數(shù)，Server是服務(wù)真正的實(shí)現(xiàn)，client作為一個(gè)遠(yuǎn)程的調(diào)用。

  • 從Server進(jìn)程來看，Binder是存在的實(shí)體對(duì)象，client通過transact()函數(shù)，經(jīng)過Binder驅(qū)動(dòng)，最終回調(diào)到Binder實(shí)體的onTransact()函數(shù)中。
  • 從 Client進(jìn)程的角度看，Binder 指的是對(duì) Binder 代理對(duì)象，是 Binder 實(shí)體對(duì)象的一個(gè)遠(yuǎn)程代理，通過Binder驅(qū)動(dòng)進(jìn)行交互

3.手寫進(jìn)程通信

上面說了那么多，大家伙也看累了，下面通過代碼的形式讓大家對(duì)Binder加深點(diǎn)理解，日常開發(fā)中，涉及到進(jìn)程間通信的話，我們首先想到的可能就是AIDL，但不知道有沒有和我感覺一樣的朋友。。第一次寫AIDL是蒙蔽的，通過.aidl文件，編譯器自動(dòng)生成代碼，生成一個(gè)java文件，里面又有Stub類，里面還有Proxy類，完全不理解里面的機(jī)制，確實(shí)不便于我們理解學(xué)習(xí)，為了加深理解，我們拋棄aidl，手寫一個(gè)通信代碼。

首先我們要定義一個(gè)接口服務(wù)，也就是上述的服務(wù)端要具備的能力來提供給客戶端,定義一個(gè)接口繼承IInterface，代表了服務(wù)端的能力

public interface PersonManger extends IInterface {
    void addPerson(Person mPerson);
    List<Person> getPersonList();
}

接下來我們就要定義一個(gè)Server中的Binder實(shí)體對(duì)象了，首先肯定要繼承Binder，其次需要實(shí)現(xiàn)上面定義好的服務(wù)接口

public abstract class BinderObj extends Binder implements PersonManger {
    public static final String DESCRIPTOR = "com.example.taolin.hellobinder";
    public static final int TRANSAVTION_getPerson = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION;
    public static final int TRANSAVTION_addPerson = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1;
    public static PersonManger asInterface(IBinder mIBinder){
        IInterface iInterface = mIBinder.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
        if (null!=iInterface&&iInterface instanceof PersonManger){
            return (PersonManger)iInterface;
        }
        return new Proxy(mIBinder);
    }
    @Override
    protected boolean onTransact(int code, @NonNull Parcel data, @Nullable Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
        switch (code){
            case INTERFACE_TRANSACTION:
                reply.writeString(DESCRIPTOR);
                return true;

            case TRANSAVTION_getPerson:
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                List<Person> result = this.getPersonList();
                reply.writeNoException();
                reply.writeTypedList(result);
                return true;

            case TRANSAVTION_addPerson:
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                Person arg0 = null;
                if (data.readInt() != 0) {
                    arg0 = Person.CREATOR.createFromParcel(data);
                }
                this.addPerson(arg0);
                reply.writeNoException();
                return true;
        }
        return super.onTransact(code, data, reply, flags);

    }

    @Override
    public IBinder asBinder() {
        return this;
    }
    
}

首先我們看asInterface方法，Binder驅(qū)動(dòng)傳來的IBinder對(duì)象，通過queryLocalInterface方法，查找本地Binder對(duì)象，如果返回的就是PersonManger，說明client和server處于同一個(gè)進(jìn)程，直接返回，如果不是，返回給一個(gè)代理對(duì)象。

當(dāng)然作為代理對(duì)象，也是需要實(shí)現(xiàn)服務(wù)接口

public class Proxy implements PersonManger {
    private IBinder mIBinder;
    public Proxy(IBinder mIBinder) {
        this.mIBinder =mIBinder;
    }

    @Override
    public void addPerson(Person mPerson) {
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel replay = Parcel.obtain();

        try {
            data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            if (mPerson != null) {
                data.writeInt(1);
                mPerson.writeToParcel(data, 0);
            } else {
                data.writeInt(0);
            }
            mIBinder.transact(BinderObj.TRANSAVTION_addPerson, data, replay, 0);
            replay.readException();
        } catch (RemoteException e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            replay.recycle();
            data.recycle();
        }
    }

    @Override
    public List<Person> getPersonList() {
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel replay = Parcel.obtain();
        List<Person> result = null;
        try {
            data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            mIBinder.transact(BinderObj.TRANSAVTION_getPerson, data, replay, 0);
            replay.readException();
            result = replay.createTypedArrayList(Person.CREATOR);
        }catch (RemoteException e){
            e.printStackTrace();
        } finally{
            replay.recycle();
            data.recycle();
        }
        return result;
    }

    @Override
    public IBinder asBinder() {
        return null;
    }
}

這里的代理對(duì)象實(shí)質(zhì)就是client最終拿到的代理服務(wù)，通過這個(gè)就可以和Server進(jìn)行通信了，首先通過Parcel將數(shù)據(jù)序列化，然后調(diào)用 remote.transact()將方法code，和data傳輸過去，對(duì)應(yīng)的會(huì)回調(diào)在在Server中的onTransact()中

然后是我們的Server進(jìn)程,onBind方法返回mStub對(duì)象，也就是Server中的Binder實(shí)體對(duì)象

public class ServerSevice extends Service {
    private static final String TAG = "ServerSevice";
    private List<Person> mPeople = new ArrayList<>();


    @Override
    public void onCreate() {
        mPeople.add(new Person());
        super.onCreate();
    }

    @Nullable
    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mStub;
    }
    private BinderObj mStub = new BinderObj() {
        @Override
        public void addPerson(Person mPerson) {
            if (mPerson==null){
                mPerson = new Person();
                Log.e(TAG,"null obj");
            }
            mPeople.add(mPerson);
            Log.e(TAG,mPeople.size()+"");
        }

        @Override
        public List<Person> getPersonList() {
            return mPeople;
        }
    };
}

最終我們?cè)诳蛻舳诉M(jìn)程，bindService傳入一個(gè)ServiceConnection對(duì)象，在與服務(wù)端建立連接時(shí)，通過我們定義好的BinderObj的asInterface方法返回一個(gè)代理對(duì)象，再調(diào)用方法進(jìn)行交互

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private boolean isConnect = false;
    private static final String TAG = "MainActivity";
    private PersonManger personManger;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        start();
        findViewById(R.id.textView).setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View v) {
                if (personManger==null){
                    Log.e(TAG,"connect error");
                    return;
                }
                personManger.addPerson(new Person());
                Log.e(TAG,personManger.getPersonList().size()+"");
            }
        });
    }

    private void start() {
        Intent intent = new Intent(this, ServerSevice.class);
        bindService(intent,mServiceConnection,Context.BIND_AUTO_CREATE);
    }
    private ServiceConnection mServiceConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            Log.e(TAG,"connect success");
            isConnect = true;
            personManger = BinderObj.asInterface(service);
            List<Person> personList = personManger.getPersonList();
            Log.e(TAG,personList.size()+"");
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
            Log.e(TAG,"connect failed");
            isConnect = false;
        }
    };
}

這樣的話，一次完成的進(jìn)程間的交互就完成了~是不是感覺沒有想象中那么難，最后建議大家在不借助 AIDL 的情況下手寫實(shí)現(xiàn) Client 和 Server 進(jìn)程的通信，加深對(duì) Binder 通信過程的理解。

本文在寫作過程中參考了蠻多的文章和源碼，感謝大佬們的無私奉獻(xiàn)，溜了溜了~

參考文章

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