Binder 机制 | 新小梦

在Linux系统中，采用的是虚拟内存地址，分为内核空间和用户空间，运行在内核空间的进程可以直接进行通信，常为系统进程。而客户程序进程则运行在用户空间，它们之间的通信则需要通过内核空间进行。这样区分主要避免客户程序直接操作内核空间，影响系统的正常运行，对系统的操作交给执行在内核空间的操作系统的程序去执行，避免造成奔溃。

用户程序进程之间的通信，Linux系统支持一下几种。

管道：管道又分匿名管道和命名管道。一端写，一端读，是一种半双工的通信，单向数据流。管道效率较低，涉及四次拷贝：用户空间->内核空间->内存->内核空间->用户空间。且双向通信需要开启两条管道，对资源占用也是比较高。

匿名管道只能在有血缘关系的进程之间进行通信，如父子进程，兄弟进程。由于匿名管道是建立在内存的缓存区上，所以容量一般不太大，且传递的字节流格式需要双方约定。

命名管道则是在实际的文件系统上实现的通信机制，遵循先进先出原则。

信号：是Linux系统中用于进程间互相通信或者操作的一种机制，信号可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。接收进程接收到该信号后去做相应的处理逻辑。

消息队列：存放内核中的消息链表，处理进程不停读取消息内容，然后处理。

共享内存：直接读写同一块内核空间，最快IPC形式。依靠同步机制互斥。

套接字：套接字是一种通信机制，凭借这种机制，客户/服务器（即要进行通信的进程）系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。

Binder机制是Android跨进程通信的一种常用方式之一，例如ContentProvider、MediaServer等等底层大多数进程间通信都是基于Binder机制。

在应用层之上想使用Binder机制进行跨进程通信一般采用AIDL进行开发。

一、序列化

在开始介绍AIDL之前，先介绍一下对象序列化与反序列化。对象要持久化到内存、本地磁盘或者在网络上传输，需要进行序列化。Android序列对象可以通过

1.Serializable 接口

Serializable接口是Java所提供的，为对象提供标准的序列化和反序列化操作。通常一个对象实现Serializable接口，该对象就具有被序列化和反序列化的能力，而且几乎所有工作有系统自动完成。Serializable接口内serialVersionID可指定也可以不指定，其作用是用来判断序列化前和反序列化的类版本是否发生变化。该变量如果值不一致，表示类中某些属性或者方法发生了更改，反序列化则出问题。（静态成员变量和transient关键字标记的成员不参与序列化过程）

2.Parcelable 接口

Parcelable接口是Android所提供的,其实现相对来说比价复杂。实现该接口的类的对象就可以通过Intent和Binder进行传递。

3.两者的区别

Serializable是Java提供的接口，使用简单，但序列化与反序列化需要大量的IO操作，所以开销比较大。Parcelable是Android提供的序列化方法，使用麻烦当效率高。在Android开发中，将对象序列化到设备或者序列化后通过网络传输建议使用Serializable接口，其他情况建议是用Parcelable接口，尤其在内存的序列化上。例如Intent和Binder传输数据。

二、AIDL

在Java层，想利用Binder机制进行跨进程的通信，那就得通过AIDL（Android 接口定义语言）了，AIDL是客户端与服务使用进程间通信 (IPC) 进行相互通信时都认可的编程接口，只有允许不同应用的客户端用 IPC 方式访问服务，并且想要在服务中处理多线程时，才有必要使用 AIDL，如果是在单应用（单进程），建议使用Messager。

1、AIDL支持的数据类型

Java编程语言中的所有原语类型（如 int、long、char、boolean等等）;
String和 CharSequence;
所有实现了Parcelable接口的对象;
AIDL接口;
List，目前List只支持ArrayList类型，持有元素必须是以上讲到类型;
Map，目前只支持HashMap类型，持有元素必须是以上讲到类型;

自定义的Parcelable对象和AIDL接口必须显示导入到AIDL文件中。

数据的走向

Parcelable对象和AIDL接口在使用前必须标明数据的走向：

in客户端流向服务端的数据
out服务端流向客户端的数据
inout 服务端与客户端双向流向的数据

示例：

1	void addUser(inout User user);

2、服务端的实现

通过创建一个Demo来实践AIDL。这里通过新建一个module来表示一个新的应用进程。

2.1、定义数据对象

定义User类，实现了Parcelable接口，作为客户端和服务端传输的数据对象。

public class User implements Parcelable {

    private String username;

    private String address;

    public User() {
    }
    
    public User(String username, String address) {
        this.username = username;
        this.address = address;
    }

    User(Parcel in) {
       readFromParcel(in);
    }
    //系统默认生成，反序列化过程，我们只需要要构造方法读取相关值就可以
    public static final Creator<User> CREATOR = new Creator<User>() {
        @Override
        public User createFromParcel(Parcel in) {
            return new User(in);
        }

        @Override
        public User[] newArray(int size) {
            return new User[size];
        }
    };
     //系统默认生成，内容描述功能，几乎所有情况下都返回0，
     //仅仅当前存在文件描述符，才返回1
    @Override
    public int describeContents() {
        return 0;
    }
    //序列化过程，通过一系列的write将值写到Parcel 对象
    @Override
    public void writeToParcel(Parcel dest, int flags) {
        dest.writeString(username);
        dest.writeString(address);
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return username+":"+address;
    }

    public void readFromParcel(Parcel in){
        username=in.readString();
        address=in.readString();
    }
}

2.2、抽象服务端的服务能力

通过下面方法，建立一个UserManger.aidl文件，表示服务端能为客户端提供什么样的服务。通过Android Studio的右键来新建一个AID。

下面代码通过建立UserManager.aidl文件,为客户端提供addUser和getUser的能力。UserManager.aidl可以理解为，服务端和客户端的共同约定，两者能进行怎么样的交互。

package com.gitcode.server;

// 在这里要导入传递对象的类型，例如User
import com.gitcode.server.User;

interface UserManager {

    void addUser(inout User user);

    User getUser(int index);
}

在相同目录下创建User.aidl，可以直接复制UserManager.aidl,内容修改如下。

1
2
3

package com.gitcode.server;

parcelable User;

定义UserManager.aidl文件后，sync后，系统默认会生成UserManager.java文件。

UserManager.java的代码如下，为了减少篇幅，去掉了一些实现。

public interface UserManager extends android.os.IInterface {

    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.gitcode.server.UserManager {
        private static final String DESCRIPTOR = "com.gitcode.server.UserManager";
        
        public Stub() {
            this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
        }
        
        public static com.gitcode.server.UserManager asInterface(android.os.IBinder obj) {
            if ((obj == null)) {
                return null;
            }
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
            if (((iin != null) && (iin instanceof com.gitcode.server.UserManager))) {
                return ((com.gitcode.server.UserManager) iin);
            }
            return new Stub.Proxy(obj);
        }

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

        @Override
        public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {
           ......
        }

        private static class Proxy implements com.gitcode.server.UserManager {
            private android.os.IBinder mRemote;

            Proxy(android.os.IBinder remote) {
                mRemote = remote;
            }

            @Override
            public android.os.IBinder asBinder() {
                return mRemote;
            }

            public String getInterfaceDescriptor() {
                return DESCRIPTOR;
            }

            @Override
            public void addUser(com.gitcode.server.User user) throws android.os.RemoteException {
                 ......
            }

            @Override
            public com.gitcode.server.User getUser(int index) throws android.os.RemoteException {
                .....
            }
        }

        static final int TRANSACTION_addUser = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
        static final int TRANSACTION_getUser = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);
    }

    public void addUser(com.gitcode.server.User user) throws android.os.RemoteException;

    public com.gitcode.server.User getUser(int index) throws android.os.RemoteException;
}

从上文可知，UserManager本身是一个接口，并继承IInterface接口。UserManager.java声明了addUser和getUser,和在UserManager.aidl的声明是一致的。同时声明两个整型TRANSACTION_addUser和TRANSACTION_getUser,用于在transact()方法中标识调用服务端哪个方法。如果服务端和客户端在不同进程，方法调用会走transact()方法，逻辑由Stub和Proxy内部类完成。

内部类Stub的一些概念和方法含义：

DESCRIPTOR

Binder的唯一标识，一般用当前的类名全名标识。

asInterface(IBinder obj)

将服务端的Binder对象转换成客户端的AIDL接口类型的对象，如果客户端和服务端同一进程，直接返回Stub对象本身，不在同一进程，则返回由系统封装的Stub.proxy对象。

asBinder

返回当前Binder对象

onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)

运行在服务端Binder线程池，当客户端跨进程发起请求后，系统封装后交由此方法来处理。code表示调用服务端什么方法，上文声明的整型。data表示客户端传递过来的数据，reply为服务端对客户端的回复。

内部代理类 Poxy，客户端持有服务端的一个代理引用，通过该引用调用相关服务。

在服务端进程，通常提供多种服务，而每种服务而通过Service来体现，下面定义UserService,继承至Service。

public class UserService extends Service {
    private static final String TAG = "Server";
    private List<User> list = new ArrayList<>();

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        list.add(new User("GitCode", "深圳"));
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        Log.i(TAG,"on Bind");
        return stub;
    }

		//实现UserMananger的Stub
    private UserManager.Stub stub = new UserManager.Stub() {
        @Override
        public void addUser(User user) throws RemoteException {
            list.add(user);
            Log.i(TAG,"add user:"+user);
        }

        @Override
        public User getUser(int index) throws RemoteException {
            Log.i(TAG,"get user,index:"+index);
            return list.size() > index && index >= 0 ? list.get(index) : null;
        }
    };
}

在AndroidManifest.xml文件声明Service，以两个组件形成单独的app来体现两个进程，通过AIDL进行数据交互。在客户端通过bindService()来启动该服务。

<service android:name="com.gitcode.server.UserService"
    android:enabled="true"
    android:exported="true">
        <intent-filter>
            <action android:name="com.gitcode.server.userservice"/>
            <category android:name="android.intent.category.DEFAULT"/>
        </intent-filter>
</service>

3、客户端的实现

客户端主要是通过共同的约定（UserManger.aidl）向服务端进行请求，服务端响应客户端的请求。为了提高效率和减少出错，通过拷贝来实现客户端的AIDL文件。将服务端的aidl整个文件拷贝到客户端的main目录下，不做任何修改。

在客户端建立与服务端User类同包的目录，并将User类拷贝过来，不做任何修改。

在Activity中绑定服务端的Service，绑定成功后进行数据交互。

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private static final String TAG = "Client";
    private UserManager mUserManager;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        toBindService();
    }

    private void toBindService() {
        Intent intent = new Intent("com.gitcode.server.userservice");
        intent.setPackage("com.gitcode.server");
        bindService(intent, connection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
    }

    private ServiceConnection connection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            mUserManager = UserManager.Stub.asInterface(service);

            try {
                User user = mUserManager.getUser(0);
                Log.e(TAG, user.toString());

                mUserManager.addUser(new User("张三","北京"));
            } catch (RemoteException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
        }
    };
}

运行效果：

客户端：

服务端：

4、小结

客户端调用服务的方法，被调用的方法运行在服务端的的Binder线程池，同时客户端会被挂起，如果服务端方法执行耗时操作，就会导致客户端ANR,所以不要在客户端主线程访问远程服务方法。同时服务端不应该自己新建新建线程运行服务方法，因为方法会交由线程池处理，同时对数据也要做好并发访问处理。

AIDL可以说为应用层开发提供了封装，不用过多的了解Binder的机制，通过生成的UserManager.java，初步可以了解Binder的IPC机制。使用AIDL在进程之间进行数据通信，更注重的是细节和业务的实现。

上文demo地址

三、Binder

Binder进制是Android系统提供的一种IPC机制。由于Android是基于Linux内核，之所有不使用原有的 IPC机制，是因为使用Binder机制，能从性能、稳定性、安全性带来更好的效果。例如，Socket是一套通用的接口，传输速率低下，适合网络传输这种情况，而管道和消息队列需要数据的两次拷贝，共享内容难以管控等。而Binder对数据只需要一次拷贝，使用C/S架构，职责明确，容易维护和使用。

通过下图可以了解到，Binder机制通过内存映射实现跨进程通信，Binder在IPC机制只是作为一个数据的载体，当进程A向虚拟内存空间中写入数据，数据会被实时反馈到进程B的虚拟内存空间。整个发送数据的过程，只从用户空间拷贝一次到虚拟内存空间。

在Binder机制中，主要涉及到Client、Server、ServiceManger，三者通过Binder进行跨进程通信，支撑着Android这个大网络。它们的关系如下图。

服务端

服务端，表示提供服务能力的一方，服务端通过向ServiceManger中注册一些Service，对外告知其可提供的服务。例如上文AIDL中，会注册UserService，并为客户端提供添加User和获取User的操作。

客户端

对服务端提供的服务进行业务逻辑操作。通过服务端提供的Service的名称在ServiceManger查询对应的Service。

ServiceManager

ServiceManger集中管理所有Service，和施加权限。为服务端提供注册Service,为客户端提供查找Service能力，类似网络编程中DNS的作用。

图表示三者的C/S架构，例如Client查询向ServiceManger查询Service时，Client就是客户端，而ServiceManger就是服务端。而虚线则表示两者之间通过Binder进行进程间的通信，因此通过了解一条虚线的流程，就可以知道Binder的机制。

1、Service的注册过程

我们常通过getSystemService()函数来获取系统的相关服务，例如ActivityManagerService,那么这些Service从哪里来呢？就是有些服务进程向ServiceManager注册自己的Service，表示自己能对客户端提供什么样的服务。通过了解Service的注册过程，来学习Binder机制的工作原理。

BpServcieXXX和BnServcieXXX是客户端与服务端进程业务层辑实现的封装。BnServiceManger派生自IServiceManager和BBinder类，通过调用BBinder对象的transcat函数的参与通信。是一个虚类，具体的功能需要子类去实现，存在服务端。BpServiceManager派生自BpInterfacle和``BpRefBase接口，其中BpRefBase的mRemote函数返回的就是BpBinder`对象,存在客户端。

BBinder和BpBinder都是IBinder的子类。两者相互对应，客户端通过BpBinder对象与服务端进行通信，而客户端通过BBinder与客户端进行通信。

通过IServiceManger与IBinder架构将业务逻辑与IPC进行分离，下层Binder机制完全可以切换成Linux中的其他通信机制。

1.1 `ProcessState`

每个进程通过单例模式创建了唯一的ProcessState对象,在其构造器中，通过open_driver()方法打开了/dev/hwbinder设备，相当于Server进程打开了与内核的Binder驱动交互的通道，并设置最大支持线程数为15。binder设备是Android在内核中为完成进程间通信而专门设置的一个虚拟设备。

1.2 注册相关Service

BpServiceManger对象实现对IServiceManger的业务函数，又有BpBinder作为通信代表，下面分析一下注册的过程。

将字符串名字和Service对象作为参数传到BpServiceManger对象的addService()函数，该方法将参数数据打包后传递给BpBidner的transact()函数。业务层的逻辑到此就结束，主要作用是将请求信息打包交给通信层去处理。

在BpBinder的transact()函数调用了IPCThreadState对象的transact()函数，所以说BpBinder本身没有参与Binder设备的交互。每个线程都有一个IPCThreadState对象，其拥有一个mOut、mIn的缓冲区，mOut用来存储转发Binder设备的数据，而mIn用来接收Binder设备的数据。通过ioctl方式与Binder设备进行交互。

1.3 小结

通过上文Service的注册过程，分析了Binder的机制。Binder只是通信机制，业务可以基于Binder机制，也可以基于其他IPC方式的机制，也就是上文为啥有BpServiceManger和BpBinder。Binder之所以复杂，是Android通过层层的封装，巧妙的将业务与通信融合在一起。主要还是设计理想很牛逼。

2、`ServiceManger`

通过1小节的分析，是否应该也有一个类继承自BnServiceManger来处理远方请求呢？

很可惜的是在服务端并没有BnServiceManger子类来响应远程客户端的请求，而是交给了ServiceManger来处理。

2.1 成为Service管理中心

ServiceManger通过binder_open函数打开binder设备，并映射内存。通过handler等于0标识自己，让自己成为管理中心，所有service向ServiceManger注册时，都是通过handle标识为的0的BpBinder找到ServiceManger对应的BBinder,ServiceManager会保存要注册的Service的相关信息，方便Client查找。并不是所有的Service都可以在ServiceManger注册，如果Server进程的权限不够root或system,那么需要在allowed添加相应的项。

2.2 `ServiceManger`集中管理带来的好处

统一管理，施加管控权
通知字符串名称查找Service
Server进程生命无常，通过ServiceManger，Client可以实时知道Server进程的最行动态。

3、Client

Client想要使用Server进程提供的Service，又该进行哪些步骤呢？

3.1 查询`ServiceManger`

Client想要得到某个Service的信息，就得与ServiceManager打交道，通过调用getService（）方法来获取对应Service信息。Client通过服务名称向ServiceManger查询对应的Service。如果Service未注册，则循环等待直到该Service注册；如果已注册，则会对应封装了一个能与远程Service通信的BpBinder的BpXXXService,通过该Service，Client客户调用相关业务逻辑函数。

3.2 请求信息的处理

Client调用的业务函数，莫非就是将请求参数打包发送给Binder驱动，BpBinder通过handler的值找到对应端的Service来处理。

在1.4小节中，说到IPCThreadState对象，在其executeCommand函数中，通过调用实现了BnServiceXXX的对象onTransact函数，直接定位到业务层。这就是在AIDL中，为什么在onTransact()函数中处理响应数据。

四、总结

通过对Binder机制的学习，了解Android是如何通过层层封装将Binder机制集成要应用程序，对Binder机制有一个较深入的理解。可以通过第Java层AIDL的使用，加深对Binder机制的理解。

个人水平有限，有误请帮忙勘正，谢谢大佬。喜欢就帮忙点个赞呗。