IPC機制之跨進程通信的原理

 

1.圖文詳解 Android Binder跨進程通信的原理（轉載）

前言

• 如果你接觸過 跨進程通信 （IPC），那么你對Binder一定不陌生
• 雖然 網上有很多介紹 Binder的文章，可是存在一些問題：淺顯的討論Binder機制 或 一味講解 Binder源碼、邏輯不清楚，最終導致的是讀者們還是無法形成一個完整的Binder概念
• 本文采用 清晰的圖文講解方式，按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder，即：
  1. 先從 機制、模型的角度 去分析 整個Binder跨進程通信機制的模型
  2. 再 從源碼實現角度，分析 Binder在 Android中的具體實現

從而全方位地介紹 Binder，希望你們會喜歡。

請盡量在PC端而不要在移動端看，否則圖片可能看不清。

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目錄 

目錄

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1. Binder到底是什么？

• 中文即 粘合劑，意思為粘合了兩個不同的進程

• 網上有很多對Binder的定義，但都說不清楚：Binder是跨進程通信方式、它實現了IBinder接口，是連接 ServiceManager的橋梁blabla，估計大家都看暈了，沒法很好的理解

• 我認為：對於Binder的定義，在不同場景下其定義不同

 

定義

在本文的講解中，按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder，即：

• 先從 機制、模型的角度 去分析 整個Binder跨進程通信機制的模型

其中，會詳細分析模型組成中的 Binder驅動

• 再 從源碼實現角度，分析 Binder在 Android中的具體實現

從而全方位地介紹 Binder，希望你們會喜歡。

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2. 知識儲備

在講解Binder前，我們先了解一些Linux的基礎知識

2.1 進程空間划分

• 一個進程空間分為 用戶空間 & 內核空間（Kernel），即把進程內 用戶 & 內核 隔離開來
• 二者區別：
  1. 進程間，用戶空間的數據不可共享，所以用戶空間 = 不可共享空間
  2. 進程間，內核空間的數據可共享，所以內核空間 = 可共享空間

所有進程共用1個內核空間

• 進程內 用戶空間 & 內核空間 進行交互 需通過 系統調用，主要通過函數：

1. copy_from_user（）：將用戶空間的數據拷貝到內核空間
2. copy_to_user（）：將內核空間的數據拷貝到用戶空間

 

示意圖

2.2 進程隔離 & 跨進程通信（ IPC ）

• 進程隔離
  為了保證 安全性 & 獨立性，一個進程 不能直接操作或者訪問另一個進程，即Android的進程是相互獨立、隔離的

• 跨進程通信（ IPC ）
  即進程間需進行數據交互、通信

• 跨進程通信的基本原理

 

示意圖

a. 而Binder的作用則是：連接 兩個進程，實現了mmap()系統調用，主要負責 創建數據接收的緩存空間 & 管理數據接收緩存
b. 注：傳統的跨進程通信需拷貝數據2次，但Binder機制只需1次，主要是使用到了內存映射，具體下面會詳細說明

2.5 內存映射

具體請看文章：操作系統：圖文詳解 內存映射

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3. Binder 跨進程通信機制 模型

3.1 模型原理圖

Binder 跨進程通信機制 模型 基於 Client - Server 模式

 

示意圖

 

3.2 模型組成角色說明

 

示意圖

此處重點講解 Binder驅動作用中的跨進程通信的原理：

• 簡介

 

示意圖

• 跨進程通信的核心原理

關於其核心原理：內存映射，具體請看文章：操作系統：圖文詳解 內存映射

 

示意圖

3.3 模型原理步驟說明

 

示意圖

3.4 額外說明

說明1：Client進程、Server進程 & Service Manager 進程之間的交互 都必須通過Binder驅動（使用 open 和 ioctl文件操作函數），而非直接交互

原因：

1. Client進程、Server進程 & Service Manager進程屬於進程空間的用戶空間，不可進行進程間交互
2. Binder驅動 屬於 進程空間的 內核空間，可進行進程間 & 進程內交互

所以，原理圖可表示為以下：

虛線表示並非直接交互

 

示意圖

說明2： Binder驅動 & Service Manager進程 屬於 Android基礎架構（即系統已經實現好了）；而Client 進程 和 Server 進程 屬於Android應用層（需要開發者自己實現）

所以，在進行跨進程通信時，開發者只需自定義Client & Server 進程 並 顯式使用上述3個步驟，最終借助 Android的基本架構功能就可完成進程間通信

 

示意圖

說明3：Binder請求的線程管理

• Server進程會創建很多線程來處理Binder請求
• Binder模型的線程管理 采用Binder驅動的線程池，並由Binder驅動自身進行管理

而不是由Server進程來管理的

• 一個進程的Binder線程數默認最大是16，超過的請求會被阻塞等待空閑的Binder線程。

所以，在進程間通信時處理並發問題時，如使用ContentProvider時，它的CRUD（創建、檢索、更新和刪除）方法只能同時有16個線程同時工作

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• 至此，我相信大家對Binder 跨進程通信機制 模型 已經有了一個非常清晰的定性認識
• 下面，我將通過一個實例，分析Binder跨進程通信機制 模型在 Android中的具體代碼實現方式

即分析 上述步驟在Android中具體是用代碼如何實現的

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4. Binder機制 在Android中的具體實現原理

• Binder機制在 Android中的實現主要依靠 Binder類，其實現了IBinder 接口

下面會詳細說明

• 實例說明：Client進程 需要調用 Server進程的加法函數（將整數a和b相加）

即：

1. Client進程 需要傳兩個整數給 Server進程
2. Server進程 需要把相加后的結果 返回給Client進程

• 具體步驟
  下面，我會根據Binder 跨進程通信機制 模型的步驟進行分析

步驟1：注冊服務

• 過程描述
  Server進程 通過Binder驅動 向 Service Manager進程 注冊服務
• 代碼實現
  Server進程 創建 一個 Binder 對象

1. Binder 實體是 Server進程 在 Binder 驅動中的存在形式
2. 該對象保存 Server 和 ServiceManager 的信息（保存在內核空間中）
3. Binder 驅動通過 內核空間的Binder 實體 找到用戶空間的Server對象

• 代碼分析

    
    Binder binder = new Stub(); // 步驟1：創建Binder對象 ->>分析1 // 步驟2：創建 IInterface 接口類 的匿名類 // 創建前，需要預先定義 繼承了IInterface 接口的接口 -->分析3 IInterface plus = new IPlus(){ // 確定Client進程需要調用的方法 public int add(int a,int b) { return a+b; } // 實現IInterface接口中唯一的方法 public IBinder asBinder（）{ return null ; } }; // 步驟3 binder.attachInterface(plus，"add two int"); // 1. 將（add two int，plus）作為（key,value）對存入到Binder對象中的一個Map<String,IInterface>對象中 // 2. 之后，Binder對象 可根據add two int通過queryLocalIInterface（）獲得對應IInterface對象（即plus）的引用，可依靠該引用完成對請求方法的調用 // 分析完畢，跳出 <-- 分析1：Stub類 --> public class Stub extends Binder { // 繼承自Binder類 ->>分析2 // 復寫onTransact（） @Override boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){ // 具體邏輯等到步驟3再具體講解，此處先跳過 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); } // 回到上面的步驟1，繼續看步驟2 
 <-- 分析2：Binder 類 --> public class Binder implement IBinder{ // Binder機制在Android中的實現主要依靠的是Binder類，其實現了IBinder接口 // IBinder接口：定義了遠程操作對象的基本接口，代表了一種跨進程傳輸的能力 // 系統會為每個實現了IBinder接口的對象提供跨進程傳輸能力 // 即Binder類對象具備了跨進程傳輸的能力 void attachInterface(IInterface plus, String descriptor)； // 作用： // 1. 將（descriptor，plus）作為（key,value）對存入到Binder對象中的一個Map<String,IInterface>對象中 // 2. 之后，Binder對象 可根據descriptor通過queryLocalIInterface（）獲得對應IInterface對象（即plus）的引用，可依靠該引用完成對請求方法的調用 IInterface queryLocalInterface(Stringdescriptor) ； // 作用：根據 參數 descriptor 查找相應的IInterface對象（即plus引用） boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)； // 定義：繼承自IBinder接口的 // 作用：執行Client進程所請求的目標方法（子類需要復寫） // 參數說明： // code：Client進程請求方法標識符。即Server進程根據該標識確定所請求的目標方法 // data：目標方法的參數。（Client進程傳進來的，此處就是整數a和b） // reply：目標方法執行后的結果（返回給Client進程） // 注：運行在Server進程的Binder線程池中；當Client進程發起遠程請求時，遠程請求會要求系統底層執行回調該方法 final class BinderProxy implements IBinder { // 即Server進程創建的Binder對象的代理對象類 // 該類屬於Binder的內部類 } // 回到分析1原處 } <-- 分析3：IInterface接口實現類 --> public interface IPlus extends IInterface { // 繼承自IInterface接口->>分析4 // 定義需要實現的接口方法，即Client進程需要調用的方法 public int add(int a,int b); // 返回步驟2 } <-- 分析4：IInterface接口類 --> // 進程間通信定義的通用接口 // 通過定義接口，然后再服務端實現接口、客戶端調用接口，就可實現跨進程通信。 public interface IInterface { // 只有一個方法：返回當前接口關聯的 Binder 對象。 public IBinder asBinder(); } // 回到分析3原處 

注冊服務后，Binder驅動持有 Server進程創建的Binder實體

步驟2：獲取服務

• Client進程 使用 某個 service前（此處是 相加函數），須 通過Binder驅動 向 ServiceManager進程 獲取相應的Service信息
• 具體代碼實現過程如下：

 

示意圖

此時，Client進程與 Server進程已經建立了連接

步驟3：使用服務

Client進程 根據獲取到的 Service信息（Binder代理對象），通過Binder驅動 建立與 該Service所在Server進程通信的鏈路，並開始使用服務

• 過程描述

  1. Client進程 將參數（整數a和b）發送到Server進程
  2. Server進程 根據Client進程要求調用 目標方法（即加法函數）
  3. Server進程 將目標方法的結果（即加法后的結果）返回給Client進程

• 代碼實現過程

步驟1： Client進程 將參數（整數a和b）發送到Server進程

// 1. Client進程 將需要傳送的數據寫入到Parcel對象中 // data = 數據 = 目標方法的參數（Client進程傳進來的，此處就是整數a和b） + IInterface接口對象的標識符descriptor android.os.Parcel data = android.os.Parcel.obtain(); data.writeInt(a); data.writeInt(b); data.writeInterfaceToken("add two int");； // 方法對象標識符讓Server進程在Binder對象中根據"add two int"通過queryLocalIInterface（）查找相應的IInterface對象（即Server創建的plus），Client進程需要調用的相加方法就在該對象中 android.os.Parcel reply = android.os.Parcel.obtain(); // reply：目標方法執行后的結果（此處是相加后的結果） // 2. 通過 調用代理對象的transact（） 將 上述數據發送到Binder驅動 binderproxy.transact(Stub.add, data, reply, 0) // 參數說明： // 1. Stub.add：目標方法的標識符（Client進程 和 Server進程 自身約定，可為任意） // 2. data ：上述的Parcel對象 // 3. reply：返回結果 // 0：可不管 // 注：在發送數據后，Client進程的該線程會暫時被掛起 // 所以，若Server進程執行的耗時操作，請不要使用主線程，以防止ANR // 3. Binder驅動根據 代理對象 找到對應的真身Binder對象所在的Server 進程（系統自動執行） // 4. Binder驅動把 數據 發送到Server 進程中，並通知Server 進程執行解包（系統自動執行） 

步驟2：Server進程根據Client進要求 調用 目標方法（即加法函數）

// 1. 收到Binder驅動通知后，Server 進程通過回調Binder對象onTransact（）進行數據解包 & 調用目標方法 public class Stub extends Binder { // 復寫onTransact（） @Override boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){ // code即在transact（）中約定的目標方法的標識符 switch (code) { case Stub.add： { // a. 解包Parcel中的數據 data.enforceInterface("add two int"); // a1. 解析目標方法對象的標識符 int arg0 = data.readInt(); int arg1 = data.readInt();
 // a2. 獲得目標方法的參數 // b. 根據"add two int"通過queryLocalIInterface（）獲取相應的IInterface對象（即Server創建的plus）的引用，通過該對象引用調用方法 int result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0, arg1); // c. 將計算結果寫入到reply reply.writeInt(result); return true; } } return super.onTransact(code, data, reply, flags); // 2. 將結算結果返回 到Binder驅動 

步驟3：Server進程 將目標方法的結果（即加法后的結果）返回給Client進程

  // 1. Binder驅動根據 代理對象 沿原路 將結果返回 並通知Client進程獲取返回結果 // 2. 通過代理對象 接收結果（之前被掛起的線程被喚醒） binderproxy.transact(Stub.ADD, data, reply, 0)； reply.readException();； result = reply.readInt()； } } 

• 總結
  下面，我用一個原理圖 & 流程圖來總結步驟3的內容

 

原理圖

 

流程圖

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5. 優點

對比 Linux （Android基於Linux）上的其他進程通信方式（管道、消息隊列、共享內存、
信號量、Socket），Binder 機制的優點有：

 

示意圖

 

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6. 總結

• 本文主要詳細講解 跨進程通信模型 Binder機制 ，總結如下：

 

定義

特別地，對於從模型結構組成的Binder驅動來說：

 

示意圖

• 整個Binder模型的原理步驟 & 源碼分析

 

示意圖

• 看完本文的 Binder機制原理，繼續閱讀AIDL的內容會更加好，具體請看我的文章Android：遠程服務Service（含AIDL & IPC講解）
• 下面我將繼續對 Android中的知識進行講解 ，感興趣的同學可以繼續關注本人運營的Wechat Public Account：