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  • Android的IPC机制Binder的各个部分

    第一部分Binder的组成
    1.1 驱动程序部分驱动程序的部分在以下的文件夹中:
    kernel/include/linux/binder.h
    kernel/drivers/android/binder.c

        binder
    驱动程序是一个miscdevice,主设备号为10,此设备号使用动态获得(MISC_DYNAMIC_MINOR),其设备的节点为:

    /dev/binder
        binder驱动程序会在proc文件系统中建立自己的信息,其文件夹为/proc/binde,其中包含如下内容:
    proc目录:调用Binder各个进程的内容
    state文件:使用函数binder_read_proc_state
    stats文件:使用函数binder_read_proc_stats
    transactions文件:使用函数binder_read_proc_transactions
    transaction_log文件:使用函数binder_read_proc_transaction_log,其参数为binder_transaction_log (类型为struct binder_transaction_log)
    failed_transaction_log文件:使用函数binder_read_proc_transaction_log 其参数为
    binder_transaction_log_failed (类型为struct binder_transaction_log)


        在binder文件被打开后,其私有数据(private_data)的类型:

    struct binder_proc
        在这个数据结构中,主要包含了当前进程、进程ID、内存映射信息、Binder的统计信息和线程信息等。
        在用户空间对Binder驱动程序进行控制主要使用的接口是mmap、poll和ioctl,ioctl主要使用的ID为:
    #define BINDER_WRITE_READ        _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
    #define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT  _IOW('b', 3, int64_t)
    #define BINDER_SET_MAX_THREADS   _IOW('b', 5, size_t)
    #define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, int)
    #define BINDER_SET_CONTEXT_MGR   _IOW('b', 7, int)
    #define BINDER_THREAD_EXIT       _IOW('b', 8, int)
    #define BINDER_VERSION           _IOWR('b', 9, struct binder_version)


        BR_XXX等宏为BinderDriverReturnProtocol,表示Binder驱动返回协议。
        BC_XXX等宏为BinderDriverCommandProtocol,表示Binder驱动命令协议。
        binder_thread是Binder驱动程序中使用的另外一个重要的数据结构,数据结构的定义如下所示:
    struct binder_thread {
          struct binder_proc *proc;
         struct rb_node rb_node;
         int pid;
         int looper;
         struct binder_transaction *transaction_stack;
         struct list_head todo;
         uint32_t return_error;
         uint32_t return_error2;
         wait_queue_head_t wait;
         struct binder_stats stats;
    };

        binder_thread 的各个成员信息是从rb_node中得出。
        BINDER_WRITE_READ是最重要的ioctl,它使用一个数据结构binder_write_read定义读写的数据。
    struct binder_write_read {
         signed long write_size;
         signed long write_consumed;
         unsigned long write_buffer;
         signed long read_size;
         signed long read_consumed;
         unsigned long read_buffer;
    };

      1.3 binder的库的部分
        binder相关的文件作为Androiduitls库的一部分这个库编译后的名称为libutils.soAndroid系统中的一个公共库。
        主要文件的路径如下所示:
    frameworks/base/include/utils/*
    frameworks/base/libs/utils/*
       
        主要的类为:
      RefBase.h :
        引用计数,定义类RefBase
      Parcel.h :
        为在IPC中传输的数据定义容器,定义类Parcel
      IBinder.h
        Binder对象的抽象接口, 定义类IBinder
      Binder.h
        Binder对象的基本功能, 定义类BinderBpRefBase
      BpBinder.h
      BpBinder的功能,定义类BpBinder
      IInterface.h
      为抽象经过Binder的接口定义通用类,
        定义类IInterface,类模板BnInterface,类模板BpInterface
      ProcessState.h
        表示进程状态的类,定义类ProcessState
      IPCThreadState.h
        表示IPC线程的状态,定义类IPCThreadState


    各个类之间的关系如下所示:
     

            1.2 servicemanager部分        servicemanager是一个守护进程,用于这个进程的和/dev/binder通讯,从而达到管理系统中各个服务的作用。
            可执行程序的路径:
            /system/bin/servicemanager        
    开源版本文件的路径:
    frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.h
    frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.c
    frameworks/base/cmds/servicemanager/service_manager.c

           程序执行的流程:

    open()
    :打开binder驱动


    mmap()
    :映射一个128*1024字节的内存


    ioctl(BINDER_SET_CONTEXT_MGR)
    :设置上下文为mgr

           进入主循环binder_loop()
                 ioctl(BINDER_WRITE_READ)
    ,读取

                           binder_parse()进入binder处理过程循环处理
             binder_parse()的处理,调用返回值:
            当处理BR_TRANSACTION的时候,调用svcmgr_handler()处理增加服务、检查服务等工作。各种服务存放在一个链表(svclist)中。其中调用binder_等开头的函数,又会调用ioctl的各种命令。
            处理BR_REPLY的时候,填充binder_io类型的数据结

    第二部分 Binder的运作

      2.1 Binder的工作机制
          Service Manager是一个守护进程,它负责启动各个进程之间的服务,对于相关的两个需要通讯的进程,它们通过调用libutil.so库实现通讯,而真正通讯的机制,是内核空间中的一块共享内存

           

      2.2 从应  用程序的角度看Binder

      从应用程序的角度看Binder一共有三个方面:

      Native 本地:例如BnABC,这是一个需要被继承和实现的类。
      Proxy 代理:例如BpABC,这是一个在接口框架中被实现,但是在接口中没有体现的类。
      客户端:例如客户端得到一个接口ABC,在调用的时候实际上被调用的是BpABC

    本地功能(Bn)部分做的:
        实现BnABC:: BnTransact()
        注册服务:IServiceManager::AddService
    代理部分(Bp)做的:
        实现几个功能函数,调用BpABC::remote()->transact()

    客户端做的:
        获得ABC接口,然后调用接口(实际上调用了BpABC,继而通过IPC调用了BnABC,然后调用了具体的功能
     

           在程序的实现过程中BnABCBpABC是双继承了接口ABC。一般来说BpABC是一个实现类,这个实现类不需要在接口中体现,它实际上负责的只是通讯功能,不执行具体的功能;BnABC则是一个接口类,需要一个真正工作的类来继承、实现它,这个类才是真正执行具体功能的类。

           在客户端中,从ISeriviceManager中获得一个ABC的接口,客户端调用这个接口,实际上是在调用BpABC,而BpABC又通过BinderIPC机制和BnABC通讯,BnABC的实现类在后面执行。

      事实上,服务器的具体实现和客户端是两个不同的进程,如果不考虑进程间通讯的过程,从调用者的角度,似乎客户端在直接调用另外一个进程间的函数——当然这个函数必须是接口ABC中定义的。

      2.3 ISericeManager的作用
          ISericeManager涉及的两个文件是ISericeManager.h和ISericeManager.cpp。这两个文件基本上是 ISericeManager。ISericeManager是系统最先被启动的服务。非常值得注意的是:ISericeManager本地功能并没有使现,它实际上由ServiceManager守护进程执行,而用户程序通过调用BpServiceManager来获得其他的服务。
          在ISericeManager.h中定义了一个接口,用于得到默认的ISericeManager:
            sp<IServiceManager> defaultServiceManager();
         这时得到的ISericeManager实际上是一个全局的ISericeManager

    第三部分 程序中Binder的具体实现

       3.1 一个利用接口的具体实现
        PermissionController也是libutils中定义的一个有关权限控制的接口,它一共包含两个文件:IPermissionController.h和IPermissionController.cpp这个结构在所有类的实现中都是类似的。
         头文件IPermissionController.h的主要内容是定义IPermissionController接口和类BnPermissionController:
    class IPermissionController : public IInterface
    {
    public:
        DECLARE_META_INTERFACE(PermissionController);
        virtual bool   checkPermission(const String16& permission,int32_t pid, int32_t uid) = 0;
        enum {
            CHECK_PERMISSION_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION
        };
    };
    class BnPermissionController : public BnInterface<IPermissionController>
    {
    public:
        virtual status_t    onTransact( uint32_t code,
                                        const Parcel& data,
                                        Parcel* reply,
                                        uint32_t flags = 0);
    };

        IPermissionController是一个接口类,只有checkPermission()一个纯虚函数。
        BnPermissionController继承了以BnPermissionController实例化模版类BnInterface。因此,BnPermissionController,事实上BnPermissionController双继承了BBinder和 IPermissionController。
        实现文件IPermissionController.cpp中,首先实现了一个BpPermissionController。

    class BpPermissionController : public BpInterface<IPermissionController>
    {
    public:
        BpPermissionController(const sp<IBinder>& impl)
            : BpInterface<IPermissionController>(impl)
        {
        }
        virtual bool checkPermission(const String16& permission, int32_t pid, int32_t uid)
        {
            Parcel data, reply;
            data.writeInterfaceToken(IPermissionController::
                                           getInterfaceDescriptor());
            data.writeString16(permission);
            data.writeInt32(pid);
            data.writeInt32(uid);
            remote()->transact(CHECK_PERMISSION_TRANSACTION, data, &reply);
            if (reply.readInt32() != 0) return 0;
            return reply.readInt32() != 0;
        }
    };
    IMPLEMENT_META_INTERFACE(PermissionController, "android.os.IPermissionController");

        BpPermissionController继承了BpInterface<IPermissionController>,它本身是一个已经实现的类,而且并没有在接口中体现。这个类按照格式写就可以,在实现checkPermission()函数的过程中,使用Parcel作为传输数据的容器,传输中时候transact()函数,其参数需要包含枚举值CHECK_PERMISSION_TRANSACTION。 IMPLEMENT_META_INTERFACE用于扶助生成。
        BnPermissionController中实现的onTransact()函数如下所示:

    status_t BnPermissionController:: BnTransact(
        uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
    {
        switch(code) {
            case CHECK_PERMISSION_TRANSACTION: {
                CHECK_INTERFACE(IPermissionController, data, reply);
                String16 permission = data.readString16();
                int32_t pid = data.readInt32();
                int32_t uid = data.readInt32();
                bool res = checkPermission(permission, pid, uid);
                reply->writeInt32(0);
                reply->writeInt32(res ? 1 : 0);
                return NO_ERROR;
            } break;
            default:
                return BBinder:: BnTransact(code, data, reply, flags);
        }
    }

           在onTransact()函数中根据枚举值判断数据使用的方式。注意,由于BnPermissionController也是继承了类 IPermissionController,但是纯虚函数checkPermission()依然没有实现。因此这个 BnPermissionController类并不能实例化,它其实也还是一个接口,需要一个实现类来继承它,那才是实现具体功能的类。

      3.2 BnABC的实现
        本地服务启动后将形成一个守护进程,具体的本地服务是由一个实现类继承BnABC来实现的,这个服务的名称通常叫做ABC。
        在其中,通常包含了一个instantiate()函数,这个函数一般按照如下的方式实现:
    void ABC::instantiate() {
        defaultServiceManager()->addService(
                String16("XXX.ABC"), new ABC ());
    }

        按照这种方式,通过调用defaultServiceManager()函数,将增加一个名为"XXX.ABC"的服务。
        在这个defaultServiceManager()函数中调用了:
    ProcessState::self()->getContextObject(NULL));
        IPCThreadState* ipc = IPCThreadState::self();
       IPCThreadState::talkWithDriver()

    在ProcessState 类建立的过程中调用open_driver()打开驱动程序,在talkWithDriver()的执行过程中。

      3.3 BpABC调用的实现
        BpABC调用的过程主要通过mRemote()->transact() 来传输数据,mRemote()是BpRefBase的成员,它是一个IBinder。这个调用过程如下所示:
        mRemote()->transact()
        Process::self()
        IPCThreadState::self()->transact()
        writeTransactionData()
        waitForResponse()
        talkWithDriver()
        ioctl(fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr)


        在IPCThreadState::executeCommand()函数中,实现传输操作。

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