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  • IPC机制之跨进程通信的原理

     

    1.图文详解 Android Binder跨进程通信的原理（转载）


    前言

    • 如果你接触过 跨进程通信 （IPC），那么你对Binder一定不陌生
    • 虽然 网上有很多介绍 Binder的文章，可是存在一些问题：浅显的讨论Binder机制 或 一味讲解 Binder源码、逻辑不清楚，最终导致的是读者们还是无法形成一个完整的Binder概念
    • 本文采用 清晰的图文讲解方式，按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder，即：
      1. 先从 机制、模型的角度 去分析 整个Binder跨进程通信机制的模型
      2. 再 从源码实现角度，分析 Binder在 Android中的具体实现

    从而全方位地介绍 Binder，希望你们会喜欢。

    请尽量在PC端而不要在移动端看，否则图片可能看不清。

    目录 

    目录

    1. Binder到底是什么？

    • 中文即 粘合剂，意思为粘合了两个不同的进程

    • 网上有很多对Binder的定义，但都说不清楚：Binder是跨进程通信方式、它实现了IBinder接口，是连接 ServiceManager的桥梁blabla，估计大家都看晕了，没法很好的理解

    • 我认为：对于Binder的定义，在不同场景下其定义不同

     
    定义

    在本文的讲解中，按照 大角度 -> 小角度 去分析Binder，即：

    • 先从 机制、模型的角度 去分析 整个Binder跨进程通信机制的模型

    其中，会详细分析模型组成中的 Binder驱动

    • 再 从源码实现角度，分析 Binder在 Android中的具体实现

    从而全方位地介绍 Binder，希望你们会喜欢。

    2. 知识储备

    在讲解Binder前，我们先了解一些Linux的基础知识

    2.1 进程空间划分

    • 一个进程空间分为 用户空间 & 内核空间（Kernel），即把进程内 用户 & 内核 隔离开来
    • 二者区别：
      1. 进程间，用户空间的数据不可共享，所以用户空间 = 不可共享空间
      2. 进程间，内核空间的数据可共享，所以内核空间 = 可共享空间

    所有进程共用1个内核空间

    • 进程内 用户空间 & 内核空间 进行交互 需通过 系统调用，主要通过函数：
    1. copy_from_user（）：将用户空间的数据拷贝到内核空间
    2. copy_to_user（）：将内核空间的数据拷贝到用户空间
     
    示意图

    2.2 进程隔离 & 跨进程通信（ IPC ）

    • 进程隔离
      为了保证 安全性 & 独立性，一个进程 不能直接操作或者访问另一个进程，即Android的进程是相互独立、隔离的

    • 跨进程通信（ IPC ）
      即进程间需进行数据交互、通信

    • 跨进程通信的基本原理

     
    示意图

    a. 而Binder的作用则是：连接 两个进程，实现了mmap()系统调用，主要负责 创建数据接收的缓存空间 & 管理数据接收缓存
    b. 注：传统的跨进程通信需拷贝数据2次，但Binder机制只需1次，主要是使用到了内存映射，具体下面会详细说明

    2.5 内存映射

    具体请看文章：操作系统：图文详解 内存映射

    3. Binder 跨进程通信机制 模型

    3.1 模型原理图

    Binder 跨进程通信机制 模型 基于 Client - Server 模式

     
    示意图

    3.2 模型组成角色说明

     
    示意图

    此处重点讲解 Binder驱动作用中的跨进程通信的原理：

    • 简介
     
    示意图
    • 跨进程通信的核心原理

    关于其核心原理：内存映射，具体请看文章：操作系统：图文详解 内存映射

     
    示意图

    3.3 模型原理步骤说明

     
    示意图

    3.4 额外说明

    说明1：Client进程、Server进程 & Service Manager 进程之间的交互 都必须通过Binder驱动（使用 open 和 ioctl文件操作函数），而非直接交互

    原因：

    1. Client进程、Server进程 & Service Manager进程属于进程空间的用户空间，不可进行进程间交互
    2. Binder驱动 属于 进程空间的 内核空间，可进行进程间 & 进程内交互

    所以，原理图可表示为以下：

    虚线表示并非直接交互

     
    示意图
    说明2： Binder驱动 & Service Manager进程 属于 Android基础架构（即系统已经实现好了）；而Client 进程 和 Server 进程 属于Android应用层（需要开发者自己实现）

    所以，在进行跨进程通信时，开发者只需自定义Client & Server 进程 并 显式使用上述3个步骤，最终借助 Android的基本架构功能就可完成进程间通信

     
    示意图
    说明3：Binder请求的线程管理
    • Server进程会创建很多线程来处理Binder请求
    • Binder模型的线程管理 采用Binder驱动的线程池，并由Binder驱动自身进行管理

    而不是由Server进程来管理的

    • 一个进程的Binder线程数默认最大是16，超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。

    所以，在进程间通信时处理并发问题时，如使用ContentProvider时，它的CRUD（创建、检索、更新和删除）方法只能同时有16个线程同时工作

    • 至此，我相信大家对Binder 跨进程通信机制 模型 已经有了一个非常清晰的定性认识
    • 下面，我将通过一个实例，分析Binder跨进程通信机制 模型在 Android中的具体代码实现方式

    即分析 上述步骤在Android中具体是用代码如何实现的

    4. Binder机制 在Android中的具体实现原理

    • Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类，其实现了IBinder 接口

    下面会详细说明

    • 实例说明：Client进程 需要调用 Server进程的加法函数（将整数a和b相加）

    即：

    1. Client进程 需要传两个整数给 Server进程
    2. Server进程 需要把相加后的结果 返回给Client进程
    • 具体步骤
      下面，我会根据Binder 跨进程通信机制 模型的步骤进行分析

    步骤1：注册服务

    • 过程描述
      Server进程 通过Binder驱动 向 Service Manager进程 注册服务
    • 代码实现
      Server进程 创建 一个 Binder 对象
    1. Binder 实体是 Server进程 在 Binder 驱动中的存在形式
    2. 该对象保存 Server 和 ServiceManager 的信息（保存在内核空间中）
    3. Binder 驱动通过 内核空间的Binder 实体 找到用户空间的Server对象
    • 代码分析
        
    Binder binder = new Stub();
    // 步骤1：创建Binder对象 ->>分析1

    // 步骤2：创建 IInterface 接口类 的匿名类
    // 创建前，需要预先定义 继承了IInterface 接口的接口 -->分析3
    IInterface plus = new IPlus(){

          // 确定Client进程需要调用的方法
          public int add(int a,int b) {
               return a+b;
         }

          // 实现IInterface接口中唯一的方法
          public IBinder asBinder（）{ 
                return null ;
           }
};
          // 步骤3
          binder.attachInterface(plus，"add two int");
         // 1. 将（add two int，plus）作为（key,value）对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
         // 2. 之后，Binder对象 可根据add two int通过queryLocalIInterface（）获得对应IInterface对象（即plus）的引用，可依靠该引用完成对请求方法的调用
        // 分析完毕，跳出


<-- 分析1：Stub类 -->
    public class Stub extends Binder {
    // 继承自Binder类 ->>分析2
          // 复写onTransact（）
          @Override
          boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
          // 具体逻辑等到步骤3再具体讲解，此处先跳过
          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); 

}
// 回到上面的步骤1，继续看步骤2

    
<-- 分析2：Binder 类 -->
 public class Binder implement IBinder{
    // Binder机制在Android中的实现主要依靠的是Binder类，其实现了IBinder接口
    // IBinder接口：定义了远程操作对象的基本接口，代表了一种跨进程传输的能力
    // 系统会为每个实现了IBinder接口的对象提供跨进程传输能力
    // 即Binder类对象具备了跨进程传输的能力

        void attachInterface(IInterface plus, String descriptor)；
        // 作用：
          // 1. 将（descriptor，plus）作为（key,value）对存入到Binder对象中的一个Map<String,IInterface>对象中
          // 2. 之后，Binder对象 可根据descriptor通过queryLocalIInterface（）获得对应IInterface对象（即plus）的引用，可依靠该引用完成对请求方法的调用

        IInterface queryLocalInterface(Stringdescriptor) ；
        // 作用：根据 参数 descriptor 查找相应的IInterface对象（即plus引用）

        boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)；
        // 定义：继承自IBinder接口的
        // 作用：执行Client进程所请求的目标方法（子类需要复写）
        // 参数说明：
        // code：Client进程请求方法标识符。即Server进程根据该标识确定所请求的目标方法
        // data：目标方法的参数。（Client进程传进来的，此处就是整数a和b）
        // reply：目标方法执行后的结果（返回给Client进程）
         // 注：运行在Server进程的Binder线程池中；当Client进程发起远程请求时，远程请求会要求系统底层执行回调该方法

        final class BinderProxy implements IBinder {
         // 即Server进程创建的Binder对象的代理对象类
         // 该类属于Binder的内部类
        }
        // 回到分析1原处
}

<-- 分析3：IInterface接口实现类 -->

 public interface IPlus extends IInterface {
          // 继承自IInterface接口->>分析4
          // 定义需要实现的接口方法，即Client进程需要调用的方法
         public int add(int a,int b);
// 返回步骤2
}

<-- 分析4：IInterface接口类 -->
// 进程间通信定义的通用接口
// 通过定义接口，然后再服务端实现接口、客户端调用接口，就可实现跨进程通信。
public interface IInterface
{
    // 只有一个方法：返回当前接口关联的 Binder 对象。
    public IBinder asBinder();
}
  // 回到分析3原处

    注册服务后，Binder驱动持有 Server进程创建的Binder实体

    步骤2：获取服务

    • Client进程 使用 某个 service前（此处是 相加函数），须 通过Binder驱动 向 ServiceManager进程 获取相应的Service信息
    • 具体代码实现过程如下：
     
    示意图

    此时，Client进程与 Server进程已经建立了连接

    步骤3：使用服务

    Client进程 根据获取到的 Service信息（Binder代理对象），通过Binder驱动 建立与 该Service所在Server进程通信的链路，并开始使用服务

    • 过程描述

      1. Client进程 将参数（整数a和b）发送到Server进程
      2. Server进程 根据Client进程要求调用 目标方法（即加法函数）
      3. Server进程 将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程

    • 代码实现过程

    步骤1： Client进程 将参数（整数a和b）发送到Server进程

    // 1. Client进程 将需要传送的数据写入到Parcel对象中
// data = 数据 = 目标方法的参数（Client进程传进来的，此处就是整数a和b） + IInterface接口对象的标识符descriptor
  android.os.Parcel data = android.os.Parcel.obtain();
  data.writeInt(a); 
  data.writeInt(b); 

  data.writeInterfaceToken("add two int");；
  // 方法对象标识符让Server进程在Binder对象中根据"add two int"通过queryLocalIInterface（）查找相应的IInterface对象（即Server创建的plus），Client进程需要调用的相加方法就在该对象中

  android.os.Parcel reply = android.os.Parcel.obtain();
  // reply：目标方法执行后的结果（此处是相加后的结果）

// 2. 通过 调用代理对象的transact（） 将 上述数据发送到Binder驱动
  binderproxy.transact(Stub.add, data, reply, 0)
  // 参数说明：
    // 1. Stub.add：目标方法的标识符（Client进程 和 Server进程 自身约定，可为任意）
    // 2. data ：上述的Parcel对象
    // 3. reply：返回结果
    // 0：可不管

// 注：在发送数据后，Client进程的该线程会暂时被挂起
// 所以，若Server进程执行的耗时操作，请不要使用主线程，以防止ANR


// 3. Binder驱动根据 代理对象 找到对应的真身Binder对象所在的Server 进程（系统自动执行）
// 4. Binder驱动把 数据 发送到Server 进程中，并通知Server 进程执行解包（系统自动执行）

    步骤2：Server进程根据Client进要求 调用 目标方法（即加法函数）

    // 1. 收到Binder驱动通知后，Server 进程通过回调Binder对象onTransact（）进行数据解包 & 调用目标方法
  public class Stub extends Binder {
          // 复写onTransact（）
          @Override
          boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
          // code即在transact（）中约定的目标方法的标识符
          switch (code) { 
                case Stub.add： { 
                  // a. 解包Parcel中的数据
                       data.enforceInterface("add two int"); 
                        // a1. 解析目标方法对象的标识符
                       int  arg0  = data.readInt();
                       int  arg1  = data.readInt();
    
                       // a2. 获得目标方法的参数
                      
                       // b. 根据"add two int"通过queryLocalIInterface（）获取相应的IInterface对象（即Server创建的plus）的引用，通过该对象引用调用方法
                       int  result = this.queryLocalIInterface("add two int") .add( arg0,  arg1); 
                      
                        // c. 将计算结果写入到reply
                        reply.writeInt(result);               
                        return true; 
                  }
           } 
      return super.onTransact(code, data, reply, flags); 
      // 2. 将结算结果返回 到Binder驱动

    步骤3：Server进程 将目标方法的结果（即加法后的结果）返回给Client进程

      // 1. Binder驱动根据 代理对象 沿原路 将结果返回 并通知Client进程获取返回结果
  // 2. 通过代理对象 接收结果（之前被挂起的线程被唤醒）

    binderproxy.transact(Stub.ADD, data, reply, 0)；
    reply.readException();；
    result = reply.readInt()；
    }
}
    • 总结
      下面，我用一个原理图 & 流程图来总结步骤3的内容
     
    原理图
     
    流程图

    5. 优点

    对比 Linux （Android基于Linux）上的其他进程通信方式（管道、消息队列、共享内存、
    信号量、Socket），Binder 机制的优点有：

     
    示意图

    6. 总结

    • 本文主要详细讲解 跨进程通信模型 Binder机制 ，总结如下：
     
    定义

    特别地，对于从模型结构组成的Binder驱动来说：

     
    示意图
    • 整个Binder模型的原理步骤 & 源码分析
     
    示意图
    • 看完本文的 Binder机制原理，继续阅读AIDL的内容会更加好，具体请看我的文章Android：远程服务Service（含AIDL & IPC讲解）
    • 下面我将继续对 Android中的知识进行讲解 ，感兴趣的同学可以继续关注本人运营的Wechat Public Account：

     
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