红茶一杯话Binder （初始篇）

1 什么是Binder？

       简单地说，Binder是Android平 台上的一种跨进程交互技术。该技术最早并不是由Google公司提出的，它的前身是Be Inc公司开发的OpenBinder，而且在Palm中也有应用。后来OpenBinder的作者Dianne Hackborn加入了Google公司，并负责Android平台的开发工作，所以把这项技术也带进了Android。

       我们知道，在Android的应用层次上，基本上已经没有过去的进程概念了。然而在实现层次，它毕竟还是要建构在一个个进程之上的。实际上，在 Android内部，那些支撑应用的组件往往会身处于不同的进程，那么应用的底层必然会牵涉大量的跨进程通信。为了保证通信的高效性，Android提供 了Binder机制。

       Binder机制具有两层含义： 
1） 是一种跨进程通信手段（IPC，Inter-Process Communication）。 
2） 是一种远程过程调用手段（RPC，Remote Procedure Call）。

       从实现的角度来说，Binder核心被实现成一个Linux驱动程序，并运行于内核态。这样它才能具有强大的跨进程访问能力。

 

1.1 简述Binder的跨进程机制

       为了理解Binder，我们可以先画一张最简单的跨进程通信示意图：

 

 这个很容易理解，不需赘言。到了Android平台上，IPC机制就变成了Binder机制，情况类似，只不过为了便于说明问题，我们需要稍微调整一下示意图：

 

图中A侧的圆形块，表示“Binder代理方”，主要用于向远方发送语义，而B侧的方形块则表示“Binder响应方”，主要用于响应语义。需要说明的是，这种图形表示方法是我自己杜撰的，并没有正规的出处。我个人觉得这种图形非常简便，所以在分析Android架构时，会经常使用这种表示法。

        在后文中，我们可以看到，Binder代理方大概对应于C++层次的BpBinder对象，而Binder响应方则对应于BBinder对象。这两个对象在后文会详细阐述，此处不必太细究。

        然而，上图的Binder代理方主要只负责了“传递信息”的工作，并没有起到“远程过程调用”的作用，如果要支持远程过程调用，我们还必须提供“接口代理方”和“接口实现体”。这样，我们的示意图就需要再调整一下，如下：

 

        从图中可以看到，A进程并不直接和BpBinder（Binder代理）打交道，而是通过调用BpInterface（接口代理）的成员函数来完成远程调 用的。此时，BpBinder已经被聚合进BpInterface了，它在BpInterface内部完成了一切跨进程的机制。另一方面，与 BpInterface相对的响应端实体就是BnInterface（接口实现）了。需要注意的是，BnInterface是继承于BBinder的，它 并没有采用聚合的方式来包含一个BBinder对象，所以上图中B侧的BnInterface块和BBinder块的背景图案是相同的。

        这样看来，对于远程调用的客户端而言，主要搞的就是两个东西，一个是“Binder代理”，一个是“接口代理”。而服务端主要搞的则是“接口实现体”。因 为binder是一种跨进程通信机制，所以还需要一个专门的管理器来为通信两端牵线搭桥，这个管理器就是Service Manager Service。不过目前我们可以先放下Service Manager Service，以后再详细研究。

 

2 Binder相关接口和类

      Android的整个跨进程通信机制都是基于Binder的，这种机制不但会在底层使用，也会在上层使用，所以必须提供Java和C++两个层次的支持。

 

2.1 Java层次的binder元素

      Java层次里并没有我们前文图中所表示的BpBinder、BpInterface、BBinder等较低层次的概念，取而代之的是IBinder接 口、IInterface等接口。Android要求所有的Binder实体都必须实现IBinder接口，该接口的定义截选如下：

【frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java】

public interface IBinder 
{
    . . . . . .
    public String getInterfaceDescriptor() throws RemoteException;
    public boolean pingBinder();
    public boolean isBinderAlive();
    public IInterface queryLocalInterface(String descriptor);
    public void dump(FileDescriptor fd, String[] args) throws RemoteException;
    public void dumpAsync(FileDescriptor fd, String[] args) throws RemoteException;
    public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)
throws RemoteException;
    
    public interface DeathRecipient 
    {
        public void binderDied();
    }
    public void linkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags)throws RemoteException;
    public boolean unlinkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags);
}

另外，不管是代理方还是实体方，都必须实现IInterface接口：

public interface IInterface
{
    public IBinder asBinder();
}

 

         Java层次中，与Binder相关的接口或类的继承关系如下：

 

        在实际使用中，我们并不需要编写上图的XXXXNative、XXXXProxy，它们会由ADT根据我们编写的aidl脚本自动生成。用户只需继承 XXXXNative编写一个具体的XXXXService即可，这个XXXXService就是远程通信的服务实体类，而XXXXProxy则是其对应 的代理类。

        关于Java层次的binder组件，我们就先说这么多，主要是先介绍一个大概。就研究跨进程通信而言，其实质内容基本上都在C++层次，Java层次只 是一个壳而已。以后我会写专文来打通Java层次和C++层次，看看它们是如何通过JNI技术关联起来的。现在我们还是把注意力集中在C++层次吧。

 

2.2 C++层次的binder元素

        在C++层次，就能看到我们前文所说的BpBinder类和BBinder类了。这两个类都继承于IBinder，IBinder的定义截选如下：

【frameworks/native/include/binder/IBinder.h】

class IBinder : public virtual RefBase
{
public:
    . . . . . .
    IBinder();
    virtual sp<IInterface>  queryLocalInterface(const String16& descriptor);
    virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const = 0;

    virtual bool            isBinderAlive() const = 0;
    virtual status_t        pingBinder() = 0;
    virtual status_t        dump(int fd, const Vector<String16>& args) = 0;
    virtual status_t        transact(uint32_t code, const Parcel& data,
                                     Parcel* reply, uint32_t flags = 0) = 0;

    class DeathRecipient : public virtual RefBase
    {
    public:
        virtual void binderDied(const wp<IBinder>& who) = 0;
    };
    virtual status_t        linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
                                        void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0) = 0;
    virtual status_t        unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,
                                          void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,
                                          wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL) = 0;

    virtual bool            checkSubclass(const void* subclassID) const;
    
    typedef void (*object_cleanup_func)(const void* id, void* obj, void* cleanupCookie);
    virtual void            attachObject(const void* objectID, void* object,
                                         void* cleanupCookie, object_cleanup_func func) = 0;
    virtual void*           findObject(const void* objectID) const = 0;
    virtual void            detachObject(const void* objectID) = 0;

    virtual BBinder*        localBinder();
    virtual BpBinder*       remoteBinder();

protected:
    virtual          ~IBinder();
private:
};

 

         C++层次的继承关系图如下：

 

其中有以下几个很关键的类：

• BpBinder
• BpInterface
• BBinder
• BnInterface

它们扮演着很重要的角色。

 

2.2.1 BpBinder

        BpBinder的定义截选如下：

class BpBinder : public IBinder
{
public:
BpBinder(int32_t handle);
    inline  int32_t     handle() const { return mHandle; }

    virtual const String16&    getInterfaceDescriptor() const;
    virtual bool        isBinderAlive() const;
    virtual status_t    pingBinder();
    virtual status_t    dump(int fd, const Vector<String16>& args);

    virtual status_t    transact(uint32_t code, const Parcel& data,
                                    Parcel* reply, uint32_t flags = 0);
    virtual status_t    linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
                                    void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0);
    virtual status_t    unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,
                                            void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,
                                            wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);
. . . . . .
. . . . . .

 

        作为代理端的核心，BpBinder最重要的职责就是实现跨进程传输的传输机制，至于具体传输的是什么语义，它并不关心。我们观察它的 transact()函数的参数，可以看到所有的语义都被打包成Parcel了。其他的成员函数，我们先不深究，待我们储备了足够的基础知识后，再回过头 研究它们不迟。

 

2.2.2 BpInterface

        另一个重要的类是BpInterface，它的定义如下：

template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
{
public:
BpInterface(const sp<IBinder>& remote);

protected:
    virtual IBinder*     onAsBinder();
};

其基类BpRefBase的定义如下：

class BpRefBase : public virtual RefBase
{
protected:
                            BpRefBase(const sp<IBinder>& o);
    virtual                 ~BpRefBase();
    virtual void            onFirstRef();
    virtual void            onLastStrongRef(const void* id);
    virtual bool            onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id);
    inline  IBinder*        remote()                { return mRemote; }
    inline  IBinder*        remote() const          { return mRemote; }

private:
BpRefBase(const BpRefBase& o);
    BpRefBase&              operator=(const BpRefBase& o);
    IBinder* const           mRemote;
    RefBase::weakref_type*  mRefs;
    volatile int32_t         mState;
};

BpInterface使用了模板技术，而且因为它继承了BpRefBase，所以先天上就聚合了一个mRemote成员，这个成员记录的就是前面所说的BpBinder对象啦。以后，我们还需要继承BpInterface<>实现我们自己的代理类。

 

        在实际的代码中，我们完全可以创建多个聚合同一BpBinder对象的代理对象，这些代理对象就本质而言，对应着同一个远端binder实体。在 Android框架中，常常把指向同一binder实体的多个代理称为token，这样即便这些代理分别处于不同的进程中，它们也具有了某种内在联系。这 个知识点需要大家关注。

 

2.2.3 BBinder

        Binder远程通信的目标端实体必须继承于BBinder类，该类和BpBinder相对，主要关心的只是传输方面的东西，不太关心所传输的语义。

class BBinder : public IBinder
{
public:
BBinder();
    virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
    virtual bool        isBinderAlive() const;
    virtual status_t    pingBinder();
    virtual status_t    dump(int fd, const Vector<String16>& args);

    virtual status_t    transact(uint32_t code, const Parcel& data,
                                      Parcel* reply, uint32_t flags = 0);

    virtual status_t    linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
                                    void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0);

    virtual status_t    unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,
                                            void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,
                                            wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);

    virtual void        attachObject(const void* objectID, void* object,
                                          void* cleanupCookie, object_cleanup_func func);
    virtual void*       findObject(const void* objectID) const;
    virtual void        detachObject(const void* objectID);

    virtual BBinder*    localBinder();

protected:
    virtual             ~BBinder();

    virtual status_t    onTransact(uint32_t code, const Parcel& data,
                                        Parcel* reply, uint32_t flags = 0);
private:
    BBinder(const BBinder& o);
    BBinder&    operator=(const BBinder& o);

    class Extras;
    Extras*     mExtras;
    void*       mReserved0;
};

 

        我们目前只需关心上面的transact()成员函数，其他函数留待以后再分析。transact函数的代码如下：

【frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp】

status_t BBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data, 
                           Parcel* reply, uint32_t flags)
{
    data.setDataPosition(0);
    status_t err = NO_ERROR;
    switch (code) 
    {
        case PING_TRANSACTION:
            reply->writeInt32(pingBinder());
            break;
        default:
            err = onTransact(code, data, reply, flags);
            break;
    }

    if (reply != NULL) 
    {
        reply->setDataPosition(0);
    }
    return err;
}

看到了吗，transact()内部会调用onTransact()，从而走到用户所定义的子类的onTransact()里。这个onTransact()的一大作用就是解析经由Binder机制传过来的语义了。

 

2.2.4 BnInterface

        远程通信目标端的另一个重要类是BnInterface<>，它是与BpInterface<>相对应的模板类，比较关心传输的 语义。一般情况下，服务端并不直接使用BnInterface<>，而是使用它的某个子类。为此，我们需要编写一个新的BnXXX子类，并重 载它的onTransact()成员函数。

         BnInterface<>的定义如下：

template<typename INTERFACE>
class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
{
public:
    virtual sp<IInterface>      queryLocalInterface(const String16& _descriptor);
    virtual const String16&     getInterfaceDescriptor() const;

protected:
    virtual IBinder*            onAsBinder();
};

如上所示，BnInterface<>继承于BBinder，但它并没有实现一个默认的onTransact()成员函数，所以在远程通信 时，前文所说的BBinder::transact()调用的onTransact()应该就是BnInterface<>的某个子类的 onTransact()成员函数。

 

2.3 几个重要的C++宏或模板

        为了便于编写新的接口和类，Android在C++层次提供了几个重要的宏和模板，比如我们在IInterface.h文件中，可以看到DECLARE_META_INTERFACE、IMPLEMENT_META_INTERFACE的定义。

 

2.3.1 DECLARE_META_INTERFACE()

        DECLARE_META_INTERFACE()的定义如下：

#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               \
    static const android::String16 descriptor;                          \
    static android::sp<I##INTERFACE> asInterface(                       \
            const android::sp<android::IBinder>& obj);                  \
    virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;    \
    I##INTERFACE();                                                     \
    virtual ~I##INTERFACE();                                            \

 

我们举个实际的例子，来说明如何使用这个宏：

上例中ICamera内部使用了DECLARE_META_INTERFACE(Camera)，我们把宏展开后，可以看到ICamera类的定义相当于：

class ICamera: public IInterface
{
public:

static const android::String16 descriptor;
static android::sp<ICamera> asInterface( const android::sp<android::IBinder>& obj);
virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;
ICamera();
virtual ~ICamera();

virtual void disconnect() = 0;
. . . . . .

宏展开的部分就是中间那5行代码，其中最关键的就是asInterface()函数了，这个函数将承担把BpBinder打包成BpInterface的职责。

 

2.3.2 IMPLEMENT_META_INTERFACE()

        与DECLARE_META_INTERFACE相对的就是IMPLEMENT_META_INTERFACE宏。它的定义如下：

#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \
    const android::String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);             \
    const android::String16&                                            \
            I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {              \
        return I##INTERFACE::descriptor;                                \
    }                                                                   \
    android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(                \
            const android::sp<android::IBinder>& obj)                   \
    {                                                                   \
        android::sp<I##INTERFACE> intr;                                 \
        if (obj != NULL) {                                              \
            intr = static_cast<I##INTERFACE*>(                          \
                obj->queryLocalInterface(                               \
                        I##INTERFACE::descriptor).get());               \
            if (intr == NULL) {                                         \
                intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          \
            }                                                           \
        }                                                               \
        return intr;                                                    \
    }                                                                   \
    I##INTERFACE::I##INTERFACE() { }                                    \
    I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { }                                   \

其中，实现了关键的asInterface()函数。

 

        实际使用IMPLEMENT_META_INTERFACE时，我们只需把它简单地写在binder实体所处的cpp文件中即可，举例如下：

其中的IMPLEMENT_META_INTERFACE(Camera, “android.hardware.ICamera”);一句相当于以下这段代码：

const android::String16 ICamera::descriptor(“android.hardware.ICamera”);
const android::String16& ICamera::getInterfaceDescriptor() const 
{
return ICamera::descriptor;
}

android::sp<ICamera> ICamera::asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj)
{
android::sp<ICamera > intr;
if (obj != NULL) 
{
intr = static_cast<ICamera*>(obj->queryLocalInterface(
ICamera::descriptor).get());
        if (intr == NULL) 
{
            intr = new BpCamera(obj);
        }
}
    return intr;
}

ICamera::ICamera() { }
ICamera::~ICamera () { } 

看来，其中重点实现了asInterface()成员函数。请注意，asInterface()函数中会先尝试调用 queryLocalInterface()来获取intr。此时，如果asInterface()的obj参数是个代理对象（BpBinder），那么 intr = static_cast<ICamera*>(obj->queryLocalInterface(...)一句得到的intr基本上 就是NULL啦。这是因为除非用户编写的代理类重载queryLocalInterface()函数，否则只会以默认函数为准。而IBinder类中的默 认queryLocalInterface()函数如下：

【frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp】

sp<IInterface>  IBinder::queryLocalInterface(const String16& descriptor)
{
    return NULL;
}

另一方面，如果obj参数是个实现体对象（BnInterface对象）的话，那么queryLocalInterface()函数的默认返回值就是实体对象的this指针了，代码如下：

【frameworks/native/include/binder/IInterface.h】

template<typename INTERFACE>
inline sp<IInterface> BnInterface<INTERFACE>::queryLocalInterface(const String16& _descriptor)
{
    if (_descriptor == INTERFACE::descriptor) 
        return this;
    return NULL;
}

 

        在我们所举的Camera例子中，我们要研究的是如何将BpBinder转成BpInterface，所以现在我们只阐述obj参数为BpBinder的 情况。此时asInterface()函数中obj->queryLocalInterface()的返回值为NULL，于是 asInterface()会走到new BpCamera(obj)一句，这一句是最关键的一句。我们知道，BpCamera继承于BpInterface<ICamera>，所以 此时所创建的BpCamera对象正是可被App使用的BpInterface代理对象。

 

        BpCamera的定义如下：

class BpCamera: public BpInterface<ICamera>
{
public:
    BpCamera(const sp<IBinder>& impl)
        : BpInterface<ICamera>(impl)
    {
    }

    // disconnect from camera service
    void disconnect()
    {
        LOGV("disconnect");
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(ICamera::getInterfaceDescriptor());
        remote()->transact(DISCONNECT, data, &reply);
    }
. . . . . .

至此，IMPLEMENT_META_INTERFACE宏和asInterface()函数的关系就分析完毕了。

 

2.3.3 interface_cast

        不过，我们经常使用的其实并不是asInterface()函数，而是interface_cast()，它简单包装了asInterface()：

template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
    return INTERFACE::asInterface(obj);
}

 

        以上就是关于C++层次中一些binder元素的介绍，下面我们再进一步分析其他细节。

 

3 ProcessState

        前文我们已经提到过，在Android的上层架构中，已经大幅度地弱化了进程的概念。应用程序员能看到的主要是activity、service、 content provider等概念，再也找不到以前熟悉的main()函数了。然而，底层程序（C++层次）毕竟还是得跑在一个个进程之上，现在我们就来看底层进程 是如何运用Binder机制来完成跨进程通信的。

        在每个进程中，会有一个全局的ProcessState对象。这个很容易理解，ProcessState的字面意思不就是“进程状态”吗，当然应该是每个 进程一个ProcessState。ProcessState的定义位于frameworks/native/include/binder /ProcessState.h中，我们只截选其中的一部分：

class ProcessState : public virtual RefBase
{
public:
    static  sp<ProcessState>    self();
    . . . . . .
    void                startThreadPool();
    . . . . . .
    void                spawnPooledThread(bool isMain);
    status_t            setThreadPoolMaxThreadCount(size_t maxThreads);

private:
    friend class IPCThreadState;
    . . . . . .
    
    struct handle_entry 
    {
        IBinder* binder;
        RefBase::weakref_type* refs;
    };
    handle_entry*       lookupHandleLocked(int32_t handle);
    int                 mDriverFD;
    void*               mVMStart;
    mutable Mutex       mLock;  // protects everything below.
    
    Vector<handle_entry> mHandleToObject;
    . . . . . .
    KeyedVector<String16, sp<IBinder> > mContexts;
    . . . . . .
};

我们知道，Binder内核被设计成一个驱动程序，所以ProcessState里专门搞了个mDriverFD域，来记录binder驱动对应的句柄 值，以便随时和binder驱动通信。ProcessState对象采用了典型的单例模式，在一个应用进程中，只会有唯一的一个ProcessState 对象，它将被进程中的多个线程共用，因此每个进程里的线程其实是共用所打开的那个驱动句柄（mDriverFD）的，示意图如下：

 

每个进程基本上都是这样的结构，组合起来的示意图就是：

 

我们常见的使用ProcessState的代码如下：

int main(int argc, char** argv)
{
    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
    . . . . . .
    . . . . . .
    ProcessState::self()->startThreadPool();
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}

因为ProcessState采用的是单例模式，所以它的构造函数是private的，我们只能通过调用ProcessState::self()来获取进程中唯一的一个ProcessState对象。self()函数的代码如下：

sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);
    if (gProcess != NULL) {
        return gProcess;
    }
    gProcess = new ProcessState;
    return gProcess;
}

 

        ProcessState对象构造之时，就会打开binder驱动：

ProcessState::ProcessState()
    : mDriverFD(open_driver())     // 打开binder驱动。
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(NULL)
    , mBinderContextUserData(NULL)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mThreadPoolSeq(1)
{
    . . . . . .
    mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
    . . . . . .    
}

注意上面那句mDriverFD(open_driver())，其中的open_driver()就负责打开“/dev/binder”驱动：

static int open_driver()
{
    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
    . . . . . .
    status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
    . . . . . .
    size_t maxThreads = 15;
    result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
    . . . . . .
    return fd;
}

 

         ProcessState中另一个比较有意思的域是mHandleToObject：

Vector<handle_entry> mHandleToObject;

它是本进程中记录所有BpBinder的向量表噢，非常重要。我们前文已经说过，BpBinder是代理端的核心，现在终于看到它的藏身之处了。在 Binder架构中，应用进程是通过“binder句柄”来找到对应的BpBinder的。从这张向量表中我们可以看到，那个句柄值其实对应着这个向量表 的下标。这张表的子项类型为handle_entry，定义如下：

struct handle_entry 
{
    IBinder* binder;
    RefBase::weakref_type* refs;
};

其中的binder域，记录的就是BpBinder对象。

 

         Ok，有关Binder的初步知识，我们就先说这么多。我也不想一下子把所有的信息都塞到一篇文章中，所以打算把更多技术细节安排到其他文章中阐述，呵呵，这需要一点儿时间。

转自http://blog.csdn.net/codefly/article/details/17058607