AndroidBinder设计与实现–设计篇 android的设计与实现

目录

1. Android为何引入Binder

2. 面向对象的 Binder IPC

3. Binder通信模型

3.1 Binder 驱动
3.2 ServiceManager 与实名Binder
3.3 Client 获得实名Binder的引用
3.4 匿名 Binder

4 Binder 协议

4.1BINDER_WRITE_READ：向Binder写入数据
4.2 BINDER_WRITE_READ：从Binder读出数据
4.3 struct binder_transaction_data ：收发数据包结构

5. Binder 的表述
5.1 Binder 在应用程序中的表述
5.1.1 Binder 在Server端的表述– Binder实体
5.1.2 Binder 在Client端的表述 – Binder引用
5.2 Binder 在传输数据中的表述(flat_binder_object)
5.2.1 文件形式的 Binder
5.3 Binder 在驱动中的表述
5.3.1 Binder 实体在驱动中的表述(binder_node)
5.3.2 Binder 引用在驱动中的表述(binder_ref)

6. Binder 内存映射和接收缓存区管理
7. Binder 接收线程管理
8. 数据包接收队列与（线程）等待队列管理
9 总结

1. Android为何引入Binder

Android系统中，为了向应用开发者提供丰富多样的功能，这种通信方式更是无处不在，诸如媒体播放，视音频捕获，到各种让手机更智能的传感器（加速度，方位，温度，光亮度等）都由不同的Server负责管理，应用程序只需做为Client与这些Server建立连接便可以使用这些服务，花很少的时间和精力就能开发出令人眩目的功能。 Client-Server方式的广泛采用对进程间通信（IPC）机制是一个挑战。目前linux支持的IPC包括传统的管道，SystemV IPC，即消息队列/共享内存/信号量，以及socket。其中只有socket支持Client-Server的通信方式。当然也可以在这些底层机制上架设一套协议来实现Client-Server通信，但这样增加了系统的复杂性，在嵌入式这种条件复杂，资源稀缺的系统中可靠性也难以保证。

另一方面是传输性能。socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。

各种IPC方式数据拷贝次数如下表：

还有一点是出于安全性考虑。Android作为一个开放式，拥有众多开发者的的平台，应用程序的来源广泛，确保智能终端的安全是非常重要的。终端用户不希望从网上下载的程序在不知情的情况下偷窥隐私数据，连接无线网络，长期操作底层设备导致电池很快耗尽等等。传统IPC没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保。首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID（用户ID/进程ID），从而无法鉴别对方身份。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID/PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。比如命名管道的名称，systemV的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。

基于以上原因，Android需要建立一套新的IPC机制来满足系统对通信方式，传输性能和安全性的要求，这就是Binder。Binder基于Client-Server通信模式，传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份，既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高。

2. 面向对象的 Binder IPC
Binder使用Client-Server通信方式：一个进程作为Server提供诸如视频/音频解码，视频捕获，地址本查询，网络连接等服务；多个进程作为Client向Server发起服务请求，获得所需要的服务。要想实现Client-Server通信必须实现以下两点：

1) server必须有确定的访问接入点或者说地址来接受Client的请求，并且Client可以通过某种途径获知Server的地址；

2)制定Command-Reply协议来传输数据。例如在网络通信中Server的访问接入点就是Server主机的IP地址+端口号，传输协议为TCP协议。对Binder而言，Binder可以看成Server提供的实现某个特定服务的访问接入点，Client通过这个‘地址’向Server发送请求来使用该服务；对Client而言，Binder可以看成是通向Server的管道入口，要想和某个Server通信首先必须建立这个管道并获得管道入口。

面向对象思想的引入将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法，而其独特之处在于Binder对象是一个可以跨进程引用的对象，它的实体位于一个进程中，而它的引用却遍布于系统的各个进程之中。最诱人的是，这个引用和java里引用一样既可以是强类型，也可以是弱类型，而且可以从一个进程传给其它进程，让大家都能访问同一Server，就象将一个对象或引用赋值给另一个引用一样。

3. Binder通信模型

Binder框架定义了四个角色：Server，Client，ServiceManager（以后简称SMgr）以及驱动。其中 Server，Client，SMgr运行于用户空间，驱动运行于内核空间。这四个角色的关系和互联网类似：Server是服务器，Client是客户终端，SMgr是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

3.1 Binder 驱动

和路由器一样，Binder驱动虽然默默无闻，却是通信的核心。尽管名叫‘驱动’，实际上和硬件设备没有任何关系，只是实现方式和设备驱动程序是一样的：它工作于内核态，提供open()，mmap()，poll()，ioctl()等标准文件操作，以字符驱动设备中的misc设备注册在设备目录/dev下，用户通过/dev/binder访问它。驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。驱动和应用程序之间定义了一套接口协议，主要功能由ioctl()接口实现，不提供read()，write()接口，因为ioctl()灵活方便，且能够一次调用实现先写后读以满足同步交互，而不必分别调用write()和read()。

3.2 ServiceManager与实名Binder

和DNS类似，SMgr的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。注册了名字的Binder叫实名Binder，就象每个网站除了有IP地址外都有自己的网址。Server创建了Binder实体，为其取一个字符形式，可读易记的名字，将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给SMgr，通知SMgr注册一个名叫张三的Binder，它位于某个Server中。驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于内核中的实体节点以及 SMgr对实体的引用，将名字及新建的引用传递给SMgr。SMgr收数据包后，从中取出名字和引用填入一张查找表中。

细心的读者可能会发现其中的蹊跷：SMgr是一个进程，Server是另一个进程，Server向SMgr注册Binder必然会涉及进程间通信。当前实现的是进程间通信却又要用到进程间通信，这就好象蛋可以孵出鸡前提却是要找只鸡来孵蛋。Binder的实现比较巧妙：预先创造一只鸡来孵蛋。SMgr和其它进程同样采用Binder通信，SMgr是Server端，有自己的Binder实体，其它进程都是Client，需要通过这个Binder的引用来实现Binder的注册，查询和获取。SMgr提供的Binder比较特殊，它没有名字也不需要注册，当一个进程使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令将自己注册成SMgr时Binder驱动会自动为它创建Binder实体（这就是那只预先造好的鸡）。其次这个Binder的引用在所有Client中都固定为0而无须通过其它手段获得。也就是说，一个Server若要向SMgr注册自己Binder就必需通过0这个引用和SMgr的Binder通信。类比网络通信，0号引用就好比域名服务器的地址，你必须手工或动态配置好。要注意这里说的Client是相对SMgr而言的，一个应用程序是个提供服务的Server，但对SMgr来说它仍然是个Client。

ServiceManager的代码如下：

1. intmain(intargc,char**argv)
2. {
3. structbinder_state*bs;
4. void*svcmgr=BINDER_SERVICE_MANAGER;
6. bs=binder_open(128*1024);
8. if(binder_become_context_manager(bs)){
9. LOGE("cannotbecomecontextmanager(%s)n",strerror(errno));
10. return-1;
11. }
13. svcmgr_handle=svcmgr;
14. binder_loop(bs,svcmgr_handler);
15. return0;
16. }

1. voidbinder_loop(structbinder_state*bs,binder_handlerfunc)
2. {
3. intres;
4. structbinder_write_readbwr;
5. unsignedreadbuf[32];
7. bwr.write_size=0;
8. bwr.write_consumed=0;
9. bwr.write_buffer=0;
11. readbuf[0]=BC_ENTER_LOOPER;
12. binder_write(bs,readbuf,sizeof(unsigned));
14. for(;;){
15. bwr.read_size=sizeof(readbuf);
16. bwr.read_consumed=0;
17. bwr.read_buffer=(unsigned)readbuf;
19. res=ioctl(bs->fd,BINDER_WRITE_READ,&bwr);
21. if(res<</span>0){
22. LOGE("binder_loop:ioctlfailed(%s)n",strerror(errno));
23. break;
24. }
26. res=binder_parse(bs,0,readbuf,bwr.read_consumed,func);
27. if(res==0){
28. LOGE("binder_loop:unexpectedreply?!n");
29. break;
30. }
31. if(res<</span>0){
32. LOGE("binder_loop:ioerror%d%sn",res,strerror(errno));
33. break;
34. }
35. }
36. }

3.3 Client 获得实名Binder的引用

Server向SMgr注册了Binder实体及其名字后(service_manager.c)，Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Client也利用保留的0号引用向SMgr请求访问某个Binder：我申请获得名字叫张三的Binder的引用。SMgr收到这个连接请求，从请求数据包里获得Binder的名字，在查找表里找到该名字对应的条目，从条目中取出Binder的引用，将该引用作为回复发送给发起请求的Client。从面向对象的角度，这个Binder对象现在有了两个引用：一个位于SMgr中，一个位于发起请求的Client中。如果接下来有更多的Client请求该Binder，系统中就会有更多的引用指向该Binder，就象java里一个对象存在多个引用一样。而且类似的这些指向Binder的引用是强类型，从而确保只要有引用Binder实体就不会被释放掉。通过以上过程可以看出，SMgr象个火车票代售点，收集了所有火车的车票，可以通过它购买到乘坐各趟火车的票，即得到某个Binder的引用。

3.4匿名 Binder

并不是所有Binder都需要注册给SMgr广而告之的。Server端可以通过已经建立的Binder连接将创建的Binder实体传给Client，当然这条已经建立的Binder连接必须是通过实名Binder实现。由于这个Binder没有向SMgr注册名字，所以是个匿名Binder。Client将会收到这个匿名Binder的引用，通过这个引用向位于Server中的实体发送请求。匿名Binder为通信双方建立一条私密通道，只要Server没有把匿名Binder发给别的进程，别的进程就无法通过穷举或猜测等任何方式获得该Binder的引用，向该Binder发送请求。

下图展示了参与Binder通信的所有角色，将在以后章节中一一提到。

图 1 Binder通信示例

4 Binder 协议
Binder协议基本格式是（命令+数据），使用ioctl(fd, cmd,arg)函数实现交互。命令由参数cmd承载，数据由参数arg(指针)承载，随cmd不同而不同。下表列举了所有命令及其所对应的数据：

表 2 Binder通信命令字

这其中最常用的命令是BINDER_WRITE_READ。该命令的参数包括两部分数据：一部分是向Binder写入的数据，一部分是要从Binder读出的数据，驱动程序先处理写部分再处理读部分。这样安排的好处是应用程序可以很灵活地处理命令的同步或异步。例如若要发送异步命令可以只填入写部分而将read_size置成0；若要只从Binder获得数据可以将写部分置空即write_size置成0；若要发送请求并同步等待返回数据可以将两部分都置上。

4.1BINDER_WRITE_READ：向Binder写入数据
Binder写操作的数据时格式同样也是（命令+数据）。这时候命令和数据都存放在binder_write_read结构write_buffer域指向的内存空间里，多条命令可以连续存放。数据紧接着存放在命令后面，格式根据命令不同而不同。下表列举了Binder写操作支持的命令：

表 3 Binder写操作命令字

在这些命令中，最常用的是BC_TRANSACTION/BC_REPLY命令对，Binder数据通过这对命令发送给接收方。这对命令所承载的数据包由结构体structbinder_transaction_data定义。Binder交互有同步和异步之分，利用binder_transaction_data中flag域区分。如果flag域的TF_ONE_WAY位为1则为异步交互，即Client端发送完请求交互即结束，Server端不再返回BC_REPLY数据包；否则Server会返回BC_REPLY数据包，Client端必须等待接收完该数据包方才完成一次交互。

4.2 BINDER_WRITE_READ：从Binder读出数据
从Binder里读出的数据格式和向Binder中写入的数据格式一样，采用（消息ID+数据）形式，并且多条消息可以连续存放。下表列举了从Binder读出的命令字及其相应的参数：

表 4 Binder读操作消息ID

消息	含义	参数
BR_ERROR	发生内部错误（如内存分配失败）	—
BR_OK BR_NOOP	操作完成	—
BR_SPAWN_LOOPER	该消息用于接收方线程池管理。当驱动发现接收方所有线程都处于忙碌状态且线程池里的线程总数没有超过BINDER_SET_MAX_THREADS设置的最大线程数时，向接收方发送该命令要求创建更多线程以备接收数据。	—
BR_TRANSACTION BR_REPLY	这两条消息分别对应发送方的BC_TRANSACTION和BC_REPLY，表示当前接收的数据是请求或是回复。	binder_transaction_data
BR_ACQUIRE_RESULT BR_ATTEMPT_ACQUIRE BR_FINISHED	尚未实现	—
BR_DEAD_REPLY	交互过程中如果发现对方进程或线程已经死亡则返回该消息	—
BR_TRANSACTION_COMPLETE	发送方通过BC_TRANSACTION或BC_REPLY发送完一个数据包后，都能收到该消息做为成功发送的反馈。这和BR_REPLY不一样，是驱动告知发送方已经发送成功，而不是接收方返回请求数据。所以不管同步还是异步交互接收方都能获得本消息。	—
BR_INCREFS BR_ACQUIRE BR_RELEASE BR_DECREFS	这一组消息用于管理强/弱指针的引用计数。只有提供Binder实体的进程才能收到这组消息。	void *ptr：Binder实体在用户空间中的指针 void *cookie：与该实体相关的附加数据
BR_DEAD_BINDER BR_CLEAR_DEATH_NOTIFICATION_DONE	向获得Binder引用的进程发送Binder实体死亡通知书；收到死亡通知书的进程接下来会返回BC_DEAD_BINDER_DONE做确认。	void**cookie：在使用BC_REQUEST_DEATH_NOTIFICATION注册死亡通知时的附加参数。
BR_FAILED_REPLY	如果发送非法引用号则返回该消息	—

与写数据一样，其中最重要的消息是BR_TRANSACTION或BR_REPLY，表明收到了一个格式为binder_transaction_data的请求数据包（BR_TRANSACTION）或返回数据包（BR_REPLY）。

4.3 struct binder_transaction_data：收发数据包结构
该结构是Binder接收/发送数据包的标准格式，每个成员定义如下：

表 5Binder收发数据包结构：binder_transaction_data

这里有必要再强调一下offsets_size和data.offsets两个成员，这是Binder通信有别于其它IPC的地方。如前述，Binder采用面向对象的设计思想，一个Binder实体可以发送给其它进程从而建立许多跨进程的引用；另外这些引用也可以在进程之间传递，就象java里将一个引用赋给另一个引用一样。为Binder在不同进程中建立引用必须有驱动的参与，由驱动在内核创建并注册相关的数据结构后接收方才能使用该引用。 而且这些引用可以是强类型，需要驱动为其维护引用计数。然而这些跨进程传递的Binder混杂在引用程序发送的数据包里，数据格式完全由用户定义，如果不把它们一一标记出来告知驱动，驱动将无法从数据中将它们提取出来。于是就使用数组data.offsets存放用户数据中每个Binder相对data.buffer的偏移量，用offsets_size表示这个数组的大小。驱动在发送数据包时会根据data.offsets和offset_size将散落于data.buffer中的Binder找出来并一一为它们创建相关的数据结构。在数据包中传输的Binder是类型为struct flat_binder_object的结构体，详见后文。

对于接收方来说，该结构只相当于一个定长的消息头，真正的用户数据存放在data.buffer所指向的缓存区中。如果发送方在数据中内嵌了一个或多个Binder，接收到的数据包中同样会用data.offsets和offset_size指出每个Binder的位置和总个数。不过通常接收方可以忽略这些信息，因为接收方是知道数据格式的，参考双方约定的格式定义就能知道这些Binder在什么位置。

图 2 BINDER_WRITE_READ数据包实例

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