I. Android系统Binder机制之一（Service Manager篇）

本文转载整理自： http://my.unix-center.net/~Simon_fu/?p=875 

 

一、前言

Android虽然构建在Linux上面，但是在IPC（进程间）机制方面，没有利用Linux提供IPC机制，而是自己实现了一套轻量级的IPC机制——binder机制。并且Android Binder机制之上，Android框架提供了一套封装，可以实现对象代理（在本地进程中代理远程进程的对象）。本文简单分析一下Android Binder机制。

二、Binder情景分析

    一个IPC通讯我们可以理解成客户端-服务器模式，因此我们先在这里分析一下典型的Binder应用模式：

 

1、客户端通过某种方式（后文会详细介绍）得到服务器端的代理对象。从客户端角度看来代理对象和他的本地对象没有什么差别。它可以像其他本地对象一样调用其方法，访问其变量。 

2、客户端通过调用服务器代理对象的方法向服务器端发送请求。 

3、代理对象把用户请求通过Android内核（Linux内核）的Binder驱动发送到服务器进程。 

4、服务器进程处理用户请求，并通过Android内核（Linux内核）的Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象。 

5、客户端收到服务器端的返回结果。

 

    如果你对COM或者Corba熟悉的话，以上的情景是否会让你联想到什么呢？没错！都是对象代理。以上的情景，在Android中经常会被用到。如果你还没有注意到这点儿，那么本文非常适合你。

三、Binder机制的组成

1、Binder驱动

    binder是内核中的一个字符驱动设备位于：/dev/binder。这个设备是Android系统IPC的核心部分，客户端的服务代理用来通过它向服务器（server）发送请求，服务器也是通过它把处理结果返回给客户端的服务代理对象。我们只需要知道它的功能就可以了，本文我们的重点不在这里，所以后面不会专门介绍这部分。如果想深入了解的话，请研究内核源码中的binder.c。

2、Service Manager

    负责管理服务。对应于第一步中，客户端需要向Service Manager来查询和获得所需要服务。服务器也需要向Service Manager注册自己提供的服务。可以看出Service Manager是服务的大管家。

3、服务（Server）

    需要强调的是这里服务是指的是System Server，而不是SDK server，请参考《（转）高焕堂——Android框架底层结构知多少？》关于两种Server的介绍（其实应该是三种，丢掉了init调用的server，在init.rc中配置）。

4、客户端

    一般是指Android系统上面的应用程序。它可以请求Server中的服务。

5、对象代理

    是指在客户端应用程序中生成的Server代理（proxy）。从应用程序角度看代理对象和本地对象没有差别，都可以调用其方法，方法都是同步的，并且返回相应的结果。

 

四、大内总管——Service Manager

    Android系统Binder机制的总管是Service Manager，所有的Server（System Server）都需要向他注册，应用程序需要向其查询相应的服务。可见其作用是多么的重要，所以本文首先介绍Service Manager。

    通过上面介绍我们知道Service Manager非常重要，责任重大。那么怎样才能成为Service Manager呢？是不是谁都可以成为Service Manager呢？怎样处理server的注册和应用程序的查询和获取服务呢？为了回答这些问题先查看，Android中Service Manager的源码，其源码位于：

frameworks\base\cmds\servicemanager\service_manager.c

我们发现了main函数，说明他自己就是一个进程，在init.rc中我们发现：

 

 

说明其是Android核心程序，开机就会自动运行。

    下面我们在研究一下它的代码，main函数很简单：

 

 

我们看到它先调用binder_open打开binder设备（/dev/binder），其次它调用了binder_become_context_manager函数，这个函数使他自己变为了“Server大总管”，其代码如下：

 

 

也就是通过ioctl向binder设备声明“我就是server大总管”。

    Service Manager作为一个Server大总管，本身也是一个server。既然是一个server就要时刻准备为客户端提供服务。最后Service Manager调用binder_loop进入到循环状态，并提供了一个回调函数，等待用户的请求。注意他的Service Manager的客户端既包括应用程序（查询和获取服务），也包括Server（注册服务）。

    Service Manager的客户怎样才能请求其服务呢？答案是上文我们提到的情景一样。客户需要在自己进程中创建一个服务器代理。现在没有地方去查询服务，那么它的客户怎样生成他的服务代理对象呢？答案是binder设备（/dev/binder）为每一个服务维护一个句柄，调用binder_become_context_manager函数变为“Server大总管”的服务，他的句柄永远是0，是一个“众所周知”的句柄，这样每个程序都可以通过binder机制在自己的进程空间中创建一个Service Manager代理对象了。其他的服务在binder设备在设备中的句柄是不定的，需要向“Server大总管”查询才能知道。

    现在我们需要研究Server怎样注册服务了，还是在其源码中，我们可以看到在其服务处理函数中（上文提到binder_loop函数注册给binder设备的回调函数svcmgr_handler）有如下代码：

 

    

有server向binder设备写入请求注册Service时，Service Manager的服务处理回调函数将会被调用。我们在仔细看看do_add_service函数的实现：

 

 

我们看到首先检查是否有权限注册service，没权限就对不起了，出错返回；然后检查是否已经注册过，注册过的service将不能再次注册。然后构造一个svcinfo对象，并加入一个全局链表中svclist中。最后通知binder设备：有一个service注册进来。  si->ptr = ptr;这里的ptr应该就是注册的service的句柄。

    我们再来看看客户端怎样通过Service Manager获得Service，还是在服务处理函数中（上文提到binder_loop函数注册给binder设备的回调函数）有如下代码：

 

   

 

    我们可以看到通过do_find_service查找Service如果查找到的话，写入reply中返回给客户端。

do_find_service函数也在service_manager.c文件中，其源码如下：

 

do_find_service又调用了find_svc函数，其源码如下：

 

II. Android系统Binder机制之二（服务代理对象 上篇）

    上文《Android系统Binder机制之一（Service Manager篇）》我们学习了Service Manager在Android Binder中的作用——服务（Service）注册，服务（Service）查询的功能。本文我们一起学习服务（Service）在客户端中的代理机制。重点介绍其核心对象BpBinder。 

一、服务代理的基本原理

    如下是客户端请求service服务的场景：

 

1、首先客户端向Service manager查找相应的Service。关于此，上文《Android系统Binder机制之一（Service Manager篇）》已有比较详细的介绍。注意客户端和Service可能在两个不同的进程中。 

2、Android系统将会为客户端进程中创建一个Service代理。关于此，下文将详细介绍。 

3、客户端视角只有Service代理，他所有对Service的请求都发往Service代理，然后有Service代理把用户请求转发给Service本身。Service处理完成之后，把结果返回给Service代理，Service代理负责把处理结果返回给客户端。注意客户端对Service代理的调用都是同步调用（调用挂住，直到调用返回为止），这样客户端视角来看调用远端Service的服务和调用本地的函数没有任何区别。这也是Binder机制的一个特点。

二、Android进程环境——ProcessState类型和对象

    在Android系统中任进程何，要想使用Binder机制，必须要创建一个ProcessState对象和IPCThreadState对象。当然如果Android进程不使用Binder机制，那么这两个对象是不用创建的。这种情况很少见，因为Binder机制是整个Android框架的基础，可以说影响到Android方方面面。所以说了解这两个对象的作用非常重要。

    台湾的高焕堂先生一片文章《认识ProcessState类型和对象》，可以在我的博文《（转）高焕堂——Android框架底层结构知多少？》中找到。可以先通过这篇文章对ProcessState进行一个大概了解。

    ProcessState是一个singleton类型，一个进程只能创建一个他的对象。他的作用是维护当前进程中所有Service代理（BpBinder对象）。一个客户端进程可能需要多个Service的服务，这样可能会创建多个Service代理（BpBinder对象），客户端进程中的ProcessState对象将会负责维护这些Service代理。

我们研究一下创建一个Service代理的代码：

 

 getWeakProxyForHandle函数的作用是根据一个binder句柄（上文《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》提到Binder驱动为每个Service维护一个Binder句柄，客户端可以通过句柄来和Service通讯）创建对应的Service代理对象。

    当前进程首先调用lookupHandleLocked函数去查看当前进程维护的Service代理对象的列表，该待创建Service代理对象是否已经在当前进程中创建，如果已经创建过了，则直接返回其引用就可以了。否则将会在Service代理对象的列表增加相应的位置（注意系统为了减少分配开销，可能会多分配一些空间，策略是“以空间换时间”），保存将要创建的代理对象。具体代码请参考lookupHandleLocked的源码。

    后面代码就好理解了，如果Service代理对象已经创建过了且当前弱引用数大于0（该值是通过attemptIncWeak返回），直接引用就行了。否则，则需要创建一个新的Service代理对象。

 

三、Android进程环境——IPCThreadState类型和对象

    Android进程中可以创建一个ProcessState对象，该对象创建过程中会打开/dev/binder设备，并保存其句柄。并初始化该设备。代码如下：

 

 

mDriverFD保存了/dev/binder设备的句柄，如果仔细查看ProcessState的源码会发现这个句柄不会被ProcessState对象使用。那么保存这个句柄做什么用呢？被谁使用呢？非常奇怪。经过查看ProcessState的头文件，发现如下代码：

    发现IPCThreadState是ProcessState的友元类，那么就可以怀疑这个句柄是被IPCThreadState的对象使用的，然后查看代码发现确实如此。

    IPCThreadState也是一个singleton的类型，一个进程中也只能有一个这样的对象。它的源码也位于frameworks\base\libs\binder目录下。我们查看一下它的talkWithDriver函数：        

 IPCThreadState通过ioctl系统调用对ProcessState打开的句柄进行读写。这样我们也可以看出IPCThreadState对象的作用：

 

1、维护当前进程中所有对/dev/binder的读写。换句话说当前进程通过binder机制进行跨进程调用都是通过IPCThreadState对象来完成的。

2、IPCThreadState也可以理解成/dev/binder设备的封装，用户可以不直接通过ioctl来操作binder设备，都通过IPCThreadState对象来代理即可。

不管是客户端进程和Service进程都是需要用IPCThreadState来和binder设备通讯的。

如果是客户端进程则通过服务代理BpBinder（IBinder的一个子类）对象的transact函数调用IPCThreadState的transact函数，该函数作用就是把客户端的请求写入binder设备另一端的Service进程，具体请参阅IPCThreadState类的transact方法。

如果是Service进程，当他完成初始化工作之后，他需要他们需要进入循环状态等待客户端的请求，Service进程调用它的IPCThreadState对象的joinThreadPool方法，开始轮询binder设备，等待客户端请求的到来，后面我们讨论Service时候会进一步讨论joinThreadPool方法。有兴趣的朋友可以先通过查看代码来了解joinThreadPool方法。

 

四、Service代理对象BpBinder

    上文关于ProcessState的介绍提到了，客户端进程创建的Service代理对象其实就是BpBinder对象。BpBinde其实是IBinder的一个子类。我们首先了解怎样创建BpBinder对象。

我们可以看出首先是通过IPCThreadState读写binder设备增加中相应binder句柄上的Service的引用计数。然后本地保存代理Service的binder句柄mHandle。

    客户进程对Service的请求都通过调用BpBinder的transact方法来完成：

IBinder的transact函数源码如下

 

 

五、Android系统对Binder机制的抽象——IBinder

    上面我们讲解了Binder机制比较底层的机制，这些机制直接用还是比较麻烦的，比如使用binder设备的ioctl，需要记住很多ioctl的代码。

    Android为了是Binder机制容易使用，对Binder机制进行了抽象，定义了IBinder接口，该接口在C/C++和Java层都有定义。IBinder定义了一套使用Binder机制使用和实现客户程序和服务器的通讯协议。可以理解如下定义：

 

1、向Android注册的Service也必须是IBinder（继承扩展IBinder接口）对象。后续文章中我们讨论Service的时候我们会介绍到这方面的内容。

2、客户端得到Service代理对象也必须定义成IBinder（继承扩展IBinder接口）对象。这也是为什么BpBinder就是继承自IBinder。

3、客户端发送请求给服务器端，将Service代理对象IBinder接口的transact方法。

4、Android系统Binder机制将负责把用户的请求，调用Service对象IBinder接口的onTransact方法。具体实现我们将在以后介绍Service的时候讨论。

 

六、Service Manager代理对象

    我们知道Service Manager是Android Binder机制的大管家。所有需要通过Binder通讯的进程都需要先获得Service Manager的代理对象才能进行Binder通讯。Service Manager即在C/C++层面提供服务代理，又在Java层面提供服务代理，本文先介绍一下C/C++层面的服务代理，Java层面的服务代理将在后续文章中介绍。

    进程在C/C++层面上面，Android在Android命名空间中定义了一个全局的函数defaultServiceManager（定义在framework/base/libs/binder/IServiceManager.cpp），通过这个函数可以使进程在C/C++层面获得Service Manager的代理。我们先看一下该函数的定义：

 

我们可以看到defaultServiceManager是调用ProcessState对象的getContextObject方法获得Service Manager的getContextObject方法获得Service Manager代理对象。我们再看一下getContextObject函数的定义：

    我们可以看出其实是调用我们上面描述过的getStrongProxyForHandle方法，并以句柄0为参数来获得Service Manager的代理对象。

    ProcessState::self()->getContextObject(NULL)返回一个IBinder对象，怎样把它转化成一个IServiceManager的对象呢？这就是模板函数interface_cast<IServiceManager>的作用了。调用的是IServiceManager.asInterface方法。IServiceManager的asInterface方法通过DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE宏来定义，详细情况请查看IServiceManager类的定义。IMPLEMENT_META_INTERFACE宏关于asInterface的定义如下：

    最终asInterface将会用一个IBinder对象创建一个BpServiceManager对象，并且BpServiceManager继承自IServiceManager，这样我们就把IBinder对象转换成了IServiceManager对象。如果你仔细查看BpServiceManager的定义，你会发现查询Service，增加Service等方法其实都是调用底层的IBinder对象来完成的。

    当我们在C/C++层面编写程序使用Binder机制的时候将会调用defaultServiceManager函数来获得Service Manager，比如：很多Android系统Service都是在C/C++层面实现的，他们就需要向Service Manager注册其服务，那么这些服务将调用defaultServiceManager获得Service Manager代理对象。我们在后续介绍Android系统Service的时候将会详细介绍。

另注：IPCThreadState虽然也是Singleton模式(构造函数私有，通过IPCThreadState::self获取对象实例)，但是IPCThreadState可不是一个进程只有一个哦！

    IPCThreadState对象是放到线程私有存储(Thread Local Storage)中的，一个进程可能有多个线程，因此IPCThreadState是每个线程都可能拥有一个。TLS通过全局的key获取。TLS相当于线程中的“线程全局”变量，线程中的函数是可以直接获取的(你不能在线程函数栈中new一个IPCThreadState对象，但你能获得该线程唯一的IPCThreadState对象)。

    参考多线程编程模型，再看看IPCThreadState::self为什么那样实现，就知道我所言非虚。

 

III. Android系统Binder机制之三（服务代理对象 下篇）

   上文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象（1）》我们学习了进程的C/C++层面的服务代理对象BpBinder，和Binder底层处理方式。本文我们将深入分析一下在进程的Java层面服务代理对象的创建和使用。

一、Android进程的C/C++层面和Java层

    Android中程序大部分都是java开发，底层通过JNI调用C/C++的代码。这样一个程序就分为了两个层面C/C++层面和Java层面。运行状态下，我们说它们都在一个进程之中，拥有相同的进程属性（UID，GID等等）。

    Binder客户程序的C/C++层面的对象和原理我们在上文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象（1）》已经学习。下面我们将介绍客户程序怎样在Java层面通过JNI调用底层C/C++代码的创建服务代理。

ServiceManager类型和对象

    我在《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》中介绍过，客户端要想获得服务代理，首先要向ServiceManager查询Service。在Java层面也是这样，所以我们首先分析Java层面ServiceManager类。

    我们通过查看android.os.ServiceManager的源码我们发现，ServiceManager类型也是一个Singleton类型。所有的方法都是静态方法，所有静态方法都是访问它的IServiceManager类型的静态变量sServiceManager，定义如下：

[plain] view plaincopy

1. <span style="font-size:12px;">private static IServiceManager sServiceManager;</span>  

所以可以理解ServiceManager就是IServiceManager对象的一个代理。为创建和访问这个变量都是通过ServiceManager的getIServiceManager方法，定义如下：

 

   通过上面的代码，非常清晰的告诉我们ServiceManager类型是一个Singleton类型。现在我们主要研究sServiceManager对象怎样创建的。如下代码创建IServiceManager对象：

[plain] view plaincopy

1. <span style="font-size:12px;">sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());</span>  

 

我们首先查看BinderInternal类的getContextObject方法的代码，发现是Native代码（哈哈！有终于到达C/C++层面了，我们已经熟悉了），对应的代码为android_util_binder.cpp中的android_os_BinderInternal_getContextObject函数，代码如下：

 

    终于看到我们上文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象（1）》介绍过的ProcessState对象了，我们再去查看ProcessState对象的getContextObject方法，代码如下：

 

C语言的sprintf函数跟printf在用法上几乎一样，只是两者打印的目的地不同而已，前者打印到字符串中，后者则直接在命令行上输出

sprintf是个变参函数，定义如下：

 

    我们看到在当前进程的ProcessState对象其实是调用getStrongProxyForHandle方法来创建binder句柄为0的服务代理对象——BpBinder对象，我们在《Android系统的Binder机制之一——Service Manager》提到过ServiceManager的binder句柄是一个闻名句柄0。上文《Android系统的Binder机制之二——服务代理对象（1）》已经介绍过ProcessState对象的getStrongProxyForHandle方法，这里就不多说了。

    我们可以看出Java调用C/C++，创建一个服务代理对象BpBinder，在查看BpBinder的定义我们发现继承自IBinder接口，然后在android_util_binder.cpp中的方法android_os_BinderInternal_getContextObject中，把C/C++层面的IBinder对象封装成Java层面的IBinder对象。具体实现可以查看上文的android_os_BinderInternal_getContextObject方法。

    至此我们已经清楚BinderInternal.getContextObject()，返回的是ServiceManager的服务代理对象——BpBinder对象。那么ServiceManagerNative类的静态方法asInterface做什么用呢？我们还是通过代码来分析，在ServiceManagerNative.java中，asInterface的代码如下：

     

[plain] view plaincopy

1. static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)  
2.     {  
3.   
4.         if (obj == null) {  
5.   
6.             return null;  
7.   
8.         }  
9.   
10.         IServiceManager in =  
11.   
12.             (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);  
13.   
14.         if (in != null) {  
15.   
16.             return in;  
17.   
18.         }  
19.   
20.           
21.   
22.         return new ServiceManagerProxy(obj);  
23.   
24.     }  

    将会用IBinder对象创建一个ServiceManagerProxy对象，ServiceManagerProxy类型实现了IServiceManager接口，所以asInterface方法最终目的是用一个IBinder对象创建一个IServiceManager对象。

    为什么要用IBinder对象创建一个IServiceManager对象呢？通过ServiceManager的代理对象——IBinder对象（BpBinder对象）应该可以直接请求ServiceManager中的服务了啊？我们在前文《Android系统的Binder机制之二（服务代理对象 上篇）》简单介绍了一下IBinder类型，客户端通过transact方法向Service发送请求，且请求通过请求代码来区分。具体请参考Android手册，也可以参照后面将介绍的ServiceManagerProxy的getService()方法。如果客户端直接用调用ServiceManager的代理对象的IBinder接口，那么客户端必须要记住所有请求的请求代码，对客户端来说不太友好。所以在ServiceManagerNative类中就把ServiceManager的代理对象——IBinder对象（BpBinder对象）封装成ServiceManagerProxy对象，暴露给客户程序一个IServiceManager接口，这样IServiceManager对象（其实是ServiceManagerProxy对象)将会代理客户程通过IBinder把请求发往服务器。客服程序只是简单的调用IServiceManager接口的方法来给ServiceManager发送请求，这样对客户程序来讲和本地的函数调用是一致的，接口非常友好。比如我们客户程序需要调用IServiceManager的getService方法来查询一个Service，ServiceManagerProxy实现代码如下：

 

    我们可以非常清晰的看到ServiceManagerProxy对象将客户程序的请求转换成对ServiceManager代理对象——IBinder对象（BpBinder对象）的调用。后文我们将会详细介绍怎样通过IServiceManager查询和获得一个系统Service代理对象。

    到这里我们已经分析完了，ServiceManager的Singleton对象——sServiceManager的创建。如果有不清楚的地方请查看代码。