Android(安卓)核心分析之六 -----IPC框架分析 Binder，Service，Service manager

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IPC框架分析 Binder，Service，Service manager

我首先从宏观的角度观察 Binder,Service,Service Manager，并阐述各自的概念。从 Linux 的概念空间中， Android 的设计 Activity托管在不同的的进程， Service 也都是托管在不同的进程，不同进程间的 Activity,Service 之间要交换数据属于 IPC 。 Binder 就是为了 Activity通讯而设计的一个轻量级的 IPC 框架。

在代码分析中，我发现 Android 中只是把 Binder 理解成进程间通讯的实现，有点狭隘，而是应该站在公共对象请求代理这个高度来理解 Binder ， Service 的概念，这样我们就会看到不一样的格局，从这个高度来理解设计意图，我们才会对 Android 中的一些天才想法感到惊奇。从 Android 的外特性概念空间中，我们看不到进程的概念，而是 Activity ， Service ， AIDL ， INTENT 。一般的如果我作为设计者，在我们的根深蒂固的想法中，这些都是如下的 C/S 架构，客户端和服务端直接通过 Binder 交互数据，打开 Binder 写入数据，通过 Binder 读取数据，通讯就可以完成了。

该注意到 Android 的概念中， Binder 是一个很低层的概念，上面一层根本都看不到 Binder ，而是 Activity 跟一个 Service 的对象直接通过方法调用，获取服务。

这个就是 Android 提供给我们的外特性：在 Android 中，要完成某个操作，所需要做的就是请求某个有能力的服务对象去完成动作，而无需知道这个通讯是怎样工作的，以及服务在哪里。所以 Andoid 的 IPC 在本质上属于对象请求代理架构， Android 的设计者用 CORBA 的概念将自己包装了一下，实现了一个微型的轻量级 CORBA 架构，这就是 Andoid 的 IPC 设计的意图所在，它并不是仅仅解决通讯，而是给出了一个架构，一种设计理念，这就是 Android 的闪光的地方。 Android 的 Binder 更多考虑了数据交换的便捷，并且只是解决本机的进程间的通讯，所以不像 CORBA 那样复杂，所以叫做轻量级。

所以要理解 Android 的 IPC 架构，就需要了解 CORBA 的架构。而 CORBA 的架构在本质上可以使用下面图来表示：

在服务端，多了一个代理器，更为抽象一点我们可以下图来表示。

分析和 CORBA 的大体理论架构，我给出下面的 Android 的对象代理结构。

在结构图中，我们可以较为清楚的把握 Android 的ＩＰＣ包含了如下的概念：

设备上下文什（ ContextObject ）
设备上下文包含关于客服端，环境或者请求中没有作为参数传递个操作的上下文信息，应用程序开发者用 ContextObject 接口上定义的操作来创建和操作上下文。
Android 代理：这个是指代理对象
Binder Linux 内核提供的 Binder 通讯机制

Android 的外特性空间是不需要知道服务在那里，只要通过代理对象完成请求，但是我们要探究 Android 是如何实现这个架构，首先要问的是在 Client 端要完成云服务端的通讯，首先应该知道服务在哪里？我们首先来看看 Service Manger 管理了那些数据。 Service Manager 提供了 add service,check service 两个重要的方法，并且维护了一个服务列表记录登记的服务名称和句柄。

Service manager service 使用 0 来标识自己。并且在初始化的时候，通过 binder 设备使用 BINDER_SET_CONTEXT_MGR ioctl 将自己变成了 CONTEXT_MGR。Svclist 中存储了服务的名字和 Handle ，这个 Handle 作为 Client 端发起请求时的目标地址。服务通过 add_service 方法将自己的名字和 Binder 标识 handle 登记在 svclist 中。而服务请求者，通过 check_service 方法，通过服务名字在 service list 中获取到 service 相关联的 Binder 的标识 handle, 通过这个 Handle 作为请求包的目标地址发起请求。

我们理解了Service Manager的工作就是登记功能，现在再回到ＩＰＣ上，客服端如何建立连接的？我们首先回到通讯的本质： IPC 。从一般的概念来讲， Android 设计者在 Linux 内核中设计了一个叫做 Binder 的设备文件，专门用来进行 Android 的数据交换。所有从数据流来看 Java 对象从 Java 的 VM 空间进入到 C++ 空间进行了一次转换，并利用 C++ 空间的函数将转换过的对象通过 driver/binder 设备传递到服务进程，从而完成进程间的 IPC 。这个过程可以用下图来表示。

这里数据流有几层转换过程。

（1）从 JVM 空间传到 c++ 空间，这个是靠 JNI 使用 ENV 来完成对象的映射过程。

（2）从 c++ 空间传入内核 Binder 设备，使用 ProcessState 类完成工作。

（3） Service 从内核中 Binder 设备读取数据。

Ａｎｄｒｏｉｄ设计者需要利用面向对象的技术设计一个框架来屏蔽掉这个过程。要让上层概念空间中没有这些细节。Android设计者是怎样做的呢？我们通过 c++ 空间代码分析，看到有如下空间概念包装 (ProcessState@(ProcessState.cpp)

在ProcessState类中包含了通讯细节，利用open_binder打开Linux设备dev/binder,通过ioctrl建立的基本的通讯框架。利用上层传递下来的servicehandle来确定请求发送到那个Service。通过分析我终于明白了 Bnbinder ， BpBinder 的命名含义， Bn- 代表 Native ，而 Bp 代表 Proxy 。一旦理解到这个层次，ProcessState就容易弄明白了。

下面我们看 JVM 概念空间中对这些概念的包装。为了通篇理解设备上下文，我们需要将 Android VM 概念空间中的设备上下文和 C++ 空间总的设备上下文连接起来进行研究。

为了在上层使用统一的接口，在 JVM 层面有两个东西。在 Android 中，为了简化管理框架，引入了 ServiceManger 这个服务。所有的服务都是从 ServiceManager 开始的，只用通过 Service Manager 获取到某个特定的服务标识构建代理 IBinder 。在 Android 的设计中利用 Service Manager 是默认的 Handle 为 0 ，只要设置请求包的目标句柄为 0 ，就是发给 Service Manager 这个 Service 的。在做服务请求时， Android 建立一个新的 Service Manager Proxy 。 Service Manager Proxy 使用 ContexObject 作为 Binder 和 Service Manager Service （服务端）进行通讯。

我们看到 Android 代码一般的获取 Service 建立本地代理的用法如下：

IXXX mIxxx=IXXXInterface.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("xxx"));

例如：使用输入法服务：

IInputMethodManager mImm=

IInputMethodManager.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("input_method"));

这些服务代理获取过程分解如下：

（1）通过调用 GetContextObject 调用获取设备上下对象。注意在 AndroidJVM 概念空间的 ContextObject 只是与 Service Manger Service 通讯的代理 Binder 有对应关系。这个跟 c++ 概念空间的 GetContextObject 意义是不一样的。

注意看看关键的代码

BinderInternal.getContextObject （） @BinderInteral.java

NATIVE JNI:getContextObject() @android_util_Binder.cpp

Android_util_getConextObject @android_util_Binder.cpp

ProcessState::self()->getCotextObject(0) @processState.cpp

getStrongProxyForHandle(0) @

NEW BpBinder(0)

注意ProcessState::self()->getCotextObject(0) @processtate.cpp ，就是该函数在进程空间建立了 ProcessState 对象，打开了 Binder 设备 dev/binder, 并且传递了参数 0 ，这个 0 代表了与 Service Manager 这个服务绑定。

（2）通过调用 ServiceManager.asInterface （ ContextObject ）建立一个代理 ServiceManger 。

mRemote= ContextObject(Binder)

这样就建立起来 ServiceManagerProxy 通讯框架。

(3) 客户端通过调用 ServiceManager 的 getService 的方法建立一个相关的代理 Binder 。

ServiceMangerProxy.remote.transact(GET_SERVICE)

IBinder=ret.ReadStrongBinder() -》这个就是JVM空间的代理Binder

JNI Navite: android_os_Parcel_readStrongBinder() @android_util_binder.cpp

Parcel->readStrongBinder() @pacel.cpp

unflatten_binder @pacel.cpp

getStrongProxyForHandle(flat_handle)

NEW BpBinder(flat_handle)-》这个就是底层c++空间新建的代理Binder。

整个建立过程可以使用如下的示意图来表示：

Activity为了建立一个IPC，需要建立两个连接：访问Servicemanager Service的连接，IXXX具体XXX Service的代理对象与XXXService的连接。这两个连接对应c++空间ProcessState中BpBinder。对IXXX的操作最后就是对BpBinder的操作。由于我们在写一个Service时，在一个Package中写了Service Native部分和Service Proxy部分，而Native和Proxy都实现相同的接口：IXXX Interface,但是一个在服务端，一个在客服端。客户端调用的方式是使用remote->transact方法向Service发出请求，而在服务端的OnTransact中则是处理这些请求。所以在Android Client空间就看到这个效果：只需要调用代理对象方法就达到了对远程服务的调用目的，实际上这个调用路径好长好长。

我们其实还一部分没有研究，就是同一个进程之间的对象传递与远程传递是区别的。同一个进程间专递服务地和对象，就没有代理 BpBinder 产生，而只是对象的直接应用了。应用程序并不知道数据是在同一进程间传递还是不同进程间传递，这个只有内核中的 Binder 知道，所以内核 Binder 驱动可以将 Binder 对象数据类型从 BINDER_TYPE_BINDER 修改为 BINDER_TYPE_HANDLE 或者 BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE作为引用传递。

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