Android跨进程数据通道若干方案的实验笔记

淘淘养乐多2023-10-05 20:00

一、实验背景和目标

我想做一个Android平台的跨进程数据通道，通过这个通道支持若干App之间的数据传输。我想到了一些传输方案，但是缺乏在方案中做出选型的评价依据。本实验会基于若干方案实现数据传输通道，在模拟的业务场景中进行实验，从功能性指标和非功能性指标对各方案做出评价。

i. 数据通道的功能性指标

  1. 数据由A进程产生，从A进程传输到B进程。
  2. 数据是在一段时间内陆续产生的，数据的长度事先不确定。
  3. 每产生一段数据就要立即从A进程发送到B进程，不能等到数据产生完了再一次性传输。
  4. B进程需要及时接收数据，接收数据不能有太大延迟，更不能等到A完成了数据发送才一次性接收。换句话说，B进程要能及时感知A进程发送了数据。
  5. B进程接收的数据必须是完整的。
  6. B进程要能感知A进程结束了数据发送。
  7. 如果A进程死亡了，B进程要能够感知到。

ii. 非功能性指标

  1. 对比各传输方案的传输效率和响应延迟
    1. 传输效率=传输数据量÷max(A进程完成发送的耗时, B进程完成接收的耗时)
    2. 响应延迟=B进程收到数据的时刻-A进程发送数据的时刻
  2. 在相同传输场景下对比各传输方案的CPU占用
  3. 对比各传输方案的功耗

二、实验方案

我实现了一个包含如下界面的测试工程，对若干传输方案进行了测试。

测试界面

测试中首先选择用例和通道，然后点击"开始测试"，等待测试结束。下方两个文本框分别显示A进程和B进程的状态。

i. 测试方案

测试方案

测试场景

主进程：

  1. 由MainActivity提供：1）测试用例和通道的选项；2）操作按钮；3）展示:provider进程和:consumer进程回传的测试状态。
  2. 开始测试时先启动:consumer进程，准备好接收数据。然后启动:provider进程。

:provider进程：

  1. 定义ProviderService，以前台服务身份运行，保障进程具有较高的优先级。
  2. 通过XferFactory创建通道实例，将通道实例注入到IUsecase的实例对象。
  3. 通过UsecaseFactory创建用例，通过用例产生数据。
  4. 按照固定时间间隔周期性的把测试状态发给MainActivity。

:consumer进程：

  1. 定义ConsumerService，以前台服务身份运行，保障进程具有较高的优先级。
  2. 通过XferFactory创建通道实例，接收从:provider进程发来的数据。
  3. 按照固定时间间隔周期性的把测试状态发给MainActivity。

用例方案

用例的职责：

  1. 产生待发送的数据，不同用例支持不同的数据规模。
  2. 调用注入的IXfer实例对象发送数据。
  3. 实现不同的数据发送节奏。
  4. 调用IXfer的接口关闭通道，或杀死:provider进程。
  5. 把发送的数据回调给ProviderService，异步计算被发送数据的MD5，用于跟:consumer进程对比。

测试数据：

  1. 数据取自一段中文文本，文本以txt（UTF8）格式存放于assets目录。
  2. 文本读取到内存中，按300个字符分割，每次发送一个分片。
  3. 各用例可以发送其中部分文本，可以循环发送多次文本。
  4. 为避免IO影响测试过程的性能，由用例工厂在进程启动的时候准备好测试数据，各用例实例仅从内存中取出数据来发送。

用例实例：

  1. 用例1：周期性发送
    1. 按固定周期发送数据。
    2. 可以验证数据通道是否支持:consumer进程及时接收数据。
  2. 用例2：极速发送
    1. 在一个循环内不停的发送数据。
    2. 数据通道应当同步发送数据，这样才能验证数据通道的传输效率。
  3. 用例4：关闭通道
    1. 由数据通道提供关闭能力，用例仅负责调用数据通道的接口。
    2. 验证数据通道是否支持让:consumer进程感知通道关闭。
  4. 用例5：杀进程
    1. 直接杀掉:provider进程。
    2. 验证数据通道是否支持让:consumer进程感知:provider进程的状态。

通道工厂和数据通道

  1. 通过工厂创建具体的数据通道，做到数据通道和用例解耦。
  2. 由一个类实现一个数据通道方案，:provider进程和:consumer进程使用同一个数据通道类，两个进程分别调用不同的接口来启动数据发送和数据接收。
  3. :consumer进程的数据通道把收到的数据按顺序回调给ConsumerService，异步计算MD5，跟:provider进程做对比，验证数据完整性。

ii. 被测试的通道方案

本实验的通道方案包含如下限制：

  1. 仅通过Java代码编写，调用Android或JDK接口，不涉及JNI。
  2. 不能保证这些方案之外没有其他更好的方案。
  3. 尽量同步发送、同步接收，以体现收发行为本身对传输效率的影响。

下面记录本实验各数据通道的关键方案。

通过Intent传输

发送数据：把数据放到Intent中，调用startService()。最后发送一个Intent告知数据传输结束。通过Intent中的action区分数据和信令。

接收数据：响应onStartCommand()，从Intent中取出数据。根据Intent中的信令判断数据是否接收结束。

通过'基于AIDL的IPC'传输

建立连接：bindService()/onBind()

断开链接：unbindService()

AIDL定义：

java 复制代码 
interface IAidlXferInterface {
    void reverseBind(IBinder binder);
    void doTransfer(String data);
    void close(); // 告知数据发送结束
}

感知链接断开或进程退出：通过reverseBind()让:consumer进程持有:provider进程的一个对象，通过DeathRecipient感知对方的状态。

java 复制代码 
@Override
public void reverseBind(IBinder binder) throws RemoteException {
    binder.linkToDeath(() -> {
        //:provider进程死了
    }, 0);
}

通过SocketChannel传输

建立连接/断开链接：:consumer作为服务端，:provider作为客户端，建立和断开链接遵循SocketChannel的常规用法，其中IP使用127.0.0.1。

发送数据/接收数据：通过DataOutputStream.writeUTF()和DataInputStream.readUTF()收发数据，

感知链接断开/感知进程退出：DataInputStream.readUTF()时如果捕获到SocketException或EOFException，就认为链接已经断开了。在数据收发中如果发生了上述异常之外的异常，也视为链接断开。

通过Pipe传输

建立连接：

  1. 通过ParcelFileDescriptor.createPipe()创建成对的Pipe对象，以FD的形式返回。
  2. 通过IPC把第零个FD发送到:consumer进程。注意FD不能直接通过Intent发送，这里存在一些技巧。

断开链接：把FD给close()掉。

发送数据/接收数据：通过FD构造DataOutputStream和DataInputStream，分别用于数据发送和接收。

感知链接断开/感知进程退出：如果捕获到EOFException，就视为链接断开。如果捕获到其他异常，则视为:provider进程异常，链接已不可用。

通过SockerPipe传输

跟通过Pipe传输基本相同，关键差异在于创建FD对的接口改用ParcelFileDescriptor.createSocketPair()。

通过ShareMemory传输

建立连接：ShareMemory是Parcelable，可以跨进程传输。但由于内部是FD，不能直接通过Intent传输，需要一些技巧。

断开链接/感知链接断开/感知进程退出：ShareMemory本身没有连接属性。要借助其他辅助方案，比如借助AIDL、或在内存中约定一个flag。

发送数据/接收数据：

  1. ShareMemory需要指定地址空间的长度，本身并不能无限制的写入数据。为了支持任意长度的传输容量，这里把有限的内存空间做成一个环形缓冲区，内存中保留若干字节作为缓冲区的读写指针。
  2. 发送数据的时候，按照写指针的位置写入数据，然后移动写指针。注意写的时候不要覆盖了读指针指向的位置。如果没有足够的空间写入数据，要等待&轮询，直到读指针发生移动，留出了可以写数据的空间。
  3. 读数据的时候，轮询检测写指针和读指针的差距，发现有可以读的数据，就立马读出来，然后更新读指针到写指针的位置。
  4. 轮询的时间间隔关乎性能和效率的平衡。

iii. 测试数据采集方案

采集CPU占用

  1. 重启测试app进程

  2. 在adb shell中启动CPU数据采集

    java 复制代码 
    function record_cpu() {
    xfer=$1 # 通道方案名称
    pkg=$2 # 测试app的packageName
    uid=$(top -o PID,USER,%CPU,CMDLINE -b -n 1 | grep $pkg | grep -v 'shell' | awk '{print $2}')
    echo "uid=$uid"
    top -o PID,USER,%CPU,CMDLINE -b -d 0.015 -u $uid | grep $pkg | tee /sdcard/temp/cpu_${xfer}_$(date +%Y%m%dT%H%M%S).txt
}

  3. 对一个通道方案进行测试，测试以"用例1：周期性发送"为测试场景（这样才能保证统计数据没有干扰因素）

  4. 通过Ctrl+C终止CPU数据采集

  5. 从sdcard导出CPU数据，统计:provider和:consumer进程的CPU占用（本实验不统计主进程的CPU占用）

采集电量消耗

  1. 连接手机，重启测试app，重置电量统计

    java 复制代码 
    dumpsys batterystats --reset
dumpsys batterystats --enable full-wake-history

  2. 断开手机，执行测试

  3. 重新连接手机，打印电量数据

    java 复制代码 
    pkg= # 填写测试app的packageName
uid=$(dumpsys batterystats | grep $pkg | head -1 | grep -oE 'u[0-9a-f]*a[0-9a-f]*')
echo "uid=$uid"
dumpsys batterystats | awk 'BEGIN{c=0} /Estimated power use/{c=1} {if(c==1){print $0}}' | grep "Uid $uid"

采集耗时、延迟等

在代码中准确记录数据收发的起止时间点，在测试结束后以日志形式打印出来。

三、实验结果

本实验的数据绝对存在误差，不保证能经受住高标准的挑战。本实验通过以下措施保障了测试结果具有一定的可信度：

  1. 事先对所有待测试的通信方案做了验证，保证接收的数据的MD5和发送的数据的MD5是相等的。即使说，数据通道在测试中能保证数据完整性。
  2. 所有测试在同一部手机上测试完成。手机上没有安装过多应用，避免出现各类应用在后台运行影响测试数据。
  3. 所有测试尽量保证在连续的两三个小时内完成，避免时间段隐含的环境差异性影响测试数据。
  4. 每一轮测试都重启应用，避免潜在的技术问题影响测试数据。
  5. 测试数据按10次测试的平均值算，尽量抹平随机因素的干扰。
  6. 一些连续操作采用adb命令模拟点击实现，避免手动操作引入误差。
  7. 用release版本的apk做测试，避免构建中保留的调试代码影响测试数据。

i. 功能性指标对比

传输方案的可用性：

  1. 实验中所有传输方案都有能力保障数据完整性。
  2. 各传输方案都有能力支持不确定长度的数据传输。
  3. 各传输方案都有能力支持无限长的数据传输。

传输方案的通道特性：

  1. 对发送方来说，可以随时发送数据。数据长度可能有限制，但只要不超过长度限制，就可以发送任意长度的数据。

  2. 对接收方来说，都有能力感知到有数据发送，都能够及时接收数据。

  3. 各传输方案本身都有能力支持连接主动关闭或通知数据发送结束（不借助其他辅助方案，单纯基于本传输方案的特性）

    传输方案 主动关闭的方案对比
    Intent 通过action区分数据和信令，其中可以定义数据发送完毕的信令
    AIDL 在接口定义中约定通知数据发送完毕的方法
    Pipe 关闭FD
    SocketPipe 关闭FD
    SocketChannel 关闭Socket
    SharedMemory 约定某些字节表示传输状态，其中包含一个flag，标志数据传输是否结束

    基于SharedMemory的传输通道也可以借助Intent或AIDL间接实现主动关闭方案。

  4. 各传输方案中，有些方案无法在没有其他辅助方案的前提下感知通道的被动断开（如接收进程能否感知到发送进程的死亡）

    传输方案 直接感知通道被动断开的能力
    Intent 通道本身是无连接的，无直接感知能力。
    AIDL 如果是接收方向发送方bindService()，则通过onServiceDisconnected()实现感知能力。如果是发送方向接收方bindService()，则需要发送方把一个IBinder对象传给接收方，接收方通过DeathRecipient实现感知能力。
    Pipe 通过读写异常感知。
    SocketPipe 通过读写异常感知。
    SocketChannel 通过读写异常感知。
    SharedMemory 通道本身是无连接的，无直接感知能力。

    对于不具有直接感知能力的通道方案，可以借助DeathRecipient间接实现感知能力。

ii. 非功能性指标对比

关键结论先行：

  1. 性价比（效率/性能）方面，SharedMemory是最高的方案，而Intent是最低的（AIDL紧随其后），其他方案居中基本持平。
  2. 上述性价比评价，没有包含开发难度的维度。Intent和AIDL的开发难度是最低的，SharedMemory是最高的，其他方案居中基本持平。

总的来说，这里不存在单一的优劣评价，具体业务/项目需要根据自身情况综合决策。

传输效率：

Intent AIDL Pipe SocketPipe SocketChannel SharedMemory
每秒可传输的数据量 94 KB 469 KB 5.36 MB 3.89 MB 3.77 MB 6.72 MB
数据发送总耗时（秒） 15.560 3.126 0.261 0.369 0.205 0.168
数据接收总耗时（秒） 15.560 3.116 0.267 0.369 0.380 0.213
接收到第一段数据的延迟（毫秒） 1.9 0.4 1.450 1.650 0.450 2
接收到最后一段数据的延迟（毫秒） 0.95 -9.8 8.050 1.550 175.850 46.9

各传输方案的优劣在数据上可以直观的体现出来，这里不做过多解读，但有几个数据需要做出说明：

  1. AIDL的发送耗时高于接收耗时，其底层原因是AIDL默认是同步调用，被调用方先返回了，主调方才能返回。
  2. AIDL接收最后一段数据的延迟是负数，其底层原因同上。
  3. SharedMemory的延迟取决于轮询的方案中对轮询间隔的设计。间隔大则延迟大，间隔小则可能引入CPU和功耗风险。
  4. SocketChannel接收最后一段数据的延迟看起来似乎太大了，这个问题本实验未深入调查原因，本文无法做出过多评价，姑且认为就是现实情况。

平均CPU占用：

Intent AIDL Pipe SocketPipe SocketChannel SharedMemory
发送进程（%） 25 71 168 141 207 145
接收进程（%） 49 80 174 158 166 34

平均能耗：

Intent AIDL Pipe SocketPipe SocketChannel SharedMemory
平均能耗（mAh） 0.2893 0.1944 0.0347 0.04 0.05086 0.0179

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