Android Framwork 之深入理解 IPC Binder机制

1. App跨进程的系统设计及意义

我们都知道 Android 系统分成三层。最上层是 application 应用层，第二层是 Framework 层，第三层是 native 层。

• Android 中的应用层和系统服务层不在同一个进程，系统服务在单独的进程中。
• Android 中不同应用属于不同的进程。

Android 应用和系统 Service 运行在不同进程中是为了安全、稳定以及内存管理的原因，但是应用和系统服务需要通信和分享数据。

跨进程设计的好处：

1.安全性：每个进程都单独运行的，可以保证应用层对系统层的隔离。

2.稳定性：如果某个进程崩溃了不会导致其他进程崩溃。

3.内存分配：如果某个进程以及不需要了可以从内存中移除，并且回收相应的内存。

对于单独 App 程序中的多进程，跨进程设计的好处：

虚拟机分配给各个进程的运行内存是有限制的，LMK 也会优先回收对系统资源的占用多的进程

1.突破进程内存限制，如图库占用内存过多；

2.功能稳定性：独立的通信进程保持长连接的稳定性；

3.规避系统内存泄漏：独立的 webview 进程阻隔内存泄漏导致的问题；

4.隔离风险：对于不稳定的功能放入独立进程，避免导致主进程崩溃；

2. Binder 是什么？，

Binder 就是 Android 中的血管。在 Android 中我们所使用的 Activity、Service 等组件都需要和 AMS（system_server）通信，这种跨进程的通信都是通过 BInder 完成。

• 机制：Binder 是一种进程间通信机制。
• 驱动：Binder 是一个虚拟物理设备驱动。
• 应用层：Binder 是一个能发起通信 Java 类。
• Framework/Native：Binder 连接了 Client、Server、ServiceManager 和 Binder 驱动程序，形成一套 C/S 的通信架构。

3. 跨进程通信都有哪些？

Linux 的 IPC 有管道、消息队列、内存共享、Socket、binder。

（1）内存共享机制

• 定义：

  • 共享内存允许多个进程共享同一块内存区域，进程可以直接读写这块内存。
  • 共享内存是最快的IPC机制，因为数据不需要在内核和用户空间之间拷贝。

• 优点：

  • 高效：数据直接共享，无需拷贝，性能最高。
  • 适合大数据量：可以共享大量数据。

• 缺点：

  • 需要同步机制：多个进程同时访问共享内存时，需要额外的同步机制（如信号量）来避免竞争条件。
  • 复杂性较高：需要手动管理内存的分配和释放。

• 使用场景：

  • 需要高效共享大数据量的场景，如多媒体数据处理。
    

（2）管道 Pipe

• 定义：

  • 管道是一种半双工的通信机制，数据只能单向流动。
  • 管道分为匿名管道（用于父子进程或兄弟进程之间的通信）和命名管道（FIFO，用于任意进程之间的通信）。

• 优点：

  • 简单易用：实现简单，适合小规模数据传递。
  • 轻量级：开销较小，适合频繁的小数据量通信。

• 缺点：

  • 单向通信：数据只能单向流动，双向通信需要创建两个管道。
  • 仅限于父子进程或兄弟进程：匿名管道只能用于有亲缘关系的进程之间。
  • 数据容量有限：管道的数据缓冲区大小有限，不适合传递大数据量。

• 使用场景：

  • 父子进程或兄弟进程之间的简单通信。
    

（3）消息队列 Message Queue

• 定义：
  • 消息队列是一种消息链表，进程可以通过消息队列发送和接收消息。
  • 消息队列中的每条消息都有一个类型字段，接收方可以根据类型选择性地接收消息。
• 优点：
  • 支持消息类型：可以根据消息类型选择性地接收消息。
  • 异步通信：发送方和接收方不需要同时存在。
  • 适合结构化数据：可以传递复杂的数据结构。
• 缺点：
  • 性能较低：相比于共享内存和管道，消息队列的性能较低。
  • 容量有限：消息队列的大小有限，不适合传递大数据量。
  • 复杂性较高：需要手动管理消息的发送和接收。
• 使用场景：
  • 需要异步通信和选择性接收消息的场景。
    

（4）Socket

• 定义：

  • Socket是一种网络通信机制，支持TCP和UDP协议。
  • Socket不仅可以用于不同设备之间的通信，还可以用于同一设备的不同进程之间的通信。

• 优点：

  • 跨设备通信：支持不同设备之间的通信。
  • 灵活性高：支持多种协议（TCP、UDP）和通信模式（流式、数据报）。
  • 适合分布式系统：广泛应用于网络编程和分布式系统。

• 缺点：

  • 性能较低：相比于共享内存和管道，Socket的性能较低。
  • 复杂性较高：需要处理网络协议、连接管理等问题。

• 使用场景：

  • 跨设备通信或分布式系统中的进程间通信。
    

（5）Binder

• 定义：

  • Binder是Android特有的IPC机制，基于C/S架构，客户端通过Binder代理对象调用服务端的方法。
  • Binder使用内存映射（mmap）技术，减少了数据拷贝，性能优异。

• 优点：

  • 高效：使用内存映射技术，性能优于传统的IPC机制。
  • 安全性高：支持基于UID/PID的权限检查。
  • 易用性：Android提供了AIDL工具，简化了Binder的使用。

• 缺点：

  • 平台限制：仅适用于Android系统。
  • 复杂性较高：需要理解Binder的底层机制和AIDL的使用。

• 使用场景：

  • Android系统中的跨进程通信，如系统服务与应用程序之间的通信。

binder 和其它通信机制的不同在于它是用的内存映射方案，而不是内核空间。binder 通信的数据大小是1M-8k。

mmap 内存映射的过程：

一个数据发送方 client，一个数据接收方 server，两个进程之间通信，会让 server 端中的一块内存与物理内存进行内存映射。内核地址空间里也会有一块内存和物理内存一一映射。这就会形成一个结果，假如运用内核空间一块地址往物理内存写数据，等价于数据写到了 server 端。

4. 内存模型：

内存被操作系统划分成两块：用户空间和内核空间。为了安全，它们是隔离的，即使用户的程序崩溃了，内核也不受影响。

• 用户空间：是用户程序代码运行的地方；
• 内核空间：是内核代码运行的地方；
  

5. Binder 通信的基本原理：

Client 要和 Server 端通信，需要拿到 server 端的 binder。这就需要 Server 端先启动，然后将自己的 binder 注册到 ServiceManager，这里就需要 ServiceManager 维持一个表，这个表包含了 Server 端的 binder。这个时候 Client 就可以从 ServiceManager 的表中获取 Server 的 binder，再利用 binder 完成通信。

• Binder 是在什么时间创建的？
  进程创建的时候，就准备了 binder。
• Binder 的初始化过程
  • ServiceManager 的启动：
    1.Android系统启动时，会启动ServiceManager进程，它是所有Binder服务的注册中心。
    2.ServiceManager通过binder_open()和binder_become_context_manager()初始化Binder驱动。
  • 服务的注册：
    1.服务端通过ServiceManager.addService()将服务注册到ServiceManager中。
    2.ServiceManager会为每个服务分配一个唯一的Binder句柄。
  • 客户端的获取：
    客户端通过ServiceManager.getService()获取服务的Binder代理对象（BinderProxy）。

6. Aidl 跨进程通信

（1）基本使用

• 首先在 main目录下创建一个 aidl 文件夹，在该文件夹下创建一个 aidl 文件，把服务公布给客户端使用。
  如：IMediaInterface.aidl

interface IMediaInterface {
        /**
         * 同步请求
         */
        String request();
}

• 然后 build 编译，自动生成接口的 java 文件，在.../xxmodule/build/generated/aidl_source_output_dir/xx/out/com/example/media/aidl/IMediaInterface.java 路径下。
  如：

public interface IMediaInterface extends android.os.IInterface
{
  /** Default implementation for IMediaInterface. */
  public static class Default implements com.example.media.aidl.IMediaInterface
  {
    /**
             * 同步请求
             */
    @Override public java.lang.String request() throws android.os.RemoteException
    {
      return null;
    }
    @Override
    public android.os.IBinder asBinder() {
      return null;
    }
  }
  /** Local-side IPC implementation stub class. */
  public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.example.media.aidl.IMediaInterface
  {
    private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.example.media.aidl.IMediaInterface";
    /** Construct the stub at attach it to the interface. */
    public Stub()
    {
      this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
    }
    /**
     * Cast an IBinder object into an com.autoai.media.aidl.IMediaInterface interface,
     * generating a proxy if needed.
     */
    public static com.example.media.aidl.IMediaInterface asInterface(android.os.IBinder obj)
    {
      if ((obj==null)) {
        return null;
      }
      android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
      if (((iin!=null)&&(iin instanceof com.example.media.aidl.IMediaInterface))) {
        return ((com.example.media.aidl.IMediaInterface)iin);
      }
      return new com.example.media.aidl.IMediaInterface.Stub.Proxy(obj);
    }
    @Override public android.os.IBinder asBinder()
    {
      return this;
    }
    @Override public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException
    {
      java.lang.String descriptor = DESCRIPTOR;
      switch (code)
      {
        case INTERFACE_TRANSACTION:
        {
          reply.writeString(descriptor);
          return true;
        }
        case TRANSACTION_request:
        {
          data.enforceInterface(descriptor);
          java.lang.String _arg0;
          _arg0 = data.readString();
          java.lang.String _arg1;
          _arg1 = data.readString();
          java.lang.String _result = this.request();
          reply.writeNoException();
          reply.writeString(_result);
          return true;
        }
        default:
        {
          return super.onTransact(code, data, reply, flags);
        }
      }
    }
    private static class Proxy implements com.example.media.aidl.IMediaInterface
    {
      private android.os.IBinder mRemote;
      Proxy(android.os.IBinder remote)
      {
        mRemote = remote;
      }
      @Override public android.os.IBinder asBinder()
      {
        return mRemote;
      }
      public java.lang.String getInterfaceDescriptor()
      {
        return DESCRIPTOR;
      }
      /**
               * 同步请求
               */
      @Override public java.lang.String request() throws android.os.RemoteException
      {
        android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
        android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
        java.lang.String _result;
        try {
          _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
          _data.writeString(packageName);
          _data.writeString(jsonParams);
          // 实际请求
          boolean _status = mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_request, _data, _reply, 0);
          if (!_status && getDefaultImpl() != null) {
            return getDefaultImpl().request(packageName, jsonParams);
          }
          _reply.readException();
          _result = _reply.readString();
        }
        finally {
          _reply.recycle();
          _data.recycle();
        }
        return _result;
      }
      public static com.autoai.media.aidl.IMediaInterface sDefaultImpl;
    }
    static final int TRANSACTION_request = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
    public static boolean setDefaultImpl(com.example.media.aidl.IMediaInterface impl) {
      // Only one user of this interface can use this function
      // at a time. This is a heuristic to detect if two different
      // users in the same process use this function.
      if (Stub.Proxy.sDefaultImpl != null) {
        throw new IllegalStateException("setDefaultImpl() called twice");
      }
      if (impl != null) {
        Stub.Proxy.sDefaultImpl = impl;
        return true;
      }
      return false;
    }
    public static com.example.media.aidl.IMediaInterface getDefaultImpl() {
      return Stub.Proxy.sDefaultImpl;
    }
  }
  /**
           * 同步请求
           */
  public java.lang.String request() throws android.os.RemoteException;
}

• 实现服务端

public class MyService extends Service {
	@Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
    	return Mybind();
    }
   ...
   class Mybind extends IMediaInterface.Stub {
   		@Override
   		public String request() throws RemoteException {
   			// todo
   		}
	}
}

• 实现客户端

IMediaInterface myService;
private ServiceConnection connection = new ServiceConnection() {
		@Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
               myService = IMediaInterface.Stub.asInterface(service);
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
            
        }
}
...
Intent intent = new Intent();
intent.setAction("com.example.media.aidl.IMediaInterface");
intent.setPackages("com.example.media.aidl");
bindService(intent, connection, BIND_AUTO_CREATE);

看这一句 IMediaInterface.Stub.asInterface(service)，service 是服务端的 IBinder，asInterface() 里会将 IBinder 转成 Proxy，代理的是 stub，Proxy是给客户端用的，并且会将Stub封装到Proxy中。客户端调用Proxy接口，但Proxy没有功能，又会转交给Remote，到Stub，最终交给Stub完成请求，客户端最终调用接口是 mRemote.transact() 。

7. Client 与 Server 通过 Binder 通信的过程

• 客户端调用：

  • 客户端通过Binder代理对象（Proxy）调用远程方法。

  • Proxy将方法调用封装成Parcel对象，并通过Binder驱动发送给服务端。

• Binder 驱动：

  • Binder驱动在内核空间接收数据，并将请求传递给目标进程的Binder线程池。

• 服务端处理：

  • 服务端的Binder Stub对象接收到请求后，解析Parcel数据并调用实际的方法。

  • 方法执行完毕后，Stub将结果封装成Parcel对象，通过Binder驱动返回给客户端。

• 客户端接收结果：

  • 客户端接收到结果后，Proxy将结果返回给调用者。