【Android】Binder机制浅析

【Android】Binder机制浅析

1、前言

BInder机制是Android系统提供的跨进程通信机制。本篇文章会从Linux的基础知识开始介绍，从基础概念引出Binder机制，接着分析Binder的通信模型和原理，最后将会手动实现AIDL完成进程间的通信。侧重点在于原理和使用上，适合初学者。

2、Binder原理

Android是基于Linux内核的，Linux提供了管道、消息队列、信号量、内存共享、套接字等跨进程方式，而Android为什么采用了Binder作为主要机制呢？

一、传输性能好

• Socket：是一个通用接口，导致其传输效率低，开销大。
• 共享内存：虽然在传输时不需要拷贝数据，但其控制机制复杂
• Binder：复杂数据类型传递可复用内存，需要拷贝1次数据
• 管道和消息队列：采用存储转发方式，至少需要拷贝2次数据，效率低

二、安全性高

• 传统的进程：通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，只有在上层协议上进行架设
• Binder机制：从协议本身就支持对通信双方做身份校验，因而大大提升了安全性

2.1 Binider实现机制

2.1.1 进程隔离

进程空间划分：用户空间 和内核空间

• 用户空间：表示进程运行在一个特定的操作模式中，没有接触物理内存或设备的权限
• 内核空间：表示独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限
• 每个Android的进程，只能运行在自己进程所拥有的虚拟地址空间。例如，对应一个4GB的虚拟内存空间，其中3GB是用户空间，1GB是内核空间，内核空间的大小是可以通过参数配置调整的。
• 对于用户空间，不同进程之间是不能共享的，而内核空间却是可共享的。

简单来说，内核空间是系统内核运行的空间，而用户空间是用户程序运行的空间。每个进程都有自己的虚拟内存空间，每个进程只能操作自己的虚拟内存空间，只有操作系统才有权限操作物理内存空间。进程隔离保证了每个进程的内存安全，但在大多情况下，不同进程间的数据通信是不可避免的，因此操作系统必须提供跨进程通信机制。

2.1.2 系统调用

系统调用是用户态切换到内核态的唯一合法途径

抽象来看，操作系统中安全边界的概念就像环路的概念一样，一个环上持有一个特定的权限组，Intel支持四层环，但是Linux只使用了其中的两层环（0号环持有全部权限，3号环持有最少权限，1号环和2号环未使用），系统进程运行在0号环，用户进程运行在3号环。如果一个用户进程需要其他高级权限，其必须从三号环过渡到0号环，过渡需要通过一个安全参数检查的网关，这种过渡被称为系统调用，在执行过程中会产生一定数量的计算开销。所以，用户空间要访问内核空间唯一的方式就是系统调用。

2.1.3 内核模块/驱动

如前面所说，跨进程通信是需要内核空间做支持的。传统的IPC机制如管道、Socket都是内核的一部分。但Binder不是内核的一部分，是如何做到跨进程通信的呢？

Linux的动态内核可加载模块机制解决了这个问题：

• 模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但是不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分运行
• Android系统就可以动态添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间通过这个内核模块作为桥梁来实现通信。在Android系统中，这个运行在内核空间中，负责各个用户进程通过Binder实现通信的内核模块就叫Binder驱动

那用户进程之间是如何通过这个内核模块（Binder驱动）来实现通信的呢？这里当然不是从发送方进程拷贝到内核缓存区，再把数据从内核缓存区拷贝到接收方进程，而是通过内存映射：

• 内存映射简单地讲就是把用户空间的一块内存区域映射到内核空间，映射关系建立后，用户对这块内存区域的修改可以直接反应到内核空间。
• 反之内核空间对这块区域的修改也能直接反映到用户空间。内存映射能减少数据拷贝次数，实现用户空间和内核空间的高效互动。

一次完整的Binder IPC 通信过程通常是这样：

• Binder 驱动在内核空间创建一个数据接收缓存区；
• 然后在内核空间开辟一块内核缓存区，建立内核缓存区和内核中数据接收缓存区之间的映射关系，以及内核中数据接收缓存区和接收进程用户空间地址的映射关系；
• 发送方进程通过系统调用 copy_from_user() 将数据拷贝到内核中的内核缓存区，由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射，因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间，这样便完成了一次进程间的通信。

最后，简单总结一下：

1. Linux的虚拟内存机制导致内存的隔离，进而导致进程隔离
2. 进程隔离的出现导致对内存的操作被划分为用户空间和内核空间
3. 用户空间需要跨权限去访问内核空间，必须使用系统调用去实现
4. 系统调用需要借助内核模块/驱动去完成

2.2 Binder通信模型

Binder通信采用C/S架构，从组件视角来说，包含Client、Server、ServiceManager以及Binder驱动。架构图如下所示：

前三者是在用户空间的，也就是彼此之间无法直接进行交互，Binder驱动是属于内核空间的，属于整个通信的核心。

四个角色：

• Client进程：使用服务的进程。
• Server进程：提供服务的进程。
• ServiceManager进程：ServiceManager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。
• Binder驱动：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。

通信原理：

• 注册服务（addService） ：Service进程要先注册Service中的Binder对象引用到ServiceManager。在这个过程中，Service是客户端，ServiceManager是服务端。
• 获取服务（getService） ：Client进程使用某个Service前，须先向ServiceManager中获取相应的Service的Binder引用。这个过程中，ServiceManager是服务端。
• 使用服务：Client根据得到的Service信息建立与Service所在的Server进程通信的通路，然后就可以直接与Service交互。这个过程中：Client是客户端，Server是服务端。

概括一下，首先，Service中的Binder实体对象，将自己的引用注册到ServiceManager，Client通过特定的key和这个引用进行绑定，ServiceManager内部自己维护一个类似MAP的表来一一对应，通过这个key就可以在ServiceManager中拿到Service中Binder的引用。

但是这里存在一个问题，ServiceManager和Service也属于两个不同的进程，Service在ServiceManager注册也涉及到进程间通信吗，好像变成无限死循环了？看看下面这张图：

当ServiceManager作为服务端的时候，它提供的Binder比较特殊，它没有名字也不需要注册，它的固定引用号就是0，所有进程都知道ServiceManager的Binder引用号是0。由Binder驱动自动管理，不需要像其他服务那样先注册再使用。这样，一个Service若要向ServiceManager中注册自己的Binder引用就可以通过硬编码的0引用号和ServiceManager中的Binder通信。

那Client怎么拿到Service中的Binder对象呢？图中可以很清晰的看出整个过程，Client原本从ServiceManager中拿到Binder的引用，通过Binder驱动层的处理之后，返回给Client一个代理对象，实际上如果Client和Service处于同一个进程，返回的就是Binder对象。如果不在同一个进程，返回给Client的就是一个代理对象（proxy）。

3、手动实现进程通信

在学习《安卓开发艺术探索》中关于Binder时，首先介绍由AIDL来实现进程间通信，不过相信大多数朋友和我一样，第一次看到系统自动生成的AIDL代码时是懵逼状态的，涉及Stub类，还有Proxy类。这里我们就手动实现一个通信代码，加深对Binder机制的理解。

1. 创建Book实体类，使用Parcelable接口实现序列化

import android.os.Parcel;
import android.os.Parcelable;

import androidx.annotation.NonNull;

public class Book implements Parcelable {
    public int bookId;
    public String bookName;

    public Book() {
    }

    public Book(int bookId, String bookName) {
        this.bookId = bookId;
        this.bookName = bookName;
    }

    @Override
    public int describeContents() {
        return 0;
    }

    @Override
    public void writeToParcel(@NonNull Parcel dest, int flags) {
        dest.writeInt(bookId);
        dest.writeString(bookName);
    }

    public static final Creator<Book> CREATOR = new Creator<Book>() {
        @Override
        public Book createFromParcel(Parcel in) {
            return new Book(in);
        }

        @Override
        public Book[] newArray(int size) {
            return new Book[size];
        }
    };

    protected Book(Parcel in) {
        bookId = in.readInt();
        bookName = in.readString();
    }
}

2. 声明一个AIDL性质的接口，只需要继承IInterface接口即可，IInterface接口中有一个asBinder方法。实现如下：

import android.os.IBinder;
import android.os.IInterface;
import android.os.RemoteException;

import java.util.List;

public interface IBookManager extends IInterface {
    static final String DESCRIPTOR = "com.example.ipctest.IBookManager";
    static final int TRANSACTION_getBookList = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0;
    static final int TRANSACTION_addBook = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1;
    public List<Book> getBookList () throws RemoteException;
    public void addBook (Book book) throws RemoteException;
}

在接口中声明了一个Binder描述符和另外两个id，这两个id分别表示的是getBookList和addBook方法。另外，如果再想要添加方法，只需再声明一个id，然后按固定模式声明新方法即可。

3. 实现一个Service中的Binder实体对象，继承Binder并实现上面定义好的服务接口。

import android.os.Binder;
import android.os.IBinder;
import android.os.Parcel;
import android.os.RemoteException;

import androidx.annotation.NonNull;
import androidx.annotation.Nullable;

import java.util.Collections;
import java.util.List;

public class BookManagerImpl extends Binder implements IBookManager {
    public BookManagerImpl() {
        this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
    }
    public static IBookManager asInterface(IBinder obj) {
        if ((obj == null)) {
            return null;
        }
        android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
        if (((iin != null) && (iin instanceof IBookManager))) {
            return ((IBookManager) iin);
        }
        return new Proxy(obj);
    }

    @Override
    public IBinder asBinder() {
        return this;
    }

    @Override
    protected boolean onTransact(int code, @NonNull Parcel data, @Nullable Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
        switch (code) {
            case INTERFACE_TRANSACTION: {
                reply.writeString(DESCRIPTOR);
                return true;
            }
            case TRANSACTION_getBookList: {
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                List<Book> result = this.getBookList();
                reply.writeNoException();
                reply.writeTypedList(result);
                return true;
            }
            case TRANSACTION_addBook: {
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                Book arg0;
                if ((0 != data.readInt())) {
                    arg0 = Book.CREATOR.createFromParcel(data);
                } else {
                    arg0 = null;
                }
                this.addBook(arg0);
                reply.writeNoException();
                return true;
            }
        }
        return super.onTransact(code, data, reply, flags);
    }

    @Override
    public List<Book> getBookList() throws RemoteException {
        // TODO 待实现
return Collections.emptyList();
    }

    @Override
    public void addBook(Book book) throws RemoteException {
        // TODO 待实现
}
}

首先看看asInterface方法，Binder驱动传来的IBinder对象，通过queryLocallnterface方法，查找本地Binder对象，如果返回的就是IBookManager，说明Client和Server处于同一个进程，直接返回，如果不是，返回一个代理对象。

作为代理对象，也要实现服务接口：

private static class Proxy implements IBookManager {
    private IBinder mRemote;

    public Proxy(IBinder mRemote) {
        this.mRemote = mRemote;
    }

    @Override
    public IBinder asBinder() {
        return mRemote;
    }

    public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {
        return DESCRIPTOR;
    }

    @Override
    public List<Book> getBookList() throws RemoteException {
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        List<Book> result;
        try {
            data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            mRemote.transact(TRANSACTION_getBookList, data, reply, 0);
            reply.readException();
            result = reply.createTypedArrayList(Book.CREATOR);

        } finally {
            reply.recycle();
            data.recycle();
        }
        return result;
    }

    @Override
    public void addBook(Book book) throws RemoteException {
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        try {
            data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            if ((book != null)) {
                data.writeInt(1);
                book.writeToParcel(data, 0);
            } else {
                data.writeInt(0);
            }
            mRemote.transact(TRANSACTION_addBook, data, reply, 0);
            reply.readException();
        } finally {
            reply.recycle();
            data.recycle();
        }
    }
}

这里代理对象实质上就是Client最终拿到的代理服务，通过这个代理对象就可以和Server进行通信了，首先通过Parcel将数据序列化，然后调用remote.transact()将方法code和data传输过去，对应的回调在Server的onTransact()中。

4. 然后就是Server进程，onbind方法返回mStub对象，也就是Server中的Binder实体对象。

import android.app.Service;
import android.content.Intent;
import android.os.Binder;
import android.os.IBinder;
import android.os.RemoteException;
import android.util.Log;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MyService extends Service {
    private static final String TAG = "MyService";
    private List<Book> mBook = new ArrayList<>();

    @Override
    public void onCreate() {
        mBook.add(new Book());
        super.onCreate();
    }

    public MyService() {
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mStub;
    }

    private BookManagerImpl mStub = new BookManagerImpl() {
        @Override
        public void addBook(Book book) throws RemoteException {
            if (book == null) {
                book = new Book();
                Log.d(TAG, "null obj");
            }
            mBook.add(book);
            Log.d(TAG, mBook.size() + "");
        }

        @Override
        public List<Book> getBookList() throws RemoteException {
            return mBook;
        }
    };
}

5. 最后我们在客户端进程，bindService传入一个ServiceConnection对象，在与服务端建立连接时，通过我们定义好的BookManagerImpl的asInterface方法返回一个代理对象，再调用方法进行交互。

import android.content.ComponentName;
import android.content.Context;
import android.content.Intent;
import android.content.ServiceConnection;
import android.os.Bundle;
import android.os.IBinder;
import android.os.Process;
import android.os.RemoteException;
import android.util.Log;
import android.view.View;
import android.widget.Button;
import android.widget.TextView;

import androidx.activity.EdgeToEdge;
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity;
import androidx.core.graphics.Insets;
import androidx.core.view.ViewCompat;
import androidx.core.view.WindowInsetsCompat;

import java.util.List;

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private boolean isConnect = false;
    private static final String TAG = "MainActivity";
    private IBookManager iBookManager;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        EdgeToEdge.enable(this);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        ViewCompat.setOnApplyWindowInsetsListener(findViewById(R.id.main), (v, insets) -> {
            Insets systemBars = insets.getInsets(WindowInsetsCompat.Type.systemBars());
            v.setPadding(systemBars.left, systemBars.top, systemBars.right, systemBars.bottom);
            return insets;
        });
        start();
        findViewById(R.id.textView).setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View v) {
                if (iBookManager == null){
                    Log.d(TAG,"connect error");
                    return;
                }
                try {
                    iBookManager.addBook(new Book());
                    Log.d(TAG,iBookManager.getBookList().size() + "");
                } catch (RemoteException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
    }

    private void start() {
        Intent intent = new Intent(this, MyService.class);
        bindService(intent, mServiceConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
    }
    private ServiceConnection mServiceConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            Log.d(TAG,"connect success");
            isConnect = true;
            iBookManager = BookManagerImpl.asInterface(service);
            List<Book> bookList = null;
            try {
                bookList = iBookManager.getBookList();
            } catch (RemoteException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            Log.d(TAG,bookList.size() + "");
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
            Log.d(TAG,"connect failed");
            isConnect = false;
        }
    };

}

这样就实现了一次进程间的交互。建议大家手写一遍AIDL进程间通信的实现代码，加深对Binder通信的理解。

内容参考：

《安卓开发艺术探索》 - 任玉刚

3分钟带你看懂android的Binder机制

「Android」Binder机制入门学习笔记