Android 核心分析 之六 -----IPC框架分析 Binder，Service，Service manager

我首先從宏觀的角度觀察Binder,Service,Service Manager，並闡述各自的概念。從Linux的概念空間中，Android的設計Activity托管在不同的的進程，Service也都是托管在不同的進程，不同進程間的Activity,Service之間要交換數據屬於IPC。Binder就是為了Activity通訊而設計的一個輕量級的IPC框架。

在代碼分析中，我發現Android中只是把Binder理解成進程間通訊的實現，有點狹隘，而是應該站在公共對象請求代理這個高度來理解Binder，Service的概念，這樣我們就會看到不一樣的格局，從這個高度來理解設計意圖，我們才會對Android中的一些天才想法感到驚奇。從Android的外特性概念空間中，我們看不到進程的概念，而是Activity，Service，AIDL，INTENT。一般的如果我作為設計者，在我們的根深蒂固的想法中，這些都是如下的C/S架構，客戶端和服務端直接通過Binder交互數據，打開Binder寫入數據，通過Binder讀取數據，通訊就可以完成了。

 

該注意到Android的概念中，Binder是一個很低層的概念，上面一層根本都看不到Binder，而是Activity跟一個Service的對象直接通過方法調用，獲取服務。

 

這個就是Android提供給我們的外特性：在Android中，要完成某個操作，所需要做的就是請求某個有能力的服務對象去完成動作，而無需知道這個通訊是怎樣工作的，以及服務在哪裡。所以Andoid的IPC在本質上屬於對象請求代理架構，Android的設計者用CORBA的概念將自己包裝了一下，實現了一個微型的輕量級CORBA架構，這就是Andoid的IPC設計的意圖所在，它並不是僅僅解決通訊，而是給出了一個架構，一種設計理念，這就是Android的閃光的地方。Android的Binder更多考慮了數據交換的便捷，並且只是解決本機的進程間的通訊，所以不像CORBA那樣復雜，所以叫做輕量級。

所以要理解Android的IPC架構，就需要了解CORBA的架構。而CORBA的架構在本質上可以使用下面圖來表示：

 

在服務端，多了一個代理器，更為抽象一點我們可以下圖來表示。

 

 

分析和CORBA的大體理論架構，我給出下面的Android的對象代理結構。

 

在結構圖中，我們可以較為清楚的把握Android的ＩＰＣ包含了如下的概念：

 

• 設備上下文什（ContextObject）

  設備上下文包含關於客服端，環境或者請求中沒有作為參數傳遞個操作的上下文信息，應用程序開發者用ContextObject接口上定義的操作來創建和操作上下文。

•  Android代理：這個是指代理對象
•  Binder Linux內核提供的Binder通訊機制

 

Android的外特性空間是不需要知道服務在那裡，只要通過代理對象完成請求，但是我們要探究Android是如何實現這個架構，首先要問的是在Client端要完成雲服務端的通訊，首先應該知道服務在哪裡？我們首先來看看Service Manger管理了那些數據。Service Manager提供了add service,check service兩個重要的方法，並且維護了一個服務列表記錄登記的服務名稱和句柄。

 

 

 

 

 

 

 

Service manager service使用0來標識自己。並且在初始化的時候，通過binder設備使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR ioctl將自己變成了CONTEXT_MGR。Svclist中存儲了服務的名字和Handle，這個Handle作為Client端發起請求時的目標地址。服務通過add_service方法將自己的名字和Binder標識handle登記在svclist中。而服務請求者，通過check_service方法，通過服務名字在service list中獲取到service 相關聯的Binder的標識handle,通過這個Handle作為請求包的目標地址發起請求。

 

 

 

 

我們理解了Service Manager的工作就是登記功能，現在再回到ＩＰＣ上，客服端如何建立連接的？我們首先回到通訊的本質：IPC。從一般的概念來講，Android設計者在Linux內核中設計了一個叫做Binder的設備文件，專門用來進行Android的數據交換。所有從數據流來看Java對象從Java的VM空間進入到C++空間進行了一次轉換，並利用C++空間的函數將轉換過的對象通過driver\binder設備傳遞到服務進程，從而完成進程間的IPC。這個過程可以用下圖來表示。

 

 

 

 

 

這裡數據流有幾層轉換過程。

（1） 從JVM空間傳到c++空間，這個是靠JNI使用ENV來完成對象的映射過程。

（2） 從c++空間傳入內核Binder設備，使用ProcessState類完成工作。

（3） Service從內核中Binder設備讀取數據。

Ａｎｄｒｏｉｄ設計者需要利用面向對象的技術設計一個框架來屏蔽掉這個過程。要讓上層概念空間中沒有這些細節。Android設計者是怎樣做的呢？我們通過c++空間代碼分析，看到有如下空間概念包裝(ProcessState@(ProcessState.cpp)

       在ProcessState類中包含了通訊細節，利用open_binder打開Linux設備dev\binder,通過ioctrl建立的基本的通訊框架。利用上層傳遞下來的servicehandle來確定請求發送到那個Service。通過分析我終於明白了Bnbinder，BpBinder的命名含義，Bn-代表Native，而Bp代表Proxy。一旦理解到這個層次，ProcessState就容易弄明白了。

 

 

     下面我們看JVM概念空間中對這些概念的包裝。為了通篇理解設備上下文，我們需要將Android VM概念空間中的設備上下文和C++空間總的設備上下文連接起來進行研究。

為了在上層使用統一的接口，在JVM層面有兩個東西。在Android中，為了簡化管理框架，引入了ServiceManger這個服務。所有的服務都是從ServiceManager開始的，只用通過Service Manager獲取到某個特定的服務標識構建代理IBinder。在Android的設計中利用Service Manager是默認的Handle為0，只要設置請求包的目標句柄為0，就是發給Service Manager這個Service的。在做服務請求時，Android建立一個新的Service Manager Proxy。Service Manager Proxy使用ContexObject作為Binder和Service Manager Service（服務端）進行通訊。

 

我們看到Android代碼一般的獲取Service建立本地代理的用法如下：

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

 

例如：使用輸入法服務：

IInputMethodManager mImm=

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

 

這些服務代理獲取過程分解如下：

 

（1） 通過調用GetContextObject調用獲取設備上下對象。注意在AndroidJVM概念空間的ContextObject只是 與Service Manger Service通訊的代理Binder有對應關系。這個跟c++概念空間的GetContextObject意義是不一樣的。

注意看看關鍵的代碼

 

    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，就是該函數在進程空間建立 了ProcessState對象，打開了Binder設備dev\binder,並且傳遞了參數0，這個0代表了與Service Manager這個服務綁定。

（2） 通過調用ServiceManager.asInterface（ContextObject）建立一個代理ServiceManger。

     mRemote= ContextObject(Binder)

    這樣就建立起來ServiceManagerProxy通訊框架。

 (3)客戶端通過調用ServiceManager的getService的方法建立一個相關的代理Binder。

 

              ServiceMangerProxy.remote.transact(GET_SERVICE)

                   IBinder=ret.ReadStrongBinder() -》這個就是JVM空間的代理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)-》這個就是底層c++空間新建的代理Binder。

整個建立過程可以使用如下的示意圖來表示：

 

 

      Activity為了建立一個IPC，需要建立兩個連接：訪問Servicemanager Service的連接，IXXX具體XXX Service的代理對象與XXXService的連接。這兩個連接對應c++空間ProcessState中BpBinder。對IXXX的操作最後就是對BpBinder的操作。由於我們在寫一個Service時，在一個Package中寫了Service Native部分和Service Proxy部分，而Native和Proxy都實現相同的接口：IXXX Interface,但是一個在服務端，一個在客服端。客戶端調用的方式是使用remote->transact方法向Service發出請求，而在服務端的OnTransact中則是處理這些請求。所以在Android Client空間就看到這個效果：只需要調用代理對象方法就達到了對遠程服務的調用目的，實際上這個調用路徑好長好長。

 

        我們其實還一部分沒有研究，就是同一個進程之間的對象傳遞與遠程傳遞是區別的。同一個進程間專遞服務地和對象，就沒有代理BpBinder產生，而只是對象的直接應用了。應用程序並不知道數據是在同一進程間傳遞還是不同進程間傳遞，這個只有內核中的Binder知道，所以內核Binder驅動可以將Binder對象數據類型從BINDER_TYPE_BINDER修改為BINDER_TYPE_HANDLE或者BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE作為引用傳遞。