Binder

C/C++环境下的Bi n der机制，主要包括Binder驱动的实现、运作原理、IPC机制的实现、接口等

1. Binder主要能提供的功能

（1）用驱动程序来推进进程间的通信

（2）通过共享内存来提高性能

（3）为进程请求分配每个进程的进程池

（4）针对系统中的对象引人了引用计数和跨进程的对象引用映射

（5）进程间同步调用

2.初识Binder

Binder是通过Linux的Binder Driver来实现的。Binder的用户空间为每一个进程维护着一个可用的线程池，线程池用于处理到来的IPC以及执行进程的本地消息，Binder通信时同步的而不是异步的。Binder机制是基于OpenBinder来实现的。

Binder通信也是基于Service/Client的，所有需要IBinder通信的进程都必须创建一个IBinder接口。

----Service Manager服务

在Android虚拟机启动之前，系统会先启动Service Manager守护进程，Service Manager 就会打开Binder驱动，并通知Binder Kernel驱动程序，这个进程将作为System Service Manager，然后该进程将进入一个循环，等待处理来自其他进程的数据。

3. Binder驱动的原理

为了完成进程间通信，Binder采用了AIDL（Android Interface Definition Language）来描述进程间的接口。

驱动实现过程中，主要通过binder_ioct l函数与用户空间的进程交换数据。binder_thread_write函数用以发送请求会返回结果，实质上是在其函数中调用了binder_transaction函数来转发请求并返回结果（请求通过查找handle对应的进程完成）。binder_thread_read函数则用于读取结果。binder_parse()完成数据的解析工作。

4.驱动的实现

A进程要使用B进程的服务，B进程首先要在Service Manager中注册此服务，A进程通过Binder在Service Manager中获得B进程服务的handle，通过这个handle，A进程就可以使用该服务了，handle可以理解为地址。

本地进程------本地对象-----本地进程的地址空间的一个地址，远程进程---“引用”---是一个抽象的32的句柄

Binder的实质就是要把对象从一个进程映射到另一个进程中，而不管这个对象是本地的还是远程的。

对于发送者进程而言，不管是“对象”还是“引用”，它都会认为被发送的Binder对象是一个远程的句柄（即远程对象的“引用”），但当Binder对象的数据被发送到远端接收进程时，远端接收进程则会认为该Binder对象是一个本地对象地址（即本地对象）。Binder驱动负责两种不同名称的对象的正确映射

该机制中使用的数据结构体：

(1).binder_work

最简单也是最基础的结构体

(2).Binder的类型

本地对象：①BINDER_TYPE_BINDER ②BINDER_TYPE_WEAK_BINDER

引用：③BINDER_TYPE_HANDLE ④BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE

文件：⑤BINDER_TYPE_FD

(3).Binder对象

把进程之间传递的数据称之为Binder对象（Binder Object），它在对应源码中使用flat_binder_object结构体来表示。

本地Binder对象和远程handle句柄的理解：假如A有个对象O，对于A来说，O就是一个本地的Binder对象；如果B想访问A的O对象，对于B来说，O就是一个handle。若是本地对象，Binder还可以携带额外的数据

(4).binder_transaction_data

Binder对象所传递的实际内容是通过此结构体来表示的。它是理解Binder驱动实现的关键。

(5).binder_write_read

读写缓冲区，用来存储发送的任务信息和接收返回的结果信息

(6).binder_proc

用于保存调用Binder的各个进程或线程的信息，如线程ID、进程ID、Binder状态信息等(7).binder_node

表示一个Binder节点

(8).binder_thread

用于存储每一个单独的线程的信息

(9).binder_transaction

主要用来中转请求和返回结果，保存接收和药发送的进程信息。

函数：

(1).binder_init

是Binder驱动的初始化函数，初始化函数一般需要设备驱动接口来调用，Android Binder

设备驱动接口函数是device_initcall(仅支持静态编译，区分于module_init和module_exit) (2).binder_open

用于打开Binder设备文件/dev/binder，对于Android 驱动，任何一个进程及其内的所有线程都可以打开一个Binder设备。

(3).binder_release

当Binder驱动退出时，需要使用它来释放在打开以及其他操作过程中分配的空间并清理相关的数据信息。

(4).binder_fush

flush操作接口将在关闭一个设备文件描述符复制时被调用。

(5).binder_poll

poll函数是非阻塞型IO的内核驱动实现，所有支持非阻塞IO操作的设备驱动都需要实现poll函数。Binder的poll函数仅支持设备是否可以非阻塞地读（POLLIN），这里有两种等待任务：一种是proc_wrok，另一种是thread_work。poll通过调用poll_wait函数来实现(6).binder_get_thread

可以用于在threads队列中查找当前的进程信息。

(7).binder_mmap

mmap（memory map）用于把设备内存映射到用户进程地址空间中，这样就可以像操作用户内存那样操作设备内存。Binder设备对内存映射是有限制的，如最大4M内存，不能映射具有写权限的内存区域等。Binder的设备内存是mmap操作时分配的，故每个进程/线程只能执行一次映射操作，其后的操作都会返回错误。

(8)binder_ioctl

Binder的功能就是通过ioctl命令来实现的，Binder的ioctl命令共有7个，定义在ioctl.h 头文件中。

ioctl是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数，也即对设备的一些特性进行控制，例如串口的传输波特率、马达的转速等

七大命令：

①BINDER_VERSION

用于返回当前版本信息。

②BINDER_SET_MAX_THREADS

用于设置进行的Binder对象所指的最大线程数，进程会根据该数目来决定线程池的容量。设置的值保存在binder_proc结构的max_threads成员里。

③BINDER_THREAD_EXIT

用于释放相应的线程信息，其具体过程在binder_free_thread函数中实现，用来终止并释放binder_thread对象及其binder_transaction事务。

④BINDER_SET_CONTENT_MGR

将一个线程/进程设置为Context Manager（如果一个进程/线程能被成功设置成binder_context_mgr_node对象，则称这个进程为Context Manager（context_mgr））。该命令一般在系统启动时初始化Binder驱动的过程中被调用，并且也只有创建binder_context_mgr_node对象的Binder上下文管理进程/线程才有权限重新设置这个对象⑤BINDER_WRITE_READ

该命令是Binder最核心的部分，Binder的IPC机制就是通过这个接口来实现的。是所有Binder的基础，即读写操作:binder_thread_write和binder_thread_read

⑥BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT

还没有被实现

⑦BINDER_SET_IDLE_PRIORITY

还没有被实现

(8).binder_release_work

释放binder_work

5.Binder系统架构

(1).Binder驱动

用于实现Binder的设备驱动，主要负责组织Binder的服务节点，调用Binder相关的处理线程，完成实际的Binder传输等

(2).Binder Adapter

Binder Adapter层是对Binder驱动的封装，主要用于操作Binder驱动，即用于程序不必直接接触Binder驱动程序，实现IPCThreadState.cpp和ProcessState.cpp，以及Parcel.cpp中的部分内容。

(3).Binder核心库

Binder核心库是Binder框架的核心实现，主要包括IBinder、Binder（服务器端）和BpBinder （客户端）

(4).

位于最上面两层的Binder框架和具体的客户端/服务器端都分别有Java和C++两种实现方案，主要供应用程序使用，比如摄像头和多媒体等，它们通过调用Binder的核心库来实现

6.Binder机制的组成

Android的Binder机制就是一个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，这样通讯就可以完成了。数据的读写是由Binder 驱动完成的，除了Binder驱动外，这个机制包括以下几个组成部分：

(1).Service Manager

Service Manager主要负责管理Android系统中所有的服务，当客户端要与服务端进行通信时，首先就会通过Service Manager来查询和取得所需要交互的服务。在这之前，每个服务也都需要向Service Manager注册自己提供的服务，以便能够供客户端进行查询和获取(2).服务（Server）

这里的服务即上面所说的服务端，通常也是Android的系统服务，通过Service Manager 可以查询和获取某个Server

(3).客户端

这里的客户端一般指Android系统上面的应用程序。它可以请求Server中的服务，比如Activity

(4).服务代理

服务代理指在客户端应用程序中生成的Server代理（proxy）。从应用程序的角度来看，代理对象和本地对象没有差别，都可以调用其方法，方法都是同步的，并且返回相应的结果。服务代理也是Binder机制的核心模块

7.Binder工作流程

(1).客户端首先获得服务器端的代理对象。所谓的代理对象实际上就是在客户端建立一个服务端的“引用”，该代理对象具有服务端的功能，使其在客户端访问服务端的方法就像访问本地方法一样

(2).客户端通过调用服务器代理对象的方式向服务器端发送请求

(3).代理对象将用户请求通过Binder驱动发送到服务器进程

(4).服务器进程出路用户请求，并通过Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象

(5).客户端收到服务器端的返回结果。

结论：这里与Binder通信的对象服务端就是服务

8.Android中的服务

服务的基本框架

Android系统中的三中服务：

(1).Native服务

Native服务实际上就是完全在C++空间完成的服务，主要是指系统一开始初始化时，通过Init.rc脚本启动的服务，例如Services Manager service、Zytoge service、Media service、ril_demon service等

(2).Android服务（Java服务）

Android服务是指在JVM空间完成的服务，虽然也要使用Native上的框架，但是服务主体存在于Android空间上。Android服务是第二阶段初始化（Init2）时建立的服务。(3).Init空间的服务

Init空间的服务主要用于完成属性设置，其通信采用Socket方式

--------Binder Adapter

服务与客户端之间的通信通过Binder驱动来完成，对于Binder驱动间的通信，Android 专门提供了一个Binder Adapter层来负责。

Binder Adapter实际上就是对Binder驱动的封装，用于完成Binder库与Binder内核驱动的交互。主要实现包括IPCThreadState和ProcessState。

ProcessState类是一个singleton类型，它包含了通信细节，利用open_binder代开Linux 设备dev\binder，通过ioctl建立基本的通信框架，每个进程只有一个ProcessState对象。起作用时维护当前进程中的所有Service代理。一个客户端可能需要多个Service的服务，这样可能会创建多个Service代理，客户端进程中的ProcessState对象就负责维护这些Service代理。

IPCThreadState类，主要负责数据的读取、写入和请求处理框架，每一个进程都会有一个IPCThreadState对象。所有关于Binder的操作都放置在IPCThreadState中，同时它会使用在ProcessState打开Binder设备的句柄

IPCThreadState的几个重要函数：

①.taikWithDriver() 负责读取和写入，实际上就是通过ioctl对ProcessState打开的句柄进行读写。

②.executeCommand(…) 请求处理

③.joinThreadPool() 循环结构

当一个服务启动时，会调用ProcessState：：self()函数来获得一个ProcessState实例；

ProcessState：：ProcessState()构造函数首先通过open_driver()打开Binder设备驱动（/dev/binder）,然后通过ioctl建立基本的通信框架。

ProcessState中还维护了一个线程池，可以通过函数ProcessState：：startThreadPool()来开启线程池。该线程池会维护所有的服务端代理，当需要创建一个服务端代理对象时，就会调用ProcessState：：getStrongProxyForHandle(int32_t handle)来实现。

(4).

不管是客户端还是Service进程，都需要用IPCThreadState来与Binder设备通信。如果是客户端进程，则通过服务代理对象BpBinder调用transact函数，把客户端的请求写入Binder 设备的另一端的Service进程；如果是Service进程，当他完成初始化工作之后，就需要进入循环状态等待客户端的请求，Service进程调用它的IPCThreadState对象的joinThreadPool方法，开始轮训Binder设备，等待客户端请求的到来。

9.Service Manager

Service Manager是所有服务的管理器，因此Server（System Server）都需要向它注册，应用程序需要向其查询相应的服务。

当Android启动时就会自动运行一个核心进程，该函数首先调用binder_open打开Binder （/dev/binder），其次，它调用binder_become_context_maneger函数，将自己设置为Service Manager。因为Service Manager本身就是一个服务，知识它比较特殊，会管理其他所有的服务，也正是binder_become_context_manager函数将其变为服务管理器的。binder_become_context_manager函数中，通过Binder的ioctl和BINDER_SET_CONTEXT_MGR 向驱动申明自己是服务管理器，作为服务管理器就需要为客户端提供查询和获取服务。

10.Binder机制

(1).Ibinder

Android对Binder机制进行了抽象，定义了IBinder接口，该接口是对跨进程对象的抽象，在C/C++和Java层都有定义。IBinder定义了一套使用Binder机制来实现客户程序和服务器的通信协议。

一个普通对象只能在当前进程中被访问，如果希望它能被其他进程访问，就必须实现IBinder接口。IBinder接口可以指向本地对象，也可以指向远程对象，关键就在于IBinder接口中的transact函数。如果IBinder指向的是一个服务器代理，那么transact只是负责把请求发送给服务器；如果IBinder指向的是一个服务端，那么transact只负责提供服务即可。该接口必须实现，这样才能进行Binder通信。

(2).服务端代理对象BpBinder

BpBinder是服务端代理对象，即远程对象在当前进程的代理。实际上，它也是Binder通信存在于客户端的进程，它实现了IBinder接口，即它的transact方法也已实现。transact函数的实现，实际上只是简单地调用了IPCThreadState：：self()的transact函数，将请求通过内核模块发送到了服务端，服务端处理完请求之后，沿原路返回结果给调用者。

注：transact方法是同步方法，将会挂起客户进程的当前进程，直到Service把请求处理完成并返回结果

(3).服务端BBinder

服务端同样需要实现IBinder接口，同样实现了transact函数。在transaction函数中会回

到onTransact 函数，onTransact 是Bbinder 中声明的一个protected 类型的虚函数，这个要求它的子类区实现。

11 .MediaService 的实现

这一部分分析如何使用Binder 机制。

MediaService 是Android 的多媒体服务（比如播放和录制等），Android 的媒体播放功能分成两部分：媒体播放应用和媒体播放服务（MediaServer ，在系统启动时由init 启动），这两部分分别运行在不同的进程中。媒体播放应用包括Java 程序和部分C++代码；媒体播放服务是C++代码；并且需要调用外部模块Opencore 来实现真正的媒体播放。媒体播放应用和媒体播放服务之间需要通过Binder 机制来相互调用，这些调用包括：

①媒体播放应用向媒体播放发送控制指令。

②媒体播放服务向媒体播放应用发送事件通知（notify ）。 MediaService 的入口函数实现：

main_mediaserver.cpp 的实现片段

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int main(int argc, char** argv) {

//(1).获得ProcessState 实例

sp proc(ProcessState::self()); //(1).得到一个ServiceManager 对象

sp sm = defaultServiceManager(); ALOGI("ServiceManager: %p", sm.get()); AudioFlinger::instantiate(); //(2).初始化MediaService 服务 MediaPlayerService::instantiate(); CameraService::instantiate(); AudioPolicyService::instantiate();

//(3).启动进程的线程池

ProcessState::self()->startThreadPool();

//将自己加入到线程池

IPCThreadState::self()->joinThreadPool(); }

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (1)首先通过ProcessState ：：self()获得一个ProcessState 实例，然后通过

sp sm = defaultServiceManager()获得一个ServiceManager 实例。 -----------------------------------------------------------------------------------------------------

sp defaultServiceManager()函数的实现中，全局变量gDefaultServiceManager 若为NULL ，则会创建一个

defaultServiceManager() = interface_cast{

ProcessState::self() getContextObject(NULL);

}

sp ProcrssState::getContextObject （const sp & caller ）函数会将创建过

程交给ProcessState：：getStrongProxyForHandle（）函数来实现，第一次进入该函数则会创建一个BpBinder对象并返回，在创建BpBinder的过程中，也会通过IPCThreadState：：self()来创建一个IPCThreadState。

interface_cast<…>{…}调用了asInterface(…)，在IServiceManager：：asInterface(…)实质上是创建了一个BpServiceManager实例。BpServiceManager就是ServiceManager的Binder代理对象。在IserviceManaget.cpp中可以找到BpServiceManager的实现。在实现BpServiceManager时，又会进入BpInterface的构造函数，它位于Iinterface.h中，最终会进入BpRefBase的构造函数，它位于Binder.cpp中。--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

总结：“sp sm = defaultServiceManager()”语句返回的实际上是BpServiceManager对象，它的remote对象是BpBinder，传入的handle参数是0。得到了BpServiceManager对象后，我们就可以通过Binder与ServiceManager进行交互了。

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(2).下一步是初始化各个服务，包括媒体播放和相机等，这里以MediaPlayerService威力进行分析。首先调用了MediaPlayerService::instantiate来初始化MedaiPlayerService。MediaPlayerService继承自BnMediaPlayerService，实际上就是MediaPlayerService服务，对应于Binder机制中的服务端。热很服务都需要向ServiceManager注册，既然注册就需要与ServiceManager通信。此时就需要Binder机制了，我们可以通过ServiceManaget的服务端代理对象BpServiceManager来进行通信。因此，注册过程就是通过BpServiceManager::addService来注册BnMediaPlayerService服务到ServiceManager。注册BnMediaPlayerService服务是传入的字符串参数是media.player，故我们在通过ServiceManager查询和获取该服务时使用这个字符串即可。

BpBinder：：transact--------------最终调用------------------→IPCThreadState::self()来发送数据

最终通过writeTransactionData函数来完成数据的发送最终通过wraiteTransactionData函数来完成数据的发送。在writeTransactionData中将要发送的数据整理为一个

binder_transaction_data结构体，此时数据还是没有发送，直到进入talkWithDriver函数中才会真正开始利用Binder驱动来进行操作。

在talkWithDriver中，mProcess→mDriverFD就是最早打开的Binder设备驱动，剩下的任务就交给Binder驱动来完成了。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 以上全部总结：

1).通过ProcessState::self()函数获得ProcessState对象，并打开Binder设备

2).通过defaultServiceManager得到BpServiceManager实例

3).通过MlediaPlayerService::instantiate()得到MediaPlayerService服务BnMediaPlayerService，并通过BpServiceManager::addService将MediaPlayerService服务添加到Service Manager的list中

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(3).我们要使用MediaPlayerService服务，那么MediaPlayerService客户端就需要与MediaPlayerService（即BnMediaPlayerService）交互。交互的过程中需要建立一个循环，然

后读写Binder设备。注意,在BnMediaPlayerService中并没有打开Binder设备和建立一个循环监听，这里实际上是借用了ProcessState来完成了MediaPlayerService的一些功能。

ProcessStaste会维护一个进程中的所有服务（Server）代理，每个进程中只能有一个；当然这里也维护MediaPlayerService服务的代理。在main_mediaserver.cpp的main函数中，紧接着由“ProcessState：：self()→startThreadPool();”来创建一个线程池并启动，而线程池PoolThread又继承自线程Thread。故，当PoolThread在执行run函数启动时，会执行Thread 的run函数。

Thread::run(…)----- -----调用了-------------》createThreadEtc-----------创建了--------------》一个线程，线程函数为_threadLoop--------------在_threadLoop 中调用---------------》IPCThreadState::self()→joinThreadPool。

在main_mediaserver.cpp的main函数中也会调用IPCThreadState::self()→joinThreadPool，也就是说，主线程和工作线程都会执行joinThreadPool；在joinThreadPool函数中通过talkWithDriver函数操作Binder驱动程序，executeCommand函数执行命令。

executeCommand实际上会根据不同的命令进行解析，但最终的解析还是会调用BBinder::transact函数，而transact函数又调用了自己的BBinder::onTransact函数。这里的BnMediaPlayerService继承自BBinder，所以会调用到它自己的BnMediaPlayerService::onTransact函数。

创建BpMediaPlayerService的过程

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- sp< IServiceManager> sm = defaultServiceManager();

sp binder;

do{

//查询MediaPlayerService，返回Binder

binder = sm→getService(String16(“media.player”));

if(binder != 0){

break;

}

usleep(500000); //0.5s

}while(true);

sMediaPlayerService = interface_cast {binder};

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 过程分析：首先通过defaultServiceManager函数获得ServiceManager对象，然后调用ServiceManager::getService查询指定名称（media.player）的MediaPlayerService服务，再通过interface_cast将查询得到的Binder转化为BpMediaService对象。这样BpMediaPlayerService 就可以与BnMeidaPlayerService进行通信了。

得到MediaPlayerService的实现

IserviceManager的家族图谱