android Bind机制（二）

1．binder通信概述

binder通信是一种client-server的通信结构，
    1.从表面上来看，是client通过获得一个server的代理接口，对server进行直接调用；
    2.实际上，代理接口中定义的方法与server中定义的方法是一一对应的；
    3.client调用某个代理接口中的方法时，代理接口的方法会将client传递的参数打包成为Parcel对象；
    4.代理接口将该Parcel发送给内核中的binder driver.
    5.server会读取binder driver中的请求数据，如果是发送给自己的，解包Parcel对象，处理并将结果返回；
    6.整个的调用过程是一个同步过程，在server处理的时候，client会block住。

2．service manager

Service Manager是一个linux级的进程,顾名思义，就是service的管理器。这里的service是什么概念呢？这里的service的概念和init过程中init.rc中的service是不同，init.rc中的service是都是linux进程，但是这里的service它并不一定是一个进程，也就是说可能一个或多个service属于同一个linux进程。在这篇文章中不加特殊说明均指android native端的service。

任何service在被使用之前，均要向SM(Service Manager)注册，同时客户端需要访问某个service时，应该首先向SM查询是否存在该服务。如果SM存在这个service，那么会将该service的handle返回给client，handle是每个service的唯一标识符。
    
    SM的入口函数在service_manager.c中，下面是SM的代码部分
int main(int argc, char **argv)
{
    struct binder_state *bs;
    void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;

bs = binder_open(128*1024);

if (binder_become_context_manager(bs)) {
        LOGE("cannot become context manager (%s)/n", strerror(errno));
        return -1;
    }

svcmgr_handle = svcmgr;
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    return 0;
}

这个进程的主要工作如下：
    1.初始化binder，打开/dev/binder设备；在内存中为binder映射128K字节空间；
    2.指定SM对应的代理binder的handle为0，当client尝试与SM通信时，需要创建一个handle为0的代理binder，这里的代理binder其实就是第一节中描述的那个代理接口；

3.通知binder driver(BD)使SM成为BD的context manager；
4.维护一个死循环，在这个死循环中，不停地去读内核中binder driver，查看是否有可读的内容；即是否有对service的操作要求, 如果有，则调用svcmgr_handler回调来处理请求的操作。

5.SM维护了一个svclist列表来存储service的信息。

这里需要声明一下，当service在向SM注册时，该service就是一个client，而SM则作为了server。而某个进程需要与service通信时，此时这个进程为client，service才作为server。因此service不一定为server，有时它也是作为client存在的。

由于下面几节会介绍一些与binder通信相关的几个概念，所以将SM的功能介绍放在了后面的部分来讲。

应用和service之间的通信会涉及到2次binder通信。

1.应用向SM查询service是否存在，如果存在获得该service的代理binder，此为一次binder通信；
2.应用通过代理binder调用service的方法，此为第二次binder通信。

3．ProcessState

ProcessState是以单例模式设计的。每个进程在使用binder机制通信时，均需要维护一个ProcessState实例来描述当前进程在binder通信时的binder状态。
    ProcessState有如下2个主要功能：
    1.创建一个thread,该线程负责与内核中的binder模块进行通信，称该线程为Pool thread；
    2.为指定的handle创建一个BpBinder对象，并管理该进程中所有的BpBinder对象。

3.1 Pool thread

在Binder IPC中，所有进程均会启动一个thread来负责与BD来直接通信，也就是不停的读写BD，这个线程的实现主体是一个IPCThreadState对象，下面会介绍这个类型。

下面是 Pool thread的启动方式：

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

3.2 BpBinder获取

BpBinder主要功能是负责client向BD发送调用请求的数据。它是client端binder通信的核心对象，通过调用transact函数向BD发送调用请求的数据，它的构造函数如下：

BpBinder(int32_t handle);
    通过BpBinder的构造函数发现，BpBinder会将当前通信中server的handle记录下来，当有数据发送时，会通知BD数据的发送目标。

ProcessState通过如下方式来获取BpBinder对象：

ProcessState::self()->getContextObject(handle);

在这个过程中，ProcessState会维护一个BpBinder的vector mHandleToObject，每当ProcessState创建一个BpBinder的实例时，回去查询mHandleToObject，如果对应的handle已经有binder指针，那么不再创建，否则创建binder并插入到mHandleToObject中。
    ProcessState创建的BpBinder实例，一般情况下会作为参数构建一个client端的代理接口，这个代理接口的形式为BpINTERFACE,例如在与SM通信时，client会创建一个代理接口BpServiceManager.

4．IPCThreadState

IPCThreadState也是以单例模式设计的。由于每个进程只维护了一个ProcessState实例，同时ProcessState只启动一个Pool thread，也就是说每一个进程只会启动一个Pool thread，因此每个进程则只需要一个IPCThreadState即可。
    Pool thread的实际内容则为：
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

ProcessState中有2个Parcel成员，mIn和mOut，Pool thread会不停的查询BD中是否有数据可读，如果有将其读出并保存到mIn，同时不停的检查mOut是否有数据需要向BD发送，如果有，则将其内容写入到BD中，总而言之，从BD中读出的数据保存到mIn，待写入到BD中的数据保存在了mOut中。

ProcessState中生成的BpBinder实例通过调用IPCThreadState的transact函数来向mOut中写入数据，这样的话这个binder IPC过程的client端的调用请求的发送过程就明了了。

IPCThreadState有两个重要的函数，talkWithDriver函数负责从BD读写数据，executeCommand函数负责解析并执行mIn中的数据。

5.主要基类

5.1基类IInterface

为server端提供接口，它的子类声明了service能够实现的所有的方法；

5.2基类IBinder
    BBinder与BpBinder均为IBinder的子类，因此可以看出IBinder定义了binder IPC的通信协议，BBinder与BpBinder在这个协议框架内进行的收和发操作，构建了基本的binder IPC机制。
5.3基类BpRefBase
    client端在查询SM获得所需的的BpBinder后，BpRefBase负责管理当前获得的BpBinder实例。

6.两个接口类

6.1 BpINTERFACE

如果client想要使用binder IPC来通信，那么首先会从SM出查询并获得server端service的BpBinder，在client端，这个对象被认为是server端的远程代理。为了能够使client能够想本地调用一样调用一个远程server，server端需要向client提供一个接口，client在在这个接口的基础上创建一个BpINTERFACE，使用这个对象，client的应用能够想本地调用一样直接调用server端的方法。而不用去关心具体的binder IPC实现。
下面看一下BpINTERFACE的原型：
    class BpINTERFACE : public BpInterface<IINTERFACE>

顺着继承关系再往上看
    template<typename INTERFACE>
    class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase

BpINTERFACE分别继承自INTERFACE，和BpRefBase；
● BpINTERFACE既实现了service中各方法的本地操作，将每个方法的参数以Parcel的形式发送给BD。
例如BpServiceManager的
    virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service)
    {
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
        data.writeString16(name);
        data.writeStrongBinder(service);
        status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
        return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;
    }
● 同时又将BpBinder作为了自己的成员来管理，将BpBinder存储在mRemote中，BpServiceManager通过调用BpRefBase的remote()来获得BpBinder指针。

6.2 BnINTERFACE

在定义android native端的service时，每个service均继承自BnINTERFACE(INTERFACE为service name)。BnINTERFACE类型定义了一个onTransact函数，这个函数负责解包收到的Parcel并执行client端的请求的方法。

顺着BnINTERFACE的继承关系再往上看，
        class BnINTERFACE: public BnInterface<IINTERFACE>

IINTERFACE为client端的代理接口BpINTERFACE和server端的BnINTERFACE的共同接口类，这个共同接口类的目的就是保证service方法在C-S两端的一致性。

再往上看
        class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder

同时我们发现了BBinder类型，这个类型又是干什么用的呢？既然每个service均可视为一个binder，那么真正的server端的binder的操作及状态的维护就是通过继承自BBinder来实现的。可见BBinder是service作为binder的本质所在。

那么BBinder与BpBinder的区别又是什么呢？

其实它们的区别很简单，BpBinder是client端创建的用于消息发送的代理，而BBinder是server端用于接收消息的通道。查看各自的代码就会发现，虽然两个类型均有transact的方法，但是两者的作用不同，BpBinder的transact方法是向IPCThreadState实例发送消息，通知其有消息要发送给BD；而BBinder则是当IPCThreadState实例收到BD消息时，通过BBinder的transact的方法将其传递给它的子类BnSERVICE的onTransact函数执行server端的操作。

7. Parcel

Parcel是binder IPC中的最基本的通信单元，它存储C-S间函数调用的参数.但是Parcel只能存储基本的数据类型，如果是复杂的数据类型的话，在存储时，需要将其拆分为基本的数据类型来存储。

简单的Parcel读写不再介绍，下面着重介绍一下2个函数

7.1 writeStrongBinder

当client需要将一个binder向server发送时，可以调用此函数。例如
        virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service)
        {
            Parcel data, reply;
            data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
            data.writeString16(name);
            data.writeStrongBinder(service);
            status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
            return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;
        }

看一下writeStrongBinder的实体
status_t Parcel::writeStrongBinder(const sp<IBinder>& val)
{
    return flatten_binder(ProcessState::self(), val, this);
}

接着往里看flatten_binder
status_t flatten_binder(const sp<ProcessState>& proc,
    const sp<IBinder>& binder, Parcel* out)
{
    flat_binder_object obj;
    
    obj.flags = 0x7f | FLAT_BINDER_FLAG_ACCEPTS_FDS;
    if (binder != NULL) {
        IBinder *local = binder->localBinder();
        if (!local) {
            BpBinder *proxy = binder->remoteBinder();
            if (proxy == NULL) {
                LOGE("null proxy");
            }
            const int32_t handle = proxy ? proxy->handle() : 0;
            obj.type = BINDER_TYPE_HANDLE;
            obj.handle = handle;
            obj.cookie = NULL;
        } else {
            obj.type = BINDER_TYPE_BINDER;
            obj.binder = local->getWeakRefs();
            obj.cookie = local;
        }
    } else {
        obj.type = BINDER_TYPE_BINDER;
        obj.binder = NULL;
        obj.cookie = NULL;
    }
    
    return finish_flatten_binder(binder, obj, out);
}

还是拿addService为例，它的参数为一个BnINTERFACE类型指针，BnINTERFACE又继承自BBinder，
    BBinder* BBinder::localBinder()
    {
        return this;
    }
    所以写入到Parcel的binder类型为BINDER_TYPE_BINDER，同时你在阅读SM的代码时会发现如果SM收到的service的binder类型不为BINDER_TYPE_HANDLE时，SM将不会将此service添加到svclist，但是很显然每个service的添加都是成功的，addService在开始传递的binder类型为BINDER_TYPE_BINDER，SM收到的binder类型为BINDER_TYPE_HANDLE，那么这个过程当中究竟发生了什么？
    为了搞明白这个问题，花费我很多的事件，最终发现了问题的所在，原来在BD中做了如下操作(drivers/staging/android/Binder.c)：

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
                   struct binder_thread *thread,
                   struct binder_transaction_data *tr, int reply)
{
..........................................

if (fp->type == BINDER_TYPE_BINDER)
        fp->type = BINDER_TYPE_HANDLE;
    else
        fp->type = BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE;
    fp->handle = ref->desc;
..........................................
}

阅读完addService的代码，你会发现SM只是保存了service binder的handle和service的name，那么当client需要和某个service通信了，如何获得service的binder呢？看下一个函数

7.2 readStrongBinder

当server端收到client的调用请求之后，如果需要返回一个binder时，可以向BD发送这个binder，当IPCThreadState实例收到这个返回的Parcel时，client可以通过这个函数将这个被server返回的binder读出。

sp<IBinder> Parcel::readStrongBinder() const
{
    sp<IBinder> val;
    unflatten_binder(ProcessState::self(), *this, &val);
    return val;
}

往里查看unflatten_binder

status_t unflatten_binder(const sp<ProcessState>& proc,
    const Parcel& in, sp<IBinder>* out)
{
    const flat_binder_object* flat = in.readObject(false);
    
    if (flat) {
        switch (flat->type) {
            case BINDER_TYPE_BINDER:
                *out = static_cast<IBinder*>(flat->cookie);
                return finish_unflatten_binder(NULL, *flat, in);
            case BINDER_TYPE_HANDLE:
                *out = proc->getStrongProxyForHandle(flat->handle);
                return finish_unflatten_binder(
                    static_cast<BpBinder*>(out->get()), *flat, in);
        }        
    }
    return BAD_TYPE;
}

发现如果server返回的binder类型为BINDER_TYPE_BINDER的话，也就是返回一个binder引用的话，直接获取这个binder；如果server返回的binder类型为BINDER_TYPE_HANDLE时，也就是server返回的仅仅是binder的handle，那么需要重新创建一个BpBinder返回给client。

有上面的代码可以看出，SM保存的service的binder仅仅是一个handle，而client则是通过向SM获得这个handle，从而重新构建代理binder与server通信。

这里顺带提一下一种特殊的情况，binder通信的双方即可作为client，也可以作为server.也就是说此时的binder通信是一个半双工的通信。那么在这种情况下，操作的过程会比单工的情况复杂，但是基本的原理是一样的，有兴趣可以分析一下MediaPlayer和MediaPlayerService的例子。

8. 经典桥段分析

main_ mediaserver.cpp
int main(int argc, char** argv)
{

//创建进程mediaserver的ProcessState实例
    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());

//获得SM的BpServiceManager
    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
    LOGI("ServiceManager: %p", sm.get());

//添加mediaserver中支持的service。
    AudioFlinger::instantiate();
    MediaPlayerService::instantiate();
    CameraService::instantiate();
    AudioPolicyService::instantiate();

//启动ProcessState的pool thread
    ProcessState::self()->startThreadPool();

//这一步有重复之嫌，加不加无关紧要。
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}

9. Java 层的binder机制

了解了native通信机制后，再去分析JAVA层的binder机制，就会很好理解了。它只是对native的binder做了一个封装。这一部分基本上没有太复杂的过程，这里不再赘述了。