Binder Native 层(二)
Binder 框架及 Native 层
Binder机制使本地对象可以像操作当前对象一样调用远程对象,可以使不同的进程间互相通信。Binder 使用 Client/Server 架构,客户端通过服务端代理,经过 Binder 驱动与服务端交互。
Binder 机制实现进程间通信的奥秘在于 kernel 中的 Binder 驱动。
JNI 的代码位于 frameworks/base/core/jni 目录下,主要是 android_util_Binder.cpp 文件和头文件 android_util_Binder.h
Binder JNI 代码是 Binder Java 层操作到 Binder Native 层的接口封装,最后会被编译进 libandroid_runtime.so
系统库。
Binder 本地层的代码在 frameworks/native/libs/binder 目录下, 此目录在 Android 系统编译后会生成 libbinder.so
文件,供 JNI 调用。libbinder
封装了所有对 binder 驱动的操作,是上层应用与驱动交互的桥梁。头文件则在 frameworks/native/include/binder 目录下。
Binder Native 的入口
IInterface.cpp 是 Binder 本地层入口,与 java 层的 android.os.IInterface
对应,提供 asBinder()
的实现,返回 IBinder
对象。
在头文件中有两个类 BnInterface (Binder Native Interface) 和 BpInterface (Binder Proxy Interface), 对应于 java 层的 Stub和 Proxy
- sp<IBinder> IInterface::asBinder(const IInterface* iface)
- {
- if (iface == NULL) return NULL;
- return const_cast<IInterface*>(iface)->onAsBinder();
- }
- template<typename INTERFACE>
- class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
- {
- public:
- virtual sp<IInterface> queryLocalInterface(const String16& _descriptor);
- virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
- protected:
- virtual IBinder* onAsBinder();
- };
- // ----------------------------------------------------------------------
- template<typename INTERFACE>
- class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
- {
- public:
- BpInterface(const sp<IBinder>& remote);
- protected:
- virtual IBinder* onAsBinder();
- };
其中 BnInterface
是实现Stub功能的模板,扩展BBinder的onTransact()方法实现Binder命令的解析和执行。BpInterface
是实现Proxy功能的模板,BpRefBase里有个mRemote对象指向一个BpBinder对象。
Binder 本地层的整个函数/方法调用过程
1. Java 层 IRemoteService.Stub.Proxy 调用 android.os.IBinder (实现在 android.os.Binder.BinderProxy) 的 transact()
发送 Stub.TRANSACTION_addUser
命令。
2. 由 BinderProxy.transact() 进入 native 层。
3. 由 jni 转到 android_os_BinderProxy_transact() 函数。
4. 调用 IBinder->transact 函数。
- static jboolean android_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,
- jint code, jobject dataObj, jobject replyObj, jint flags) // throws RemoteException
- {
- IBinder* target = (IBinder*)
- env->GetLongField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);
- status_t err = target->transact(code, *data, reply, flags);
- }
而 gBinderProxyOffsets.mObject
则是在 java 层调用 IBinder.getContextObject()
时在 javaObjectForIBinder 函数中设置的
- static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
- {
- sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
- return javaObjectForIBinder(env, b);
- }
- jobject javaObjectForIBinder(JNIEnv* env, const sp<IBinder>& val)
- {
- ...
- LOGDEATH("objectForBinder %p: created new proxy %p !\n", val.get(), object);
- // The proxy holds a reference to the native object.
- env->SetLongField(object, gBinderProxyOffsets.mObject, (jlong)val.get());
- val->incStrong((void*)javaObjectForIBinder);
- ...
- }
经过 ProcessState::getContextObject() 和 ProcessState::getStrongProxyForHandle()
- sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& /*caller*/)
- {
- return getStrongProxyForHandle();
- }
- sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle)
- {
- sp<IBinder> result;
- ...
- b = new BpBinder(handle);
- result = b;
- ...
- return result;
- }
可见 android_os_BinderProxy_transact() 函数实际上调用的是 BpBinder::transact() 函数。
5. BpBinder::transact() 则又调用了 IPCThreadState::self()->transact() 函数。
- status_t IPCThreadState::transact(int32_t handle,
- uint32_t code, const Parcel& data,
- Parcel* reply, uint32_t flags)
- {
- status_t err = data.errorCheck();
- flags |= TF_ACCEPT_FDS;
- if (err == NO_ERROR) {
- LOG_ONEWAY(">>>> SEND from pid %d uid %d %s", getpid(), getuid(),
- (flags & TF_ONE_WAY) == ? "READ REPLY" : "ONE WAY");
- err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, NULL);
- }
- if ((flags & TF_ONE_WAY) == ) {
- if (reply) {
- err = waitForResponse(reply);
- } else {
- Parcel fakeReply;
- err = waitForResponse(&fakeReply);
- }
- } else {
- err = waitForResponse(NULL, NULL);
- }
- return err;
- }
- status_t IPCThreadState::writeTransactionData(int32_t cmd, uint32_t binderFlags,
- int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, status_t* statusBuffer)
- {
- binder_transaction_data tr;
- tr.target.ptr = ; /* Don't pass uninitialized stack data to a remote process */
- tr.target.handle = handle;
- tr.code = code;
- ...
- mOut.writeInt32(cmd);
- mOut.write(&tr, sizeof(tr));
- return NO_ERROR;
- }
由函数内容可以看出, 数据再一次通过 writeTransactionData() 传递给 mOut 进行写入操作。 mOut
是一个 Parcel 对象, 声明在 IPCThreadState.h 文件中。之后则调用 waitForResponse() 函数。
6. IPCThreadState::waitForResponse() 在一个 while
循环里不断的调用 talkWithDriver() 并检查是否有数据返回。
- status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult)
- {
- uint32_t cmd;
- int32_t err;
- while () {
- if ((err=talkWithDriver()) < NO_ERROR) break;
- ...
- cmd = (uint32_t)mIn.readInt32();
- switch (cmd) {
- case BR_TRANSACTION_COMPLETE:
- ...
- case BR_REPLY:
- {
- binder_transaction_data tr;
- err = mIn.read(&tr, sizeof(tr));
- ALOG_ASSERT(err == NO_ERROR, "Not enough command data for brREPLY");
- if (err != NO_ERROR) goto finish;
- if (reply) {
- if ((tr.flags & TF_STATUS_CODE) == ) {
- reply->ipcSetDataReference(
- reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),
- tr.data_size,
- reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),
- tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t),
- freeBuffer, this);
- } else {
- err = *reinterpret_cast<const status_t*>(tr.data.ptr.buffer);
- freeBuffer(NULL,
- reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),
- tr.data_size,
- reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),
- tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t), this);
- }
- } else {
- freeBuffer(NULL,
- reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),
- tr.data_size,
- reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),
- tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t), this);
- continue;
- }
- }
- goto finish;
- }
- default:
- err = executeCommand(cmd);
- if (err != NO_ERROR) goto finish;
- break;
- }
- }
- ...
- }
7. IPCThreadState::talkWithDriver() 函数是真正与 binder 驱动交互的实现。ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) 就是使用系统调用函数 ioctl
向 binder 设备文件 /dev/binder
发送 BINDER_WRITE_READ
命令。
- status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
- {
- if (mProcess->mDriverFD <= ) {
- return -EBADF;
- }
- binder_write_read bwr;
- // Is the read buffer empty?
- const bool needRead = mIn.dataPosition() >= mIn.dataSize();
- // We don't want to write anything if we are still reading
- // from data left in the input buffer and the caller
- // has requested to read the next data.
- const size_t outAvail = (!doReceive || needRead) ? mOut.dataSize() : ;
- bwr.write_size = outAvail;
- bwr.write_buffer = (uintptr_t)mOut.data();
- // This is what we'll read.
- if (doReceive && needRead) {
- bwr.read_size = mIn.dataCapacity();
- bwr.read_buffer = (uintptr_t)mIn.data();
- } else {
- bwr.read_size = ;
- bwr.read_buffer = ;
- }
- // Return immediately if there is nothing to do.
- if ((bwr.write_size == ) && (bwr.read_size == )) return NO_ERROR;
- bwr.write_consumed = ;
- bwr.read_consumed = ;
- status_t err;
- #if defined(HAVE_ANDROID_OS)
- // 使用系统调用 ioctl 向 /dev/binder 发送 BINDER_WRITE_READ 命令
- if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= )
- err = NO_ERROR;
- else
- err = -errno;
- #else
- err = INVALID_OPERATION;
- #endif
- do {
- if (mProcess->mDriverFD <= ) {
- err = -EBADF;
- }
- } while (err == -EINTR);
- if (err >= NO_ERROR) {
- if (bwr.write_consumed > ) {
- if (bwr.write_consumed < mOut.dataSize())
- mOut.remove(, bwr.write_consumed);
- else
- mOut.setDataSize();
- }
- if (bwr.read_consumed > ) {
- mIn.setDataSize(bwr.read_consumed);
- mIn.setDataPosition();
- }
- return NO_ERROR;
- }
- return err;
- }
经过 IPCThreadState::talkWithDriver() ,就将数据发送给了 Binder 驱动。
继续追踪 IPCThreadState::waitForResponse() ,可以从 第6步 发现 IPCThreadState
不断的循环读取 Binder 驱动返回,获取到返回命令后执行了 executeCommand(cmd) 函数。
8. IPCThreadState::executeCommand() 处理 Binder 驱动返回命令
- status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
- {
- BBinder* obj;
- RefBase::weakref_type* refs;
- status_t result = NO_ERROR;
- switch ((uint32_t)cmd) {
- ...
- case BR_TRANSACTION:
- {
- binder_transaction_data tr;
- result = mIn.read(&tr, sizeof(tr));
- ...
- Parcel buffer;
- buffer.ipcSetDataReference(
- reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),
- tr.data_size,
- reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),
- tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t), freeBuffer, this);
- ...
- Parcel reply;
- status_t error;
- if (tr.target.ptr) {
- sp<BBinder> b((BBinder*)tr.cookie);
- error = b->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);
- } else {
- error = the_context_object->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);
- }
- ...
- }
- break;
- ...
- }
9. 可以看出其调用了 BBinder::transact() 函数,将数据返回给上层。
- status_t BBinder::transact(
- uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
- {
- data.setDataPosition();
- status_t err = NO_ERROR;
- switch (code) {
- case PING_TRANSACTION:
- reply->writeInt32(pingBinder());
- break;
- default:
- err = onTransact(code, data, reply, flags);
- break;
- }
- if (reply != NULL) {
- reply->setDataPosition();
- }
- return err;
- }
10. 而这里的 b->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags) 中的 b (BBinder)
是 JavaBBinder 的实例,所以会调用 JavaBBinder::onTransact() 函数
- // frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
- virtual status_t onTransact(
- uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags = )
- {
- JNIEnv* env = javavm_to_jnienv(mVM);
- ...
- jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
- code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);
- }
- static int int_register_android_os_Binder(JNIEnv* env)
- {
- ...
- gBinderOffsets.mExecTransact = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "execTransact", "(IJJI)Z");
- ...
- }
11. 可见 JNI 通过 gBinderOffsets.mExecTransact 最后执行了 android.os.Binder
的 execTransact() 方法。
execTransact() 方法是 jni 回调的入口。
- // Entry point from android_util_Binder.cpp's onTransact
- private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj,
- int flags) {
- Parcel data = Parcel.obtain(dataObj);
- Parcel reply = Parcel.obtain(replyObj);
- ...
- try {
- res = onTransact(code, data, reply, flags);
- }
- ...
- }
12. 而我们则在服务端 IRemoteService.Stub 重载了 onTransact() 方法,所以数据最后会回到我们的服务端并执行服务端实现的 addUser()
方法。
- public static abstract class Stub extends android.os.Binder
- implements org.xdty.remoteservice.IRemoteService {
- ...
- @Override
- public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply,
- int flags) throws android.os.RemoteException {
- switch (code) {
- case INTERFACE_TRANSACTION: {
- reply.writeString(DESCRIPTOR);
- return true;
- }
- case TRANSACTION_basicTypes: {
- ...
- return true;
- }
- case TRANSACTION_addUser: {
- data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
- org.xdty.remoteservice.User _arg0;
- if (( != data.readInt())) {
- _arg0 = org.xdty.remoteservice.User.CREATOR.createFromParcel(data);
- } else {
- _arg0 = null;
- }
- this.addUser(_arg0);
- reply.writeNoException();
- return true;
- }
- }
- return super.onTransact(code, data, reply, flags);
- }
- }
Binder 设备文件的打开和读写
我们看到 JNI 过程中调用了 ProcessState::getContextObject()
函数, 在 ProcessState 初始化时会打开 binder 设备
- // ProcessState.cpp
- ProcessState::ProcessState()
- : mDriverFD(open_driver())
- ...
- {
- ...
- }
open_driver() 函数内容如下
- // ProcessState.cpp
- static int open_driver()
- {
- // 打开设备文件
- int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
- if (fd >= ) {
- fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
- int vers = ;
- // 获取驱动版本
- status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
- if (result == -) {
- ALOGE("Binder ioctl to obtain version failed: %s", strerror(errno));
- close(fd);
- fd = -;
- }
- // 检查驱动版本是否一致
- if (result != || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {
- ALOGE("Binder driver protocol does not match user space protocol!");
- close(fd);
- fd = -;
- }
- // 设置最多 15 个 binder 线程
- size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;
- result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
- if (result == -) {
- ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(errno));
- }
- } else {
- ALOGW("Opening '/dev/binder' failed: %s\n", strerror(errno));
- }
- return fd;
- }
设备的读写
打开设备文件后,文件描述符被保存在 mDriverFD, 通过系统调用 ioctl
函数操作 mDriverFD
就可以实现和 binder 驱动的交互。
对 Binder 设备文件的所有读写及关闭操作则都在 IPCThreadState中,如上一小节提及到的 IPCThreadState::talkWithDriver函数
talkWithDriver()
函数封装了 BINDER_WRITE_READ
命令,会向 binder 驱动写入或从驱动读取封装在 binder_write_read 结构体中的本地或远程对象。
- // IPCThreadState.cpp
- status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
- {
- binder_write_read bwr;
- const bool needRead = mIn.dataPosition() >= mIn.dataSize();
- const size_t outAvail = (!doReceive || needRead) ? mOut.dataSize() : ;
- // 写入数据
- bwr.write_size = outAvail;
- bwr.write_buffer = (uintptr_t)mOut.data();
- // 读取数据
- if (doReceive && needRead) {
- bwr.read_size = mIn.dataCapacity();
- bwr.read_buffer = (uintptr_t)mIn.data();
- } else {
- bwr.read_size = ;
- bwr.read_buffer = ;
- }
- ...
- // 使用 ioctl 系统调用发送 BINDER_WRITE_READ 命令到 biner 驱动
- if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= )
- err = NO_ERROR;
- ...
- }
BpBinder.cpp
BpBinder(Base proxy Binder)
对应于 Java 层的 Service Proxy
,
先查看头文件 BpBinder.h 代码片断
- class BpBinder : public IBinder
- {
- public:
- inline int32_t handle() const { return mHandle; }
- virtual status_t transact( uint32_t code,
- const Parcel& data,
- Parcel* reply,
- uint32_t flags = );
- virtual status_t linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
- void* cookie = NULL,
- uint32_t flags = );
- virtual status_t unlinkToDeath( const wp<DeathRecipient>& recipient,
- void* cookie = NULL,
- uint32_t flags = ,
- wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);
- };
可以看到 BpBinder 中声明了 transact()
linkToDeath()
等重要函数。再看具体实现
- status_t BpBinder::transact(
- uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
- {
- ...
- status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
- mHandle, code, data, reply, flags);
- ...
- return DEAD_OBJECT;
- }
- status_t BpBinder::linkToDeath(
- const sp<DeathRecipient>& recipient, void* cookie, uint32_t flags)
- {
- ...
- IPCThreadState* self = IPCThreadState::self();
- self->requestDeathNotification(mHandle, this);
- self->flushCommands();
- ...
- return DEAD_OBJECT;
- }
可以看出 BPBinder 是最终是通过调用 IPCThreadState
的函数来完成数据传递操作。
IPCThreadState.cpp
AppOpsManager.cpp
APPOpsManager (APP Operation Manager) 是 应用操作管理者,实现对客户端操作的检查、启动、完成等
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