Android Binder机制(一) Binder的设计和框架

这是关于Android中Binder机制的一系列纯技术贴。花了一个多礼拜的时间，才终于将其整理完毕。行文于此，以做记录；也是将自己所得与大家分享。
和以往一样，介绍Binder时，先讲解框架，然后再从设计和细节等方面一一展开。若文章若错误或纰漏，请不吝指出。谢谢！

注意：本文是基于Android 4.4.2版本进行介绍的！

目录
1. Binder架构解析
1.1. Binder模型
1.2. Binder驱动存在的原因和意义
1.3. ServiceManager存在的原因和意义
1.4. 为什么采用Binder机制，而不是其他的IPC通信方式
1.5. Binder中各角色之间关系
2. Binder设计解析
2.1. Binder设计
2.1.1. 内核空间的Binder设计
2.1.2. 用户空间的Binder设计
2.2. Binder通信
2.2.1. Binder通信模型
2.2.2. Binder通信数据

1. Binder架构解析

1.1 Binder模型

上图中涉及到Binder模型的4类角色：Binder驱动，ServiceManager，Server和Client。 因为后面章节讲解Binder时，都是以MediaPlayerService和MediaPlayer为代表进行讲解的；这里就使用MediaPlayerService代表了Server，而MediaPlayer则代表了Client。

Binder机制的目的是实现IPC(Inter-Process Communication)，即实现进程间通信。在上图中，由于MediaPlayerService是Server的代表，而MediaPlayer是Client的代表；因此，对于上图而言，Binder机制则表现为"实现MediaPlayerService和MediaPlayer之间的通信"。

1.2 Binder驱动存在的原因和意义

在回答"Binder机制中Binder驱动存在的原因和意义"之前，先介绍几个基本的概念。

1. Linux系统中的内存划分

Android是基于Linux内核而打造的操作系统。
以32位Linux系统而言，它的内存最大是4G。在这4G内存中，0~3G为用户空间，3~4G为内核空间。应用程序都运行在用户空间，而Kernel和驱动都运行在内核空间。用户空间和内核空间若涉及到通信(即，数据交互)，两者不能简单地使用指针传递数据，而必须在"内核"中通过copy_from_user(),copy_to_user(),get_user()或put_user()等函数传递数据。copy_from_user()和get_user()是将内核空间的数据拷贝到用户空间，而copy_to_user()和put_user()则是将用户空间的数据拷贝到内核空间。

2. 进程的基本概念

进程拥有独立的内存单元，它是系统进行资源分配和调度的基本单位。对于Linux系统而言，每一个运行在用户空间的应用程序都可以看作一个进程。
不同的进程在不同的内存中，因此当一个程序崩溃之后，不会对其它的程序造成影响。

通过上面的"Linux的内存划分"和"进程"，我们可以了解到：应用程序都运行在用户空间，每个应用程序都有它自己独立的内存空间；若不同的应用程序之间涉及到通信，需要通过内核进行中转，因为需要用到内核的copy_from_user()和copy_to_user()等函数。 
现在，再回到上面的框架图中。图中的ServiceManager, MediaPlayerService和MediaPlayer都位于用户空间，它们是不同的进程。前面说过，Binder机制的最终目的是实现"MediaPlayerService和MediaPlayer这两个不同进程之间的通信"。而这两个不同进程的通信必须要内核进行中转，对于Android而言，在内核中起中转作用便是Binder驱动。那么Binder驱动是如何进行数据中转的呢？这里概括的介绍一下，后面再详细说明。 
Android的通信是基于Client-Server架构的，进程间的通信无非就是Client向Server发起请求，Server响应Client的请求。这里以发起请求为例：当Client向Server发起请求(例如，MediaPlayer向MediaPlayerService发起请求)，Client会先将请求数据从用户空间拷贝到内核空间(将数据从MediaPlayer发给Binder驱动)；数据被拷贝到内核空间之后，再通过驱动程序，将内核空间中的数据拷贝到Server位于用户空间的缓存中(Binder驱动将数据发给MediaPlayerService)。这样，就成功的将Client进程中的请求数据传递到了Server进程中。

实际上，Binder驱动是整个Binder机制的核心。除了实现上面所说的数据传输之外，Binder驱动还是实现线程控制(通过中断等待队列实现线程的等待/唤醒)，以及UID/PID等安全机制的保证。

1.3 ServiceManager存在的原因和意义

Binder是要实现Android的C-S架构的，即Client-Server架构。而ServiceManager，是以服务管理者的身份存在的。

ServiceManager也是运行在用户空间的一个独立进程。
(01) 对于Binder驱动而言，ServiceManager是一个守护进程，更是Android系统各个服务的管理者。Android系统中的各个服务，都是添加到ServiceManager中进行管理的，而且每个服务都对应一个服务名。当Client获取某个服务时，则通过服务名来从ServiceManager中获取相应的服务。
(02) 对于MediaPlayerService和MediaPlayer而言，ServiceManager是一个Server服务端，是一个服务器。当要将MediaPlayerService等服务添加到ServiceManager中进行管理时，ServiceManager是服务器，它会收到MediaPlayerService进程的添加服务请求。当MediaPlayer等客户端要获取MediaPlayerService等服务时，它会向ServiceManager发起获取服务请求。

当MediaPlayer和MediaPlayerService通信时，MediaPlayerService是服务端；而当MediaPlayerService则ServiceManager通信时，ServiceManager则是服务端。这样，就造就了ServiceManager的特殊性。于是，在Binder驱动中，将句柄0指定为ServiceManager对应的句柄，通过这个特殊的句柄就能获取ServiceManager对象。这部分的知识后面会详细介绍。

1.4 为什么采用Binder机制，而不是其他的IPC通信方式

前面说过，Android是在Linux内核的基础上设计的。而在Linux中，已经拥有"管道/消息队列/共享内存/信号量/Socket等等"众多的IPC通信手段；但是，Google为什么单单选择了Binder，而不是其它的IPC机制呢？

这肯定是因为Binder具有无可比拟的优势。下面就从 "实用性(Client-Server架构)/传输效率/操作复杂度/安全性" 等几方面进行分析。

第一. Binder能够很好的实现Client-Server架构

对于Android系统，Google想提供一套基于Client-Server的通信方式。
例如，将"电池信息/马达控制/wifi信息/多媒体服务"等等不同的服务都由不同的Server提供，当Client需要获取某Server的服务时，只需要Client向Server发送相应的请求，Server收到请求之后进行处理，处理完毕再将反馈内容发送给Client。

但是，目前Linux支持的"传统的管道/消息队列/共享内存/信号量/Socket等"IPC通信手段中，只有Socket是Client-Server的通信方式。但是，Socket主要用于网络间通信以及本机中进程间的低速通信，它的传输效率太低。

第二. Binder的传输效率和可操作性很好

前面已经说了，Socket传输效率很低，已经被排除。而消息队列和管道又采用存储-转发方式，使用它们进行IPC通信时，需要经过2次内存拷贝！效率太低！

为什么消息队列和管道的数据传输需要经过2次内存拷贝呢？ 首先，数据先从发送方的缓存区(即，Linux中的用户存储空间)拷贝到内核开辟的缓存区(即，Linux中的内核存储空间)中，是第1次拷贝。接着，再从内核缓存区拷贝到接收方的缓存区(也是Linux中的用户存储空间)，这是第2次拷贝。
而采用Binder机制的话，则只需要经过1次内存拷贝即可！ 即，从发送方的缓存区拷贝到内核的缓存区，而接收方的缓存区与内核的缓存区是映射到同一块物理地址的，因此只需要1次拷贝即可。

至于共享内存呢，虽然使用它进行IPC通信时进行的内存拷贝次数是0。但是，共享内存操作复杂，也将它排除。

第三. Binder机制的安全性很高

传统IPC没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保。传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID(用户ID/进程ID)，从而无法鉴别对方身份。而Binder机制则为每个进程分配了UID/PID来作为鉴别身份的标示，并且在Binder通信时会根据UID/PID进行有效性检测。

1.5 Binder中各角色之间关系

先看看下面的关系图

在解释上面的图之前，先解释图中涉及到的几个非常重要的概念。

1. Binder实体

Binder实体，是各个Server以及ServiceManager在内核中的存在形式。
Binder实体实际上是内核中binder_node结构体的对象，它的作用是在内核中保存Server和ServiceManager的信息(例如，Binder实体中保存了Server对象在用户空间的地址)。简言之，Binder实体是Server在Binder驱动中的存在形式，内核通过Binder实体可以找到用户空间的Server对象。
在上图中，Server和ServiceManager在Binder驱动中都对应的存在一个Binder实体。

2. Binder引用

说到Binder实体，就不得不说"Binder引用"。所谓Binder引用，实际上是内核中binder_ref结构体的对象，它的作用是在表示"Binder实体"的引用。换句话说，每一个Binder引用都是某一个Binder实体的引用，通过Binder引用可以在内核中找到它对应的Binder实体。
如果将Server看作是Binder实体的话，那么Client就好比Binder引用。Client要和Server通信，它就是通过保存一个Server对象的Binder引用，再通过该Binder引用在内核中找到对应的Binder实体，进而找到Server对象，然后将通信内容发送给Server对象。

Binder实体和Binder引用都是内核(即，Binder驱动)中的数据结构。每一个Server在内核中就表现为一个Binder实体，而每一个Client则表现为一个Binder引用。这样，每个Binder引用都对应一个Binder实体，而每个Binder实体则可以多个Binder引用。

3. 远程服务

Server都是以服务的形式注册到ServiceManager中进行管理的。如果将Server本身看作是"本地服务"的话，那么Client中的"远程服务"就是本地服务的代理。如果你对代理模式比较熟悉的话，就很容易理解了，远程服务就是本地服务的一个代理，通过该远程服务Client就能和Server进行通信。

理解上面3个概念之后，下面再通过几个典型的通信示例来解析该关系图。

ServiceManager守护进程
ServiceManager是用户空间的一个守护进程。当该应用程序启动时，它会和Binder驱动进行通信，告诉Binder驱动它是服务管理者；对Binder驱动而言，它则会新建ServiceManager对应的Binder实体，并将该Binder实体设为全局变量。为什么要将它设为全局变量呢？这点应该很容易理解--因为Client和Server都需要和ServiceManager进行通信，不将它设为全局变量的话，怎么找到ServiceManager呢！

Server注册到ServiceManager中
Server首先会向Binder驱动发起注册请求，而Binder驱动在收到该请求之后就将该请求转发给ServiceManager进程。但是Binder驱动怎么才能知道该请求是要转发给ServiceManager的呢？这是因为Server在发送请求的时候，会告诉Binder驱动这个请求是交给0号Binder引用对应的进程来进行处理的。而Binder驱动中指定了0号引用是与ServiceManager对应的。
在Binder驱动转发该请求之前，它其实还做了两件很重要的事：(01) 当它知道该请求是由一个Server发送的时候，它会新建该Server对应的Binder实体。 (02) 它在ServiceManager的"保存Binder引用的红黑树"中查找是否存在该Server的Binder引用；找不到的话，就新建该Server对应的Binder引用，并将其添加到"ServiceManager的保存Binder引用的红黑树"中。简言之，Binder驱动会创建Server对应的Binder实体，并在ServiceManager的红黑树中添加该Binder实体的Binder引用。
当ServiceManager收到Binder驱动转发的注册请求之后，它就将该Server的相关信息注册到"Binder引用组成的单链表"中。这里所说的Server相关信息主要包括两部分：Server对应的服务名 + Server对应的Binder实体的一个Binder引用。

Client获取远程服务
Client要和某个Server通信，需要先获取到该Server的远程服务。那么Client是如何获取到Server的远程服务的呢？
Client首先会向Binder驱动发起获取服务的请求。Binder驱动在收到该请求之后也是该请求转发给ServiceManager进程。ServiceManager在收到Binder驱动转发的请求之后，会从"Binder引用组成的单链表"中找到要获取的Server的相关信息。至于ServiceManager是如何从单链表中找到需要的Server的呢？答案是Client发送的请求数据中，会包括它要获取的Server的服务名；而ServiceManager正是根据这个服务名来找到Server的。
接下来，ServiceManager通过Binder驱动将Server信息反馈给Client的。它反馈的信息是Server对应的Binder实体的Binder引用信息。而Client在收到该Server的Binder引用信息之后，就根据该Binder引用信息创建一个Server对应的远程服务。这个远程服务就是Server的代理，Client通过调用该远程服务的接口，就相当于在调用Server的服务接口一样；因为Client调用该Server的远程服务接口时，该远程服务会对应的通过Binder驱动和真正的Server进行交互，从而执行相应的动作。

2. Binder设计解析

有了上面Binder模型的理论基础，接下来就可以逐步来讲解Binder的设计了。实际上，在设计C-S架构时，要考虑以下两个非常重要的因素。

第一，Server要提供接入点

如果C-S架构中的Client和Server属于同一进程的话，那么Client和Server之间的通信将非常容易。只需要在Client端先获取相应的Server端对象；然后，再通过Server对象调用Server的相应接口即可。但是，Binder机制中涉及到的Client和Server是位于不同的进程中的，这也就意味着，不可能直接获取到Server对象。那么怎么办呢？ 那就需要Server提供一个接入点给Client。
这个接入点就是"Server的远程服务代理"！
Client能够获取到Server的远程服务，它就相当于Server的代理。Client要和Server通信时，它只需要调用该远程服务的相应接口即可，其他的工作都交给远程服务来处理。远程服务收到Client请求之后，会和Binder驱动通信；因为远程服务中有Server在Binder驱动中的Binder引用信息，因此远程服务就能轻易的找到对应的Server，进而将Client的请求内容发送Server。

第二，通信协议

Binder机制中，涉及到大量的"内核的Binder驱动 和 用户空间的引用程序"之间的通信。需要指定对应的通信协议，确保通信的安全和正常。关于这部分，稍候再详细展开。

有了上面的两个中心思想之后，再来对Binder驱动的设计和协议进行逐步展开。

2.1 Binder设计

讲解Binder设计时，分为"内核空间"和"用户空间"这两部分进程讲解。内核空间就是Binder驱动中的Binder设计，而用户空间则是Android的C++层中的Binder设计。

2.1.1 内核空间的Binder设计

内核空间的Binder设计涉及到3个非常重要的结构体：binder_proc，binder_node和binder_ref。由于本文的重点是介绍Binder机制的理论知识，因此，在这里我并不打算展开这3个结构体对它们进行详细介绍。当然，后面会再撰文对这些类进行详细说明。这里只需要了解个大概即可。

binder_proc是描述进程上下文信息的，每一个用户空间的进程都对应一个binder_proc结构体。
binder_node是Binder实体对应的结构体，它是Server在Binder驱动中的体现。
binder_ref是Binder引用对应的结构体，它是Client在Binder驱动中的体现。

如上图所示，binder_proc中包含了3棵红黑树。
(01) Binder实体红黑树是保存"binder_proc对应的进程"所包含的Binder实体的，而Binder实体是与Server的服务对应的。可以将Binder实体红黑树理解为Server进程中包行的Server服务的红黑树。
(02) 图中有两棵Binder引用红黑树，这两棵树所包含的Binder引用都是一样的。不同的是，红黑树的排序基准不同，一个是以Binder实体来排序，而另一个则是以Binder引用描述(Binder引用描述实际上就是一个32位的整型数)来排序。以Binder引用描述的红黑树是为了方便进行快速查找。

上图是描述Binder驱动中Binder实体结构体的。如图所示，Binder实体中有一个Binder引用的哈希表，专门来存放该Binder实体的Binder引用。这也如我们之前所说，每个Binder实体则可以多个Binder引用，而每个Binder引用则都只对应一个Binder实体。

2.1.2 用户空间的Binder设计

上面是用户空间中Binder模型图，该图仅仅只描述出Server的相关类图，并没有Client部分。不过不要紧，通过这个Server的模型图，就能理清用户空间的Binder框架。

前面说过，Server是以服务的形式注册到ServiceManager中，而Server在Client中则是以远程服务的形式存在的。因此，这个图的主干就是理清楚本地服务和远程服务这两者之间的关系。
"本地服务"就是Server提供的服务本身，而"远程服务"就是服务的代理；"服务接口"则是抽象出了它们的通用接口。这3个角色都是通用的，对于不同的服务而言，它们的名称都不相同。例如，对于MediaPlayerService服务而言，本地服务就是MediaPlayerService自身，远程服务是BpMediaPlayerService，而服务接口是IMediaPlayerService。当Client需要向MediaPlayerService发送请求时，它需要先获取到服务的代理(即，远程服务对象)，也就是BpMediaPlayerService实例，然后通过该实例和MediaPlayerService进行通信。

图中的ProcessState和IPCThreadState都是采用单例模式实现的，它们的实例都是全局的，而且只有唯一一个。

(01) 当Server启动之后，它会先将自己注册到ServiceManager中。注册时，Binder驱动会创建Server对应的Binder实体，并将"Server对应的本地服务对象的地址"保存到Binder实体中。注册成功之后，Server就进入消息循环，等待Client的请求。
(02) 当Client需要和Server通信时，会先获取到Server接入点，即获取到远程服务对象；而且Client要获取的远程服务对象是"服务接口"类型的。Client向ServiceManager发送获取服务的请求时，会通过IPCThreadState和Binder驱动进行通信；当ServiceManager反馈之后，IPCThreadState会将ServiceManager反馈的"Server的Binder引用信息"保存BpBinder中(具体来说，BpBinder的mHandle成员保存的就是Server的Binder引用信息)。然后，会根据该BpBinder对象创建对应的远程服务。这样，Client就获取到了远程服务对象，而且远程服务对象的成员中保存了Server的Binder引用信息。 
(03) 当Client获取到远程服务对象之后，它就可以轻松的和Server进行通信了。当它需要向Server发送请求时，它会调用远程服务接口；远程服务能够获取到BpBinder对象，而BpBinder则通过IPCThreadState和Binder驱动进行通信。由于BpBinder中保存了Server在Binder驱动中的Binder引用；因此，IPCThreadState和Binder驱动通信时，是知道该请求是需要传给哪个Server的。Binder驱动通过Binder引用找到对应的Binder实体，然后将Binder实体中保存的"Server对应的本地服务对象的地址"返回给用户空间。当IPC收到Binder驱动反馈的内容之后，它从内容中找到"Server对应的本地服务对象"，然后调用该对象的onTransact()。不同的本地服务都可以实现自己的onTransact()；这样，不同的服务就可以按照自己的需求来处理请求。

2.2 Binder通信

Binder通信协议是基于Command-Reply的方式的。

2.2.1 Binder通信模型

下面是Client和Server的交互模型图。

图中的原理很简单。
(01) Server进程启动之后，会进入中断等待状态，等待Client的请求。
(02) 当Client需要和Server通信时，会将请求发送给Binder驱动。
(03) Binder驱动收到请求之后，会唤醒Server进程。
(04) 接着，Binder驱动还会反馈信息给Client，告诉Client：它发送给Binder驱动的请求，Binder驱动已经收到。
(05) Client将请求发送成功之后，就进入等待状态。等待Server的回复。
(06) Binder驱动唤醒Server之后，就将请求转发给Server进程。
(07) Server进程解析出请求内容，并将回复内容发送给Binder驱动。
(08) Binder驱动收到回复之后，唤醒Client进程。
(09) 接着，Binder驱动还会反馈信息给Server，告诉Server：它发送给Binder驱动的回复，Binder驱动已经收到。
(10) Server将回复发送成功之后，再次进入等待状态，等待Client的请求。
(11) 最后，Binder驱动将回复转发给Client。

2.2.2 Binder通信数据

上面是用户空间和内核空间进行交互时，数据的打包方式。例如，当Client向Server发送请求时，Client会将数据打包成上诉格式，然后通过ioctl()发送给Binder驱动。根据数据的层次，从外到里分为3层进行说明。

第一层：这是用户空间的进程调用ioctl(fd,BINDER_WRITE_READ,&bwr)时传递给Binder驱动的信息。fd是Binder驱动的文件句柄，BINDER_WRITE_READ是ioctl()的一个标识，而bwr是传递的数据，它对应是途中的binder_write_read结构体的指针。binder_write_read中以write开头的是保存请求数据的，而read开头的是保存反馈数据的。其中，write_size是请求数据的大小，write_buffer是请求数据的内容，而write_consumed是用来记录请求数据中已经被Binder驱动处理过的数据的大小。

第二层：这层的数据是"事务指令"+"binder_transaction_data结构体"组成的。图中给出的事务指令是BC_TRANSACTION，表示该事务是请求；如果是回复，则是BR_开头的，例如BR_TRANSACTION。binder_transaction_data是描述事务交互数据的结构体；例如，target是指定事务目标，用来表示这个事务是交给谁进行处理的；code是事务编码，用来表示这是一个什么样的事务(例如，注册服务事务/获取服务事务等待)；data是保存事务中具体数据的内存地址。

第三层：这层是有效数据。如果该请求是传递给ServiceManager进行处理的，则有效数据是：消息头+"Server的相关信息"。消息头是用来进行有效性检查的，而"Server的相关信息"则是请求要处理的信息。

http://wangkuiwu.github.io/2014/09/01/Binder-Introduce/