Anciroid的IPC机制-Binder原理

Binder驱动的原理和实现
通过上一节的介绍，大家应该对Binder有了基本的认识了。任何上层应用程序接口和用户操作都需要底层硬件设备驱动的支持，并为其提供各种操作接口。本节首先从Binder的驱动实现人手，分析其原理和它提供给用户层使用的接口。
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。在实际的实现中，IBinder是作为一个特殊的字符型设备而存在的，设备节点为
/dev/binder，其实现遵循Linux设备驱动模型，实现代码主要涉及以下文伴：
（1）kemel/drivers/staging/binder.h
（2）kernel/drivers/staging/binder.c
在其驱动的实现过程中，主要通过bjnder ioctl函数与用户空间的进程交换数据。BINDER WRITE．- READ用来读写数据，数据包中有一个cmd域用于区分不同的请求。binder thread_ write函数用于发送请求或返回结果，而binder thread read函数则用于读取结果。

在binder thread—write函数中调用binder transaction函数来转发请求并返回结果。当收到请求时，binder transaction函数会通过对象的handle找到对象所在的进程，如果handle为空，就认为对象是context__ mgr，把请求发给context_mgr所在的进程。请求中所有的Binder对象全部放到一个RB树中，最后把请求放到目标进程的队列中，等待目标进程读取。数据的解析工作放在binder_parser中实现；关于如何生成context__ mgr，内核中提供了BINDER。SET_ CONTEXTMGR命令来完成此项功能。下面我们就来看看Binder驱动究竟是如何实现的。
3.2.2 Blnder驱动的实现
上面我们已经对Binder驱动的原理进行了分析，在开始分析驱动的实现之前，我们还是通过一个例子来说明Binder在实际应用中应该如何运用，以及它能帮我们解决什么样的问题。这样会更容易帮助大家理解Binder驱动的实现。比如，A进程如果要使用B进程的服务，B进程首先要注题此服务，A进程通过Binder荻取该服务的hanlde，通过这个handle，A进程就可以使用该服务了。此外，你可以把handle理解成地址。A进程使用B进程的服务还意味着二者遵循相同的协议，这个协议反映在代码上就是二者要实现IBinder接口。
1．“对象”与“引用”
Binder不仅是Android系统中的一个完善的IPC机制，它也可以被当作Android系统的一种RPC（远程过程调用）机制，因为Binder的功能就是在本地“执行”其他进程的功能。因此，进程在通过Binder获取将要调用的进程服务时，可以是一个本地对象，也可以是一个远程服务的“引用”。这一点可能比较难以理解，稍候就会为大家分析，这里就先记住Binder不仅可以与本地进程通信，还可以与远程进程通信；这里的本地进程就是我们所说的本地对象，而远程进程则是我们所说的远程服务的一个“引用”。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。如果是本地对象，更好理解；如果是远程对象，就按照我们上面所讲的来理解，即将远程对象的“引用”从一个进程映射到另一个进程中，于是当使用这个远程对象时，实际上
就是使用远裎对象在本地的一个“引用”，类似于把这个远程对象当作一个本地对象在使用。这也就是Binder与其他IPC机制不同的地方。
这个本地“对象”与远程对象的“引用”有什么不同呢？本地“对象”表示本地进程的地址空间的一个地址，而远程对象的“引用”则是一个抽象的32位句柄。它们之间是互斥的：
所有的进程本地对象都是本地进程的一个地址( address、ptr、binder)，所有的远程进程的对象的“引用”都是一个句柄。对于发送者进程来说，不管是“对象”还是“引用”，它都会认为被发送的Binder对象是一个远程对象的句柄（即远程对象的“引用”）。但是，当Binder对象的数据被发送至日远端接收进程时，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）。正如我们之前说的，当Binder对象被接收进程接收后，不管该Binder对象是
 “引用”这个词并不是官方所描述的，而是笔者为了方便大家理解，将其称为引用，或许你有更好的描述。

本地的还是远程的，它都会被当作一个本地进程来处理。因此，从第三方的角度来说，尽管名称不同，对于一次完整的Binder调用，都将指向同一个对象，Binder驱动则负责两种不同名称的对象的正确映射，这样殖能把数据发送给正确的进程进行通信。这个映射关系也是进程间引用对象的基础，对一个对象的引用，在远程是句柄，在本地则是地址（即本地对象的地址）。下面我们先介绍分析该机制中所使用的数据结构体，然后再对整个流程进行分析。
2．loincier Work
首先来看一个最简单也是最基础的结构体binder work，其定义如代码清单3-1所示。
代码清单3-1 binder vork定义
struct /oinder_work {
struct list head entry;
enum {
BINDER_WORK_TRANSACT工ON = l,
BINDER _WORK_TRANSACTION_COMPLETE ,
B工NDER_WORK_NODE ,
BINDER_WORK_DEAD_BINDER,
BINDER_WORK_DEAD_BINDER_AN D_CLEAR r
BINDER WORK CLEAR DEATH NOTIFICATION,
} type;
萁中entry被定义为list head，用来实现一个双向链表，存储所有binder work的队列；此外，还包含一个enum类型的type，表示binder work的类型，后文会对这些类型进行详细分析，
大家就会觉得它更像是一个用来表示状态的enum。
3.Binder的类型
Binder的类型是使用定义在binder.h头文件中的一个enum来表示的，定义如代码清单3-2
所示。
代码清单3-2 Binder类型
#define B_PACK_CHARS (cl, c2, c3, c4) \
#define B TYPE LARGE Ox85
enum {
BINDER TYPE BINDER =B PACK_CHARS(’s’, ’b’, ’★’,B_TYPE_LARGE),
BINDER TYPE WEAK BINDER =B PACK CHARS( 'W', 'b', ’★’,B_TYPE_lARGE),
BINDER TYPE HANDLE =B PACK_CHARS(’s’, 'h', ’★’, B_TYPE_LARGE),
BINDER TYPE WEAK HANDLE =B PACK CHARS( 'W', 'h!, ’★’, B_TYPE_LARGE),
BINDER TYPE FD =B PACK_CFiARS(7f’, ’d’, ’★’,B_TYPE_LARGE),
}；
从上面的代码可以看出，Binder被分成了5个不同的类型，但是仔细一看却是3个不同的大类，它们分别是：本地对象(BINDER TYPE BINDER. BINDER TYPE l;VEAK BINDER).

远程对象的“引用”( BINDEIL TYPE HANIDLE、BINDER TYPE WEAK HANDLE)的文件
( BINDER—TYPE FD)。前面两种都是我们刚刚分析过的，下面主要分析最后一种——文件（BINDER_ TYPE FD）。如果传递的是BINDER TYPE FD类型，其实还是会将文件映射到句
柄上，根据此fd找到对应的文件，然后在目标进程中分配一个fd，最后把这个fd赋值给返回的句柄。
4。Binder对象
我们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（位于binder.h文件中）来表示，其定义如代码清单3-3所示。
代码清单3-3 flat_binder_object定义
struct flat_ binder_object {
unsigned long type;
unsigned long flags;
union t
void *obinder ;
signed long handle;
};
void *cookie;
该结构体中的type字段描述的是Binder的粪型，传输的数据是一个复用数据联合体。对于Binder类型，数据就是一个Binder本地对象；HANDLE类型，就是一个远程的handle句柄。
本地Binder对象和远程handle句柄比较难以理解，这里我们再次举例说明：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。因此，从根本上来说，handle和Binder都指向O。如果是本地对象，Binder还可以带有额外的数据，这些数据将被保存到cookie字段中。flags字段表示传输方式，比如同步和异步等，其值同样使用一个enum来表示，定义如代码清单3-4所示。其中TF ONEWAY表示单向传递，是异步的，不需要返回；TFROOT OBJECT表面；内容是一个组建的根对象，对应类型为本地对象Binder; TF STATUS CODE表示内容是一个32位的状态码，将对应类型为远程对象的“引用”(即句柄handle); TF ACCEPT FDS表面；可以接收一个文件描述符，对应的类型为文件（BIND嚣R TYPE FD），即handle中存储的为文件描述符。

5. lobinder transaction ciata
其实我们并没有从flat binder_object结构体中看到Binder对象所传递的实际内容，因为Binder对象所传递的实际内容是通过另外一个结构体binder transaction data来表示的，其定义如代码清单3-5所示。
代码清单3-5 binder_transaction—data定义
structbinder—transaction_data {
union{
size—t handle；
void xptr;
) target;
void *cookie;
unsigned int code;
unsigned int flags;
pid_t sender_pid;
uid—t sender—euid;
size—t data—size;
size—t offsets—size;
union f
struct f
const void *buffer;
const void *offsets;
} ptr;
uint8一t buf[8]；
} data;
}j
该结构体是理解Binder驱动实现的关键，下面将详细地对一个重要的数据进行分析。其中target字段又足一个复合联合体对象，target字段中的handle是要处理此事件的目标对象的句柄，根据此handle，Binder驱动可以找到应该由哪个进程处理此事件，并且把此事件的任务分发给一个线程，而那个线程也正在执行ioctl的BINDER- WRITE_ READ操作，即正在等待一个请求（见3.1节和3.2.1节），处理方法将稍候分析。target的ptr字段与handle对应，对于请求方，使用handle来指出远程对象；对于响应方，使用ptr来寻址，以便找到需要处理此事件的对象。所以handle和ptr是一个事物的两种表达（正如前面所说的本地对象和远程对象的“引用”），handle和ptr之间的翻译（解析）关系正是Binder驱动需要维护的（在binder_ transaction函数中，稍候分析）。
另外，该结构体中的cookie字段表示target对象所附加的额外数据；code是一个命令，它描述了请求Binder对象执行的操作；flags字段描述了传输的方式与flat binder_object中的flags字段对应；sender_pid和sender_ euid表示该进程的pid和uid;data size裹示数据的大小字节数；offsets_ size表示数据的偏移量字节数；最后一个union数据data表示真正的数据，其中ptr表看；与target->ptr对应的对象的数据，buf表示与handle对象对应的数据，data中的ptr中的buffer