8.7Binder通信机制设计

目录介绍

  • 01.什么是Binder
  • 02.为什么要使用Binder
  • 03.Binder如何进行线程管理
  • 04.Binder的工作流程
  • 05.Binder通信机制原理
  • 06.Binder运行机制
  • 08.举例说明Binder通信

01.什么是Binder

  • 1.直观来说，Binder是Android中的一个类，它继承了IBinder接口。
  • 2.从IPC角度来说，Binder是Android中的一种跨进程通信方式，Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder，该通信方式在linux中没有
  • 3.从Android Framework角度来说，Binder是ServiceManager连接各种Manager（ActivityManager、WindowManager，etc）和相应ManagerService的桥梁
  • 4.从Android应用层来说，Binder是客户端和服务端进行通信的媒介，当你bindService的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象，通过这个Binder对象，客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据，这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务。

02.为什么要使用Binder

  • 在传统的Linux上，我们还是有很多选择可以用来实现进程间通信
    • 如管道、SystemV、Socket等。那么Android为什么不使用这些原有的技术，而是要使开发一种新的叫Binder的进程间通信机制呢？
  • 最简单的回答：
    • 性能：相比传统的Socket更高效；安全：安全性高，支持通信双方进行身份验证。
  • 详细一点说，主要有两个方面的原因：
    • 性能方面
      • 在移动设备上（性能受限制的设备，比如要省电），广泛地使用跨进程通信对通信机制的性能有严格的要求，Binder相对出传统的Socket方式，更加高效。
      • Binder数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、Socket都需要2次，共享内存方式一次内存拷贝都不需要，但实现方式又比较复杂。
    • 安全方面
      • 传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，比如Socket通信ip地址是客户端手动填入，很容易进行伪造。
      • 而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检，因而大大提升了安全性。
    • 还有一些好处，如实现面象对象的调用方式，在使用Binder时就和调用一个本地实例一样。
  • 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效？
    • 跨进程通讯中，只有socket支持Client-Server的通信方式，但是socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。
    • 消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。
    • 共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。
  • 为何说Binder相比传统IPC安全性更高？
    • 首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID和PID（用户ID进程ID），从而无法鉴别对方身份。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。比如命名管道的名称，systemV的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。
    • 基于以上原因，Android需要建立一套新的IPC机制来满足系统对通信方式，传输性能和安全性的要求，这就是Binder。
    • Binder基于Client-Server通信模式，传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份，既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高。

03.Binder如何进行线程管理

  • Binder中是如何进行线程管理的？
    • 每个Binder的Server进程会创建很多线程来处理Binder请求，可以简单的理解为创建了一个Binder的线程池吧（虽然实际上并不完全是这样简单的线程管理方式），而真正管理这些线程并不是由这个Server端来管理的，而是由Binder驱动进行管理的。
    • 一个进程的Binder线程数默认最大是16，超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。理解这一点的话，你做进程间通信时处理并发问题就会有一个底，比如使用ContentProvider时（又一个使用Binder机制的组件），你就很清楚它的CRUD（创建、检索、更新和删除）方法只能同时有16个线程在跑。
  • 总结binder讲的是什么？
    • 通常意义上来说，Binder就是指Android的通信机制；
    • 对于服务端进程来说，Binder指的是Binder本地对象，对于客户端进程来说，Binder指的是Binder代理对象。
    • 对于传输过程来说，Binder是可以进行跨进程传递的对象；

04.Binder的工作流程

  • Binder的工作流程是怎样的？
    • 1客户端首先获取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服务器进程处理用户请求，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客户端收到服务端的返回结果。
  • binder工作流程图如下所示：
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  • Binder主要能提供哪些功能？
    • 用驱动程序来推进进程间的通信。
    • 通过共享内存来提高性能。
    • 为进程请求分配每个进程的线程池。
    • 针对系统中的对象引入了引用计数和跨进程的对象引用映射。
    • 进程间同步调用。

05.Binder通信机制原理

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  • Server进程向ServiceManager注册，告诉ServiceManager我是谁，我有什么，我能做什么。就好比徐同学（Server进程）有一台笔记本（computer对象），这台笔记本有个add方法。这时映射关系表就生成了。
  • Client进程向ServiceManager查询，我要调用Server进程的computer对象的add方法，可以看到这个过程经过Binder驱动，这时候Binder驱动就开始发挥他的作用了。当向ServiceManager查询完毕，是返回一个computer对象给Client进程吗？其实不然，Binder驱动将computer对象转换成了computerProxy对象，并转发给了Client进程，因此，Client进程拿到的并不是真实的computer对象，而是一个代理对象，即computerProxy对象。很容易理解这个computerProxy对象也是有add方法，（如果连add方法都没有，岂不是欺骗了Client？），但是这个add方法只是对参数进行一些包装而已。
  • 当Client进程调用add方法，这个消息发送给Binder驱动，这时驱动发现，原来是computerProxy，那么Client进程应该是需要调用computer对象的add方法的，这时驱动通知Server进程，调用你的computer对象的add方法，将结果给我。然后Server进程就将计算结果发送给驱动，驱动再转发给Client进程，这时Client进程还蒙在了鼓里，他以为自己调用的是真实的computer对象的add方法，其实他只是调用了代理而已。不过Client最终还是拿到了计算结果。

06.Binder运行机制

  • Binder基于Client-Server通信模式，除了Client端和Server端，还有两角色一起合作完成进程间通信功能。
  • Binder通信的四个角色：
    • Client进程：使用服务的进程。
    • Server进程：提供服务的进程。
    • ServiceManager进程：ServiceManager的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。
    • Binder驱动：驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。
  • 接触这些概念可能会觉得难于理解，读者可以把四个角色和熟悉的互联网进行类比：
    • Server是服务器，Client是客户终端，ServiceManager是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

08.举例说明Binder通信

  • 我们知道应用进程与SystemServer进程属于两个不同的进程，进程之间需要通讯。举例子比如说：AMS通信
    • android系统采取了自身设计的Binder机制，这里的ActivityManagerProxy和ActivityManagerNative都是继承与IActivityManager的而SystemServer进程中的ActivityManagerService对象则继承与ActivityManagerNative。
  • 简单的表示：Binder接口 --> ActivityManagerNative/ActivityManagerProxy --> ActivityManagerService；
    • 这样ActivityManagerNative与ActivityManagerProxy相当于一个Binder的客户端
    • 而ActivityManagerService相当于Binder的服务端
    • 这样当ActivityManagerNative调用接口方法的时候底层通过Binder driver就会将请求数据与请求传递给server端，并在server端执行具体的接口逻辑。
    • 需要注意的是Binder机制是单向的，是异步的，也就是说只能通过client端向server端传递数据与请求而不同等待服务端的返回，也无法返回，
    • 那如果SystemServer进程想向应用进程传递数据怎么办？这时候就需要重新定义一个Binder请求以SystemServer为client端，以应用进程为server端，这样就是实现了两个进程之间的双向通讯。
贡献者: yangchong211