Binder基本概念流程学习

 

一 Media Service进程启动

Init.rc中描述的service对应linux 的进程：

Media进程定义：

service media /system/bin/mediaserver
    class main
    user media
    group audio camera inet net_bt net_bt_admin net_bw_acct drmrpc
    ioprio rt 4

servicemanager 进程定义：

service servicemanager /system/bin/servicemanager
    class core
    user system
　　group system

　　Media中有很多Native Service（AudioFlinger MediaPlayerService CameraService 
AudioPolicyService等），整个Android（native或者framework）的Service都需要加入
servicemanager中进行统一管理。
　　那么Media Process 与ServiceManager Process是如何进行通信的呢——Binder.
通过Media Process中使用binder进行完成IPC过程，学习Binder的概念和使用方法。

\frameworks\av\media\mediaserver\ main_mediaserver.cpp：

int main(int argc, char** argv)
{
    //创建ProcessState 当前进程属性
    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
    
    //IServiceManager对象
    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
    
    //初始化MediaPlayerService服务对象
    MediaPlayerService::instantiate();
    ……
    
    //启动进程的线程池
    ProcessState::self()->startThreadPool();
    //执行线程消息循环
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}

　　Sp：指针运算符和普通运算符的重载 StrongPointer。

二 Media Process执行过程

1 ProcessState对象创建

当前进程的状态属性，对象创建：

sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);
    if (gProcess != NULL) {
        return gProcess;
    }
    gProcess = new ProcessState;
    return gProcess;
}

ProcessState构造函数：

ProcessState::ProcessState()
    : mDriverFD(open_driver())    //打开binder驱动设备
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(NULL)
    , mBinderContextUserData(NULL)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mThreadPoolSeq(1)
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        //将binder的fd映射到当前进程虚拟空间地址中 与binder进行交互
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, 
　　　　　　　　MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
    }
}

打开binder设备：

static int open_driver()
{
    //打开binder设备驱动
    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
    if (fd >= 0) {
        //bidner最大支持线程数
        size_t maxThreads = 15;
        result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
    }
    return fd;
}

ProcessState对象创建过程所做的事：
　　打开/dev/binder设备，得到binder设备的fd；
　　将bidner设备fd映射到当前进程虚拟地址空间建立交互的通道；

2 IServiceManager对象创建
　　sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
为什么需要一个IServiceManager对象呢，这个类是个抽象提供接口

class IServiceManager : public IInterface
{
    virtual sp<IBinder> getService( const String16& name) const = 0;
    virtual status_t addService( const String16& name,
                             const sp<IBinder>& service,
                             bool allowIsolated = false) = 0;
    ……                                    
};

　　通过IServiceManager派生对象操作将Service加入到ServiceManager中.

defaultServiceManager()函数：

sp<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
    //单例对象
    if (gDefaultServiceManager != NULL) 
        return gDefaultServiceManager;

    AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock);
    if (gDefaultServiceManager == NULL) {
        //创建对象
        gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(
                ProcessState::self()->getContextObject(NULL));
    }
    return gDefaultServiceManager;
} 

ProcessState::self()->getContextObject(NULL)：得到一个IBinder对象

　　ProcessState::self()刚才所创建的ProcessState对象。

sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& caller)
{
    return getStrongProxyForHandle(0);
}

sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle)
{
    sp<IBinder> result;
    AutoMutex _l(mLock);
    //从表中查询一个handle对应的handle_entry 
    //若没有则创建一个 handle == 0
    handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle);

    if (e != NULL) {
        IBinder* b = e->binder;
        if (b == NULL || !e->refs->attemptIncWeak(this)) {
            //handle_entry对象成员初始化 创建handle=0的BpBinder 
            b = new BpBinder(handle); 
            e->binder = b;
            if (b) e->refs = b->getWeakRefs();
            result = b;
        }
    }
    return result;
}

　　handle_entry是什么呢？

　　　　　　struct handle_entry {
                IBinder* binder;
                RefBase::weakref_type* refs;
            };

　　也就是说ProcessState 有一个表Vector<handle_entry>mHandleToObject;

表里面的每一项存储了一个binder，每一个binder对应一个handle。

　　

　　Handle = 0是什么，句柄？ 代表谁的句柄——ServiceManager在binder中的资源。
从ProcessState::self()->getContextObject(NULL)得到一个 IBinder——BpBinder(0);
于是得到：
　　gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(BpBinder(0))；

使用interface_cast将IBinder实例转化成IServiceManager实例。

3 interface_cast函数

\frameworks\native\include\binder\IInterface.h：

interface_cast是个内联模板函数：　

template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
    return INTERFACE::asInterface(obj);
}

结合前面就是：

inline sp<IServiceManager> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
    return IServiceManager::asInterface(obj);
}

所以需要到IServiceManager里面去看看是如何实现的

4 IServiceManager类

\frameworks\native\include\binder\IServiceManager.h：

IServiceManager是一个抽象类：

class IServiceManager : public IInterface
{
　　public:
      //宏声明
    DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);
    virtual sp<IBinder> getService( const String16& name) const = 0;
    virtual status_t addService( const String16& name,
                                 const sp<IBinder>& service,
                                 bool allowIsolated = false) = 0;
    ……
}

DECLARE_META_INTERFACE声明：

#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               \
    static const android::String16 descriptor;                          \
    static android::sp<I##INTERFACE> asInterface(                       \
            const android::sp<android::IBinder>& obj);                  \
    virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;    \
    I##INTERFACE();                                                     \
    virtual ~I##INTERFACE();                                            \ 

替换成IServiceManager：

//实现时传入：android.os.IServiceManager
static const android::String16 descriptor; 
static android::sp<IServiceManager> asInterface( 
const android::sp<android::IBinder>& obj); 
virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const; 
//构造析构函数
IServiceManager(); 
virtual ~IServiceManager(); 

实现\frameworks\native\include\binder\IServiceManager.cpp：

IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager, "android.os.IServiceManager");

IMPLEMENT_META_INTERFACE实现：
看一下asInterface接口：

#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \
    android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(                \
            const android::sp<android::IBinder>& obj)                   \
    {                                                                   \
        android::sp<I##INTERFACE> intr;                                 \
        if (obj != NULL) {                                              \
            intr = static_cast<I##INTERFACE*>(                          \
                obj->queryLocalInterface(                               \
                        I##INTERFACE::descriptor).get());               \
            if (intr == NULL) {                                         \
                intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          \
            }                                                           \
        }                                                               \
        return intr;                                                    \
}       　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 \

替换成IServiceManager:

android::sp<IServiceManager> IServiceManager::asInterface(                
            const android::sp<android::IBinder>& obj)                   
{   
        //obj BpBinder实例                                                                
        android::sp<IServiceManager> intr;                                
        if (obj != NULL) {
            //返回NULL                                        
            intr = static_cast<IServiceManager*>(                          
                obj->queryLocalInterface(                               
                        IServiceManager::descriptor).get());              
            if (intr == NULL) {                                         
                intr = new BpServiceManager(obj);                          
            }                                                           
        }                                                               
        return intr;                                                    
}

这里得到IServiceManager 实例：

　　BpServiceManager：new BpServiceManager（new BpBinder（0））；

5 BpServiceManager 和 BpInterface类

\frameworks\native\libs\binder\ IServiceManager.cpp：BpServiceManager

class BpServiceManager : public BpInterface<IServiceManager>
{
public:
      //impl就是 new BpBinder（0）
    BpServiceManager(const sp<IBinder>& impl)
        : BpInterface<IServiceManager>(impl)
    {
    }

    virtual sp<IBinder> checkService(const String16& name) const
    {
        ……
        remote()->transact(CHECK_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
    }

    virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service,
            bool allowIsolated)
    {
        ……
        remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
    }
}

\frameworks\native\include\binder\ IInterface.h：模板类BpInterface

template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase    // INTERFACE IServiceManager
{
　　public:
　　　　BpInterface(const sp<IBinder>& remote);
　　protected:
　　　　virtual IBinder* onAsBinder();
};

BpInterface构造函数：

template<typename INTERFACE>
inline BpInterface<INTERFACE>::BpInterface(const sp<IBinder>& remote)
: BpRefBase(remote)
{

}

BpRefBase构造函数：

BpRefBase::BpRefBase(const sp<IBinder>& o)
: mRemote(o.get()), mRefs(NULL), mState(0)
{
　　// IBinder mRemote 指向 o.get() ：new BpBinder（0）
}

　　gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(BpBinder(0))；
实际为：
　　gDefaultServiceManager = new BpServiceManager（new BpBinder（0））；
Bn代表Binder Native Bp代表Binder Proxy
BpServiceManager代理的BpBinder实例 BpBinder代理的handle（0）

这个关系有些复杂，看一下类继承结构图：

　　

　　上面这个结构看起来感觉很熟悉——Bridge模式。将Binder数据交互和功能处理桥接起来。

在Media Process 的main函数中通过：

　　sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
　　我们得到了sm：是BpServiceManager对象。

三 MediaPlayerService加入到ServiceManager中

回到main函数中：

int main(int argc, char** argv)
{
    //创建ProcessState 当前进程属性
    sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());

    //IServiceManager对象
    sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();

    //初始化MediaPlayerService服务对象
    MediaPlayerService::instantiate();     //执行到这里
    ……

    //启动进程的线程池
    ProcessState::self()->startThreadPool();
    //执行线程消息循环
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}

1 MediaPlayerService初始化过程

void MediaPlayerService::instantiate() {
　　// defaultServiceManager就是上面所述得到的BpServiceManager对象
　　defaultServiceManager()->addService(
　　　　String16("media.player"), new MediaPlayerService());
}

BpServiceManager添加Service：

virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service,
            bool allowIsolated)
{
        //生成数据包Parcel
        Parcel data, reply;
        // Write RPC headers 写入Interface名字 得到“android.os.IServiceManager”
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
        //写入Service名字 “media.player”
        data.writeString16(name);
        //写入服务
        data.writeStrongBinder(service);
        data.writeInt32(allowIsolated ? 1 : 0);
        // remote()返回BpBinder对象
        status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
        return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;
}

remote()->transact 到BpBinder中：

status_t BpBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
if (mAlive) {
        //到当前进程IPCThreadState中 mHandle=0
        status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
            mHandle, code, data, reply, flags);
        if (status == DEAD_OBJECT) mAlive = 0;
        return status;
    }
    return DEAD_OBJECT;
}

 

2 IPCThreadState中写入数据到Binder设备过程

IPCThreadState::self()->transact过程：

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;
    //将数据转化成binder_transaction_data 写入到Parcel实例mOut中
    err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, NULL);
    //写入数据
    err = waitForResponse(reply);
    return err;
} 

status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult)
{
    while (1) {
        //将数据写入到Binder设备中
        talkWithDriver();
        ……
    }
    return err;
}

status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
    //将数据封装成binder_write_read结构
    binder_write_read bwr;

    do {
        //将数据写入到所打开的Binder设备中
        ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr)
        ……
    
    } while (err == -EINTR);
    return NO_ERROR;
}

　　将MediaPlayerService加入到ServiceManager中，

这里就通过BpServiceManager的AddService将数据写入到Binder设备传递给ServiceManager。

继续Media Process过程

四 Media Process消息循环

int main(int argc, char** argv)
{
    //启动进程的线程池    
    ProcessState::self()->startThreadPool();     //走到了这里

    //执行线程消息循环
    IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}

1 创建工作者线程

startThreadPool：\frameworks\native\libs\binder\ ProcessState.cpp：

void ProcessState::startThreadPool()
{
    spawnPooledThread(true);
}

void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
    //创建PoolThread对象 并run ，非线程
    sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
　　t->run(buf);
}

　　PoolThread继承Thread

执行Thread的run函数：

status_t Thread::run(const char* name, int32_t priority, size_t stack)
{
    //创建线程mThread _threadLoop
    bool res;
    res = createThreadEtc(_threadLoop,
    this, name, priority, stack, &mThread);

    return NO_ERROR;
}

现在有两个线程：主线程和mThread线程

mThread线程执行：_threadLoop

int Thread::_threadLoop(void* user)
{
    Thread* const self = static_cast<Thread*>(user);
    do {
        //调用子类的threadLoop
        result = self->threadLoop();
        ……
    } while(strong != 0);
    return 0;
}

class PoolThread : public Thread
{
protected:
    virtual bool threadLoop()
    {
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
        return false;
    }
};

2 进程间通信消息循环过程

消息循环：

void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
    mOut.writeInt32(isMain ? BC_ENTER_LOOPER : BC_REGISTER_LOOPER);
    status_t result;    
    //消息循环
    do {
        int32_t cmd;
        //从binder设备中读取命令
        result = talkWithDriver();
        if (result >= NO_ERROR) {
            cmd = mIn.readInt32();
            //执行命令
            result = executeCommand(cmd);
        }
           ……
    } while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
    
    mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);
    talkWithDriver(false);
}

命令执行：

status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
    BBinder* obj;
    RefBase::weakref_type* refs;
    switch (cmd) {
    case BR_DECREFS:
        break;
    case BR_ATTEMPT_ACQUIRE:
        break;
case BR_TRANSACTION:
　　binder_transaction_data tr;
    result = mIn.read(&tr, sizeof(tr));
      if (tr.target.ptr) {
        //将目标对象转化成BBinder
        sp<BBinder> b((BBinder*)tr.cookie);
        //调用BBinder的transact 函数
       const status_t error = b->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);
      }
        break;
    ……
    default:
    }
    return result;
}

　　binder_transaction_data.cookie：target object cookie目标对象，这个target object是指那个呢？

在Media Process里面有几个Service：AudioFlinger、MediaPlayerService、CameraService等。

这个目标是这其中Service中的一个，假设目标对象为为MediaPlayerService，那为何要转化成BBinder呢？

3 Service对命令的处理

　　线程从binder接收到消息命令，将命令传递给Service处理。将目标对象转化成BBinder，然后调度此命令；

命令从远端传递到本地端进行处理，每个Service都对应BnXXX对象来处理远端BpXXX传来的命令。
　　sp<BBinder> b((BBinder*)tr.cookie);
　　const status_t error = b->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);
　　这里b代表某个Service：假设为MediaPlayerService；弄清楚执行过程，要弄清楚类继承关系。

　　　　

　　本地端BnMediaPlayerService消息处理过程：真正的对象是MediaPlayerService实例。
从BBinder ->transact开始传递：

status_t BBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
    //onTransact是个virtual函数 派生类BnMediaPlayerService重写
    err = onTransact(code, data, reply, flags);
    return err;
}

status_t BnMediaPlayerService::onTransact(
    uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
    switch (code) {
        case CREATE: {
            pid_t pid = data.readInt32();
            sp<IMediaPlayerClient> client =
                interface_cast<IMediaPlayerClient>(data.readStrongBinder());
            //create是个virtual函数 派生类MediaPlayerService重写
            sp<IMediaPlayer> player = create(pid, client, audioSessionId);
            //创建player写入到数据包中 传回
            reply->writeStrongBinder(player->asBinder());
            return NO_ERROR;
        } break;
        ……
        default:
            return BBinder::onTransact(code, data, reply, flags);
    }
}

可以看看Client类继承关系结构图：

　　　　

　　看到这个跟上面的MediaPlayerService继承关系非常的相似，

　　这个结构也非常的熟悉——Adapter模式；将binder消息交互和命令处理适配到一起。

五 Client端与Service端交互

　　Client对Service进行使用Binder通信，是得到一个Service BnXXX端对象的代理，在Client 为BpXXX代理，

然后使用此代理进行相关的操作. 前面在使用ServiceManager就是此种方式进行。

　　实际上通信的基础是Binder，Proxy不过是在Binder上进行了一层封装，封装了对binder驱动的底层操作，使具有面向对象的特性。

任意两个进程通过Binder进行通信，就是先得到另一个进程的binder标识，通过此binder进行数据交换。

　　　　

1 新增加一个服务
看下面media Palyer类继承结构。
实现Bn端类继承结构：

　　　　

实现Bp端类继承结构：

　　　　

可以看到 ：

• 　　需要定义服务公共接口IMediaPlayerService；
• 　　实现服务Bn端 派发消息BnMediaPlayerService；
• 　　实现服务的命令处理MediaPlayerService；
• 　　实现服务代理BpMediaPlayerService；

2 Client获取Service服务

　　Native Service以及framework Service都是加入到ServiceManger中，

不管native端还是Framework端得Service 其实都是要满足上面远程对象代理结构。

native端获取service：

//获取ServiceManager的代理对象
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
//通过ServiceManager获取media Service binder
binder = sm->getService(String16("media.player"));
//将binder封装 构造media Service代理对象 BpMediaPlayerService
sMediaPlayerService = interface_cast<IMediaPlayerService>(binder);

framework层的service，借助AIDL文件，实现跨进程的通信：

　　所有framework端service想要作为公共的服务，被别的应用程序调用，都要实现AIDL文件，服务要继承该AIDL文件内部类Stub。
其实AIDL文件是对Framework中service作为进程通信的框架的封装，系统自动生成中间需要的代码和步骤，统一结构：还是binder代理，服务代理。

下面看看PowerManagerService实现。
PowerManagerService服务：

\frameworks\base\services\java\com\android\server\PowerManagerService.java

public class PowerManagerService extends IPowerManager.Stub……
{
　　public void goToSleep(long time){
　　　　……
　　}
}；

AIDL文件：\frameworks\base\core\java\android\os\IPowerManager.aidl
interface IPowerManager
{
　　void goToSleep(long time);
　　……
}

AIDL对应的Java文件：
　　AIDL会自动生成一个对应的Java的interface文件，看看这个接口文件。
　　AIDL自动生成对应java文件位置：\out\target\common\obj\JAVA_LIBRARIES\framework_intermediates\src\core\java\android\os

public interface IPowerManager extends android.os.IInterface {
    //IPowerManager 内部类 Stub
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements
            android.os.IPowerManager {
        public static android.os.IPowerManager asInterface(
                android.os.IBinder obj)
        {
            //生成一个Proxy对象
            return new android.os.IPowerManager.Stub.Proxy(obj);
        }
        public android.os.IBinder asBinder() {
            return this;
        }
        @Override
        public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data,
                android.os.Parcel reply, int flags)
        {
            switch (code) {
                case TRANSACTION_goToSleep：
                this.goToSleep(_arg0);
                return true;
                ……
            }
        }
        //Stub内部类Proxy 
        private static class Proxy implements android.os.IPowerManager {
            private android.os.IBinder mRemote;
            Proxy(android.os.IBinder remote) {
                mRemote = remote;
            }
            public void goToSleep(long time) 
            {
                //将数据打包成Parcel
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                _data.writeLong(time);
                //传输数据到binder 到相关的Service 进程
                // IPCThreadState::transact方法中完成
                mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_goToSleep, _data, _reply,0);
                _reply.readException();
            }
        }
    }
    //goToSleep接口对应的ID
    static final int TRANSACTION_goToSleep = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 2);
    //接口
    public void goToSleep(long time);
}

看下其中类结构：

　　　　

AIDL自动生成对应的java文件，将结构过程进行了统一，自动生成中间代码。

Application获取用Service：

IPowerManager m mPowerManagerService;
//获取service的bingder
IBinder binder = ServiceManager.getService("power")；
//创建service代理对象
mPowerManagerService = IPowerManager.Stub.asInterface(binder);
//调用接口
mPowerManagerService.goToSleep();

Native Service和 Framework Service结构方式基本一致的。

 

进程间通信Linux系统已经提供了很多方式，比如Socket，为什么Android非要另辟蹊径，设计了Binder呢？

　　可以阅读一下：http://www.cnblogs.com/bastard/archive/2012/10/17/2728155.html

　　Game Over ！

参考文档：
　　http://www.cnblogs.com/innost/archive/2011/01/09/1931456.html
　　http://blog.csdn.net/maxleng/article/details/5490770

注：

　　“我们其实还一部分没有研究，就是同一个进程之间的对象传递与远程传递是区别的。同一个进程间专递服务地和对象，

　　就没有代理BpBinder产生，而只是对象的直接应用了。应用程序并不知道数据是在同一进程间传递还是不同进程间传递，

　　这个只有内核中的Binder知道，所以内核Binder驱动可以将Binder对象数据类型从BINDER_TYPE_BINDER修改为

　　BINDER_TYPE_HANDLE或者BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE作为引用传递。”  ——来自上述地址

　　这个可以看到在SystemServer运行的Service之间使用时，直接转化成了对应的对象，而不是通过代理。