Android10_原理机制系列_Binder机制

前言

Binder 从java到c++到kernel,涉及的内容很多,很难在一篇文章中说清楚。这篇主要是自我记录,方便后续查询并拆分总结的。
因为涉及的的确非常多,不能面面俱到,所以可能一些地方感觉比较模糊、没说明白的。这需要自己去阅读了解。文章很长,需要耐心。
关于基础部分,并不是都要了解了才行,而是要完全弄清楚Binder各个层次需要,列出的一些需要多关注的知识点。
另外,该篇文章着重在注册服务和获取服务的过程,有详细的代码流程(这个有点复杂、占篇幅很大部分)辅助理解 注册和获取服务过程的整体思想把握。

基础

不做详细介绍,只是列出。
如前言所说,基础部分并非都要全部了解才可理解Binder。只是列出的需要多关注的地方。

进程空间

这里的进程空间就是进程在内存中的空间。在linux中,有

  • 进程分为内核空间和用户空间。 内核空间存放内核的代码和数据,用户空间存放用户程序的代码和数据。
  • 每个进程通过系统调用进入内核空间。 进程通过系统调用进入内核运行,这时被称为内核态 。当进程执行程序自己的代码时,称为用户态
  • 所有进程共享同一个内核空间。
  • 内核空间为内核保留,一直驻存在内存中。 不允许应用读写该区域或者直接调用内核代码方法。
  • 用户空间不能直接访问硬件设备。

Binder跨进程通信,就是借用了这个。
示意图:
user_kernel_space
进程了解 可以参考下:浅谈进程&线程

IPC基础

需要清楚:进程是独立的,一个进程不能直接访问另一个进程。

进程间如果需要交换数据、进行通信,这个就是IPC(进程间通信/跨进程通信)。可以参考相关文章大致了解下:
随笔分类 - Android_系统_进程线程

内存映射(mmap)

这里简单将,就是将用户空间一段内存地址映射到内核空间,映射关系建立后,任一修改都能反应到另一方。

Parcel

一个容器对象,包含数据和对象引用,支持序列化和跨进程后的反序列化。这里主要用于binder的跨进程通信。

AIDL

Android Interface definition language,接口定义语言,可以了解下。

Binder

IPC在Android中很多:如显然四大组件都需要进行IPC。
Andriod没有使用Linux中的各种IPC机制(进程间通信概述),通过基于OpenBinder的定制修改,实现了自己的一套轻量级的IPC机制---Binder。
在Android中,Binder几乎用于所有核心的跨进程事件中。

相对于Linux中其他IPC机制,那么Binder有什么优点呢?

优点

  • Binder只需进行1次数据拷贝。
    共享内存不需数据拷贝但控制复杂;其他方式一般需要进行两次数据拷贝;Binder只需1次,通过内存映射机制进行数据传递。
  • 稳定性好。
    C/S架构,职责分明。
  • 安全。
    加入了强大的安全机制。

Binder概述

Binder是基于C/S模式。主要有这几个部分:

角色 作用
Server进程 服务端,提供服务的进程。
Client进程 客户端,使用服务的进程。上层应用。
ServerManager进程 管理服务。Server需要向它注册自己提供的服务。Client向它查询、获取需要的服务。
Binder驱动 核心部分,Client通过它发送请求到Server,Server通过它返回结果到Client。内核中的驱动设备/dev/binder。
下面详述中会具体说到。

Binder---IPC

首先,总体上就如上述进程空间描述。Binder通过内核进行跨进程。
具体点,如下图:
binder_s_c
服务通过binder驱动注册到ServiceManager,ServiceManager保存了服务的名称、handle等信息 并加入svclist列表中。客户端通过binder驱动向ServiceManager进程查询获取到对应的服务的handle,然后binder将信息返回给客户端,客户端获取得到相应的服务Binder。

详述Binder的流程

详述Binder的流程 主要是服务注册、获取、ServiceManager相关的代码流程,这段很长,如果不需要看 可以直接跳到最后一块:简单总结。

下面AMS的注册和获取为例说明。Binder过程比较复杂,其中最需注意的是各个层次(java层/c++/kernel) IBinder对象具体是什么。
Binder源码,java层和c++层在 framework/下。驱动层在 kernel/下。
Android AOSP没有kernel源码,得单独下载。这里阅读的源码是AndroidQ的,AOSP部分是android-10.0.0_r40;kernel部分是MTK的,主要两个文件路径在kernel-4.9/drivers/android/binder.c和kernel-4.9/include/uapi/linux/android/binder.h。
另外,下面的过程很多地方 很多方法都需要详细研究的。下面尽量简化了,即使这样(也是水平有限),内容也很长。


主要是一个进程如何与另一个进程通信。围绕这 下面主要介绍了几点:

  • Service是如何注册的
  • ServerManager的创建,这里涉及到Service的注册和获取。
  • Client是如何获取服务的

服务注册

AMS注册过程概述

服务是Context.ACTIVITY_SERVICE。

下面是画的一个注册过程的相对完整的流程(不是类图。文章是MD的,可以直接查看文本看到图片地址,该图片地址。使用wps画的 由于非会员,图形个数有限制带了水印。),再结合代码详细说明下。
binder_service_register
这是一个理想的状态流程,比如实际中很多对象从保存好的地方直接获取不需重新创建。

简述:
注册传入了两个主要参数(服务名:activity,Binder:this)。通过一系列调用,最终将服务的名称和Binder等写入到了数据包Parcel(data)中,最终进入了Binder驱动。Binder驱动为AMS创建了binder结点binder_node。最后Binder驱动将相关信息给到ServerManager进程,ServiceManager将其封装加入svclist列表完成注册。

注册详细过程

系统启动后,这个服务即开始注册。这个很简单,注意传入的服务名是Context.ACTIVITY_SERVICE(即activity),以及this(AMS本身,也是继承了IBinder的Binder实体)。

SystemServer.java:
private void startBootstrapServices() {
    ......
    mActivityManagerService.setSystemProcess();
    ......
}

ActivityManagerService.java:
public void setSystemProcess() {
    ......
    ServiceManager.addService(Context.ACTIVITY_SERVICE, this, /* allowIsolated= */ true,
                DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL | DUMP_FLAG_PRIORITY_NORMAL | DUMP_FLAG_PROTO);
    ......
}

ServiceManager.java:
@UnsupportedAppUsage
public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated,
                              int dumpPriority) {
    ......
    getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated, dumpPriority);
    ......
}

getIServiceManager().addService(),这里需要弄清楚的就是getIServiceManager()和addService()两个方法,下面正式开始注册流程。

getIServiceManager()

ServiceManager.java:
@UnsupportedAppUsage
private static IServiceManager getIServiceManager() {
    if (sServiceManager != null) {
        return sServiceManager;
    }

    // Find the service manager
    sServiceManager = ServiceManagerNative
            .asInterface(Binder.allowBlocking(BinderInternal.getContextObject()));
    return sServiceManager;
}

关键的一句,这里有几个需要依次弄清楚的。

  1. BinderInternal.getContextObject()
  2. Binder.allowBlocking()
  3. ServiceManagerNative.asInterface()
  4. getIServiceManager().addService():获取的是IServiceManager,这也是个接口。需要弄清楚getIServiceManager()获取的sServiceManager实际对象是什么在来看addService()方法。
    -----回顾点1: getIServiceManager()具体是什么对象;addService()具体是什么

详细来看下这4点:
先看第一点(1/4)

BinderInternal.getContextObject()

BinderInternal.java:
@UnsupportedAppUsage
public static final native IBinder getContextObject();     

frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp:
{ "getContextObject", "()Landroid/os/IBinder;", (void*)android_os_BinderInternal_getContextObject },

static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
    return javaObjectForIBinder(env, b);
}

getContextObject()是native修饰的方法,通过jni,进入了C++。
下面主要来看下ProcessState::self()->getContextObject(NULL)和javaObjectForIBinder(env, b)。
-----回顾点2: getContextObject()具体获取的是什么

先看下ProcessState::self()
ProcessState.java:
#ifdef __ANDROID_VNDK__
const char* kDefaultDriver = "/dev/vndbinder";
#else
const char* kDefaultDriver = "/dev/binder";
#endif

#define BINDER_VM_SIZE ((1 * 1024 * 1024) - sysconf(_SC_PAGE_SIZE) * 2)

#define DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS 15

sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    ......
    gProcess = new ProcessState(kDefaultDriver);
    return gProcess;
}

ProcessState::ProcessState(const char *driver)
    : mDriverName(String8(driver))
    , mDriverFD(open_driver(driver))
    ......
{
    ......
    mVMStart = mmap(nullptr, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
    ......
}

static int open_driver(const char *driver)
{
    int fd = open(driver, O_RDWR | O_CLOEXEC);
    if (fd >= 0) {
        int vers = 0;
        status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
    ......
    size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;
    result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
    ......
}

从代码能够看到最终通过open_driver()方法打开了/dev/binder或者/dev/vndbinder驱动。通过ioctl进入binder内核并建立联系,在binder内核中创建了binder_proc并设置进程的最大线程数。
注意两个个设置:

  • DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS:这个fd最大线程数为15
  • BINDER_VM_SIZE:ProcessState初始话的内存映射大小:1G-8k(注:这个值也又不同的情况,这里不扩展)

在接着看ProcessState::self()->getContextObject(NULL)
sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& /*caller*/)
{
    return getStrongProxyForHandle(0);
}

sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle)
{
    sp<IBinder> result;
    ......
    handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle);
    if (e != nullptr) {
        IBinder* b = e->binder;
        if (b == nullptr || !e->refs->attemptIncWeak(this)) {
            .......
            b = BpBinder::create(handle);
            e->binder = b;
            if (b) e->refs = b->getWeakRefs();
            result = b;
        } else {
            result.force_set(b);
            e->refs->decWeak(this);
        }
    }
    return result;
}

回到回顾点2,getContextObject()获取了句柄为0的BpBinder。先lookupHandleLocked()尝试获取,没有则创建了一个BpBinder对象。
BpBinder的handle,如果是0 则该BpBinder是servicemanager的binder引用,如果非0 其handle值就是不同Service的hanlde 关联了各个Service。也就是说任何的系统service都可以通过BpBinder(0)就能知道servicemanager的地址。
-----注意点1: 这个handle为0的BpBinder很重要,binder驱动等地方都有关联。

在来看return的方法,javaObjectForIBinder(env, b):
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp:  
jobject javaObjectForIBinder(JNIEnv* env, const sp<IBinder>& val)
{
    ......
    if (val->checkSubclass(&gBinderOffsets)) {
        // It's a JavaBBinder created by ibinderForJavaObject. Already has Java object.
        jobject object = static_cast<JavaBBinder*>(val.get())->object();
        LOGDEATH("objectForBinder %p: it's our own %p!\n", val.get(), object);
        return object;
    }

    BinderProxyNativeData* nativeData = new BinderProxyNativeData();
    nativeData->mOrgue = new DeathRecipientList;
    nativeData->mObject = val;
    jobject object = env->CallStaticObjectMethod(gBinderProxyOffsets.mClass,
            gBinderProxyOffsets.mGetInstance, (jlong) nativeData, (jlong) val.get());
    ......
    return object;
}

在注册过程,返回的是BinderProxy。前面知道传入的是BpBinder对象,这是native层的对象在Java层无法使用,转换成BinderProxy。


接着看第二点(2/4)

Binder.allowBlocking()

Binder.java:
public static IBinder allowBlocking(IBinder binder) {
    try {
        if (binder instanceof BinderProxy) {
            ((BinderProxy) binder).mWarnOnBlocking = false;
        } else if (binder != null && binder.getInterfaceDescriptor() != null
                && binder.queryLocalInterface(binder.getInterfaceDescriptor()) == null) {
            Log.w(TAG, "Unable to allow blocking on interface " + binder);
        }
    } catch (RemoteException ignored) {
    }
    return binder;
}

这个没什么好说的。


再看第三点(3/4)

ServiceManagerNative.asInterface()

ServiceManagerNative.java:
@UnsupportedAppUsage
static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)
{
    ......
    IServiceManager in =
            (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
    if (in != null) {
        return in;
    }
    .......
    return new ServiceManagerProxy(obj);
}

前面传递的参数obj是一个保存着BpBinder的BinderProxy对象,这个BpBinder的handle是0(即关联servicemanager,后续通过transact传入binder驱动 找到目标进程)。
queryLocalInterface获取本地binder,此时in返回是null,所以这里返回了一个ServiceManagerProxy对象,并传入了BinderProxy对象。后续就通过这个BinderProxy代理对象进行通信。

回到回顾点1,从上面一系列可以看出getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated, dumpPriority);这句话:
getIServiceManager()获取的是ServiceManagerProxy对象,参数obj是BinderProxy。

addService()

接着看最后一点(4/4),addService()
最后来看下ServiceManagerProxy中的相关方法(ServiceManagerProxy是ServiceManagerNative内部类),即getIServiceManager().addService():

ServiceManagerNative.java:
class ServiceManagerProxy implements IServiceManager {
    public ServiceManagerProxy(IBinder remote) {
        mRemote = remote;
    }
    
    public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated, int dumpPriority)
            throws RemoteException {
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
        data.writeString(name);
        data.writeStrongBinder(service);
        data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);
        data.writeInt(dumpPriority);
        mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
        reply.recycle();
        data.recycle();
    }
}

注意data.writeStrongBinder(service);这里写入的IBinder对象是AMS最初传入的this,是Binder的实例,而不是BinderProxy。
这里的mRemote即创建ServiceManagerProxy对象时传入的BinderProxy。


下面就是开始进入binder驱动了,得耐心接着看了。

先看下writeStrongBinder()

这个写入过程稍微注意下。

Parcel:
public final void writeStrongBinder(IBinder val) {
    nativeWriteStrongBinder(mNativePtr, val);
}
private static native void nativeWriteStrongBinder(long nativePtr, IBinder val);

frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.cpp:
{"nativeWriteStrongBinder",   "(JLandroid/os/IBinder;)V", (void*)android_os_Parcel_writeStrongBinder},

static void android_os_Parcel_writeStrongBinder(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong nativePtr, jobject object)
{
    Parcel* parcel = reinterpret_cast<Parcel*>(nativePtr);
    if (parcel != NULL) {
        const status_t err = parcel->writeStrongBinder(ibinderForJavaObject(env, object));
        if (err != NO_ERROR) {
            signalExceptionForError(env, clazz, err);
        }
    }
}

frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp:
sp<IBinder> ibinderForJavaObject(JNIEnv* env, jobject obj)
{
    if (obj == NULL) return NULL;

    // Instance of Binder?
    if (env->IsInstanceOf(obj, gBinderOffsets.mClass)) {
        JavaBBinderHolder* jbh = (JavaBBinderHolder*)
            env->GetLongField(obj, gBinderOffsets.mObject);
        return jbh->get(env, obj);
    }

    // Instance of BinderProxy?
    if (env->IsInstanceOf(obj, gBinderProxyOffsets.mClass)) {
        return getBPNativeData(env, obj)->mObject;
    }

    ALOGW("ibinderForJavaObject: %p is not a Binder object", obj);
    return NULL;
}

class JavaBBinderHolder
{
public:
    sp<JavaBBinder> get(JNIEnv* env, jobject obj)
    {
        AutoMutex _l(mLock);
        sp<JavaBBinder> b = mBinder.promote();
        if (b == NULL) {
            b = new JavaBBinder(env, obj);
       ......
};

class JavaBBinder : public BBinder
{
    .....
}

上面已经说过,这里的service就是AMS对象,即Binder实例。所以writeStrongBinder()写入的service通过ibinderForJavaObject(env, object)封装成JavaBBinder(也即BBinder)。即服务Service对象转换成BBinder,传入到binder驱动了。

parcel->writeStrongBinder(ibinderForJavaObject(env, object));
-->
Parcel.cpp:
status_t Parcel::writeStrongBinder(const sp<IBinder>& val)
{
    return flatten_binder(ProcessState::self(), val, this);
}

status_t flatten_binder(const sp<ProcessState>& /*proc*/,
    const sp<IBinder>& binder, Parcel* out)
{
    ......
    if (binder != nullptr) {
        BBinder *local = binder->localBinder();
        if (!local) {
            .......
        } else {
            obj.hdr.type = BINDER_TYPE_BINDER;
    .....

上面看到这里binder是BBinder对象,注意这里的hdr.type = BINDER_TYPE_BINDER ,在binder驱动中有使用。

mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0)

接着Java层从此开始向binder驱动传递

BinderProxy:
public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
    ......
     try {
        return transactNative(code, data, reply, flags);
    ......
}

public native boolean transactNative(int code, Parcel data, Parcel reply,
            int flags) throws RemoteException;
       
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp:
{"transactNative",      "(ILandroid/os/Parcel;Landroid/os/Parcel;I)Z", (void*)android_os_BinderProxy_transact},

static jboolean android_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,
        jint code, jobject dataObj, jobject replyObj, jint flags) // throws RemoteException
{......
Parcel* data = parcelForJavaObject(env, dataObj);
Parcel* reply = parcelForJavaObject(env, replyObj);
......
IBinder* target = getBPNativeData(env, obj)->mObject.get();
......
status_t err = target->transact(code, *data, reply, flags);
......
}

parcelForJavaObject将data、reply两个Parcel由Java对象转换成C++。
getBPNativeData()获取的是BpBinder对象。

接下来看BpBinder中的transact()。

frameworks/native/libs/binder/BpBinder.cpp:
status_t BpBinder::transact(
    uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
    // Once a binder has died, it will never come back to life.
    if (mAlive) {
        status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
            mHandle, code, data, reply, flags);
    ......
}

frameworks/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp:
status_t IPCThreadState::transact(int32_t handle,
                                  uint32_t code, const Parcel& data,
                                  Parcel* reply, uint32_t flags)
{
    ......
    err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, nullptr);
    err = waitForResponse(??);
    ......
}

status_t IPCThreadState::writeTransactionData(int32_t cmd, uint32_t binderFlags,
    int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, status_t* statusBuffer)
{
    tr.target.handle = handle;
    tr.code = code;
    ......
    mOut.writeInt32(cmd);
    mOut.write(&tr, sizeof(tr));

    return NO_ERROR;
}

status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult)
{
    ......
    while (1) {
        if ((err=talkWithDriver()) < NO_ERROR) break;
        ......
        cmd = (uint32_t)mIn.readInt32();
    .......
}
     
status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
    ......
    do {
        ......
        if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)
            err = NO_ERROR;
        else
            err = -errno;
        ......
    } while (err == -EINTR);
    ......
    if (bwr.read_consumed > 0) {
        mIn.setDataSize(bwr.read_consumed);
        mIn.setDataPosition(0);
    }
    ......
}

transact()中关键两步,writeTransactionData()和waitForResponse()。
writeTransactionData()将要传递的数据及命令写入到mOut。这里要发送的命令是BC_TRANSACTION。 在注意的是,handle标识的是目标端,这里是0。即注册中目标是Servicemanager(handle 0 对应 binder_context_mgr_node对象)。
waitForResponse()中while(1)死循环,通过talkWithDriver()中ioctl进入binder,这里传入到binder_ioctl的参数cmd是BINDER_WRITE_READ。
waitForResponse()很重要,在死循环中会对binder返回的应答进行处理,cmd = (uint32_t)mIn.readInt32();获取应答的命令类型。
另外,注意下传入transact()中的flag为0(即非TF_ONE_WAY)。

进入binder驱动

通过ioctl(),进入了binder内核

{kernel}/drivers/android/binder.c

static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    .....
    switch (cmd) {
        case BINDER_WRITE_READ:
            ret = binder_ioctl_write_read(filp, cmd, arg, thread);
            if (ret)
                goto err;
            break;
    ......
}

static int binder_ioctl_write_read(struct file *filp,
				unsigned int cmd, unsigned long arg,
				struct binder_thread *thread)
{
    ......
    if (copy_from_user(&bwr, ubuf, sizeof(bwr))) {
		ret = -EFAULT;
		goto out;
	}
    ......
    if (bwr.write_size > 0) {
		ret = binder_thread_write(proc, thread,
					  bwr.write_buffer,
					  bwr.write_size,
					  &bwr.write_consumed);
        ......
        if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
				ret = -EFAULT;
			goto out;
    ......
    if (bwr.read_size > 0) {
		ret = binder_thread_read(proc, thread, bwr.read_buffer,
					 bwr.read_size,
					 &bwr.read_consumed,
					 filp->f_flags & O_NONBLOCK);
    ......
}

static int binder_thread_write(struct binder_proc *proc,
			struct binder_thread *thread,
			binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
			binder_size_t *consumed)
{
    ......
    void __user *buffer = (void __user *)(uintptr_t)binder_buffer;
	void __user *ptr = buffer + *consumed;
    ......
    if (get_user(cmd, (uint32_t __user *)ptr))
    ......
    switch (cmd) {
    ......
    case BC_TRANSACTION:
    case BC_REPLY: {
        struct binder_transaction_data tr;

        if (copy_from_user(&tr, ptr, sizeof(tr)))
            return -EFAULT;
        ptr += sizeof(tr);
        binder_transaction(proc, thread, &tr,
                   cmd == BC_REPLY, 0);
        break;
    }
    ......
    }
}

通过系统调用,进入binder驱动的binder_ioctl()方法,这里传入的cmd是BINDER_WRITE_READ(),上面 BpBinder中的transact()有说。
上面 BpBinder中的transact()也说过发送命令在mOut中是BC_TRANSACTION,这时通过copy_from_user()从用户空间拷贝数据到了内核空间。最终进入到binder_transaction()事务处理。
注意第四个参数cmd==BC_REPLY为false

最重要的binder_transaction()

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
			       struct binder_thread *thread,
			       struct binder_transaction_data *tr, int reply,
			       binder_size_t extra_buffers_size)
{
    .....
    if(reply){
    ......
    }else {
        if (tr->target.handle) {
        ......
        } else {
            ......
            target_node = context->binder_context_mgr_node;
            ......
        }
    }
    ......
        switch (hdr->type) {
            case BINDER_TYPE_BINDER:
            case BINDER_TYPE_WEAK_BINDER: {
                struct flat_binder_object *fp;

                fp = to_flat_binder_object(hdr);
    #ifdef BINDER_WATCHDOG
                ret = binder_translate_binder(tr, fp, t, thread);
    #else
                ret = binder_translate_binder(fp, t, thread);
    #endif
    ......
	tcomplete->type = BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE;
	t->work.type = BINDER_WORK_TRANSACTION;
	......
	if (!binder_proc_transaction(t, target_proc, 
}

#ifdef BINDER_WATCHDOG
static int binder_translate_binder(struct binder_transaction_data *tr,
......
{
    struct binder_node *node;
    node = binder_get_node(proc, fp->binder);
	if (!node) {
		node = binder_new_node(proc, fp);
		if (!node)
			return -ENOMEM;
#ifdef BINDER_WATCHDOG
		parse_service_name(tr, proc, node->name);
#endif
    ......
    ret = binder_inc_ref_for_node(target_proc, node,
			fp->hdr.type == BINDER_TYPE_BINDER,
			&thread->todo, &rdata);
    ......
	if (fp->hdr.type == BINDER_TYPE_BINDER)
		fp->hdr.type = BINDER_TYPE_HANDLE;
    fp->binder = 0;
	fp->handle = rdata.desc;
}

/* this is an addService() transaction identified by:
 * fp->type == BINDER_TYPE_BINDER && tr->target.handle == 0
 */
void parse_service_name(struct binder_transaction_data *tr,

binder_transaction()这个事务处理方法很长,这里主要说下几个注意点。
reply:前面流程传入的为false,cmd是BC_TRANSACTION。说明这是一个Client发给Server的请求事务,在Client端线程上。若为true,即是BC_REPLY说明这是一个Server发给Client的事务处理回复。在server端的线程上。
tr->target.handle:如果是BC_TRANSACTION(这里注册中是这个),接着判断tr->target.handle。如果>0,即目标为普通Service,如果为0,则目标service是ServiceManager。从而获取目标结点target_node,进一步获取目标进程、目标线程及相关信息。
前面有讲到传递的BBinder对象中hdr.type = BINDER_TYPE_BINDER。最终有走到binder_translate_binder,为注册服务创建了binder_node结点,保存了服务的进程及相关信息。

向servicemanager添加BINDER_WORK_TRANSACTION事务,接下来进入ServiceManager进程。

handle值(也待详细了解//TODO):
binder_get_node()->binder_new_node()->binder_inc_ref_for_node()->binder_get_ref_for_node_olocked(),不详述。
new_ref->data.desc,data.desc即handle。

handle值计算方法规律:
每个进程binder_proc所记录的binder_ref的handle值是从1开始递增的;
所有进程binder_proc所记录的handle=0的binder_ref都指向service manager;
同一个服务的binder_node在不同进程的binder_ref的handle值可以不同;

接下来的注册过程进入ServiceManager,从下面ServiceManager的创建过程了解。

ServiceManager的创建

ServiceManager本身也是Binder服务,但它通过自身的binder.c与Binder驱动直接通信。通过循环binder_loop进行读取和处理事务。
主要关注两个文件:frameworks/native/cmds/servicemanager/service_manager.cframeworks/native/cmds/servicemanager/binder.c

系统启动通过init.rc创建并启动servicemanager。直接看其中main()方法。

frameworks/native/cmds/servicemanager/service_manager.c:
int main(int argc, char** argv)
{
    ......
    //打开binder驱动,申请128k字节大小的内存空间
    bs = binder_open(driver, 128*1024);
    ......
    if (binder_become_context_manager(bs)) {
    ......
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    ......
}

重点需要关注的是上述3个方法,依次来看:

struct binder_state *binder_open(const char* driver, size_t mapsize)
{
    ......
    bs->fd = open(driver, O_RDWR | O_CLOEXEC);
    ......
    if ((ioctl(bs->fd, BINDER_VERSION, &vers) == -1) ||
        (vers.protocol_version != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION)) {
    ......
    bs->mapped = mmap(NULL, mapsize, PROT_READ, MAP_PRIVATE, bs->fd, 0);
    ......
}

frameworks/native/cmds/servicemanager/binder.c:
int binder_become_context_manager(struct binder_state *bs)
{
    int result = ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR_EXT, &obj);

    // fallback to original method
    if (result != 0) {
        android_errorWriteLog(0x534e4554, "121035042");

        result = ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);
    }
}
void binder_loop(struct binder_state *bs, binder_handler func)
{
    ......
    readbuf[0] = BC_ENTER_LOOPER;
    binder_write(bs, readbuf, sizeof(uint32_t));
    for (;;) {
        bwr.read_size = sizeof(readbuf);
        bwr.read_consumed = 0;
        bwr.read_buffer = (uintptr_t) readbuf;

        res = ioctl(bs->fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr);
        ......
        res = binder_parse(bs, 0, (uintptr_t) readbuf, bwr.read_consumed, func);
    ......
}

int binder_parse(struct binder_state *bs, struct binder_io *bio,
                 uintptr_t ptr, size_t size, binder_handler func)
{
    while (ptr < end) {
        uint32_t cmd = *(uint32_t *) ptr;
        case BR_TRANSACTION_SEC_CTX:
        case BR_TRANSACTION: {
        ......
                res = func(bs, &txn, &msg, &reply);
                if (txn.transaction_data.flags & TF_ONE_WAY) {
                    binder_free_buffer(bs, txn.transaction_data.data.ptr.buffer);
                } else {
                    binder_send_reply(bs, &reply, txn.transaction_data.data.ptr.buffer, res);
                }
     ......
}

void binder_send_reply(struct binder_state *bs,
......
{
    ......
    data.cmd_reply = BC_REPLY;
    ......
    binder_write(bs, &data, sizeof(data));
}

binder_open():这个比较简单,通过系统调用在binder驱动中创建binder_proc对象,调用mmap()内存映射分配了128K的内存空间。
binder_become_context_manager():使servicemanager成为上下文的管理者,创建了全局的binder_node对象binder_context_mgr_node。
binder_loop();这个是最重要的方法,进入死循环,等待Client端的请求。解析binder信息,此处参数ptr指向BC_ENTER_LOOPER,func指向svcmgr_handler。故有请求到来(如BR_TRANSACTION),则调用svcmgr_handler处理,处理完成后会发送BC_REPLY。


看看svcmgr_handler

frameworks/native/cmds/servicemanager/service_manager.c:
int svcmgr_handler(struct binder_state *bs,
                   struct binder_transaction_data_secctx *txn_secctx,
                   struct binder_io *msg,
                   struct binder_io *reply)
{
......
    switch(txn->code) {
    case SVC_MGR_GET_SERVICE:
    case SVC_MGR_CHECK_SERVICE:
        handle = do_find_service(s, len, txn->sender_euid, txn->sender_pid,
                        (const char*) txn_secctx->secctx);
        bio_put_ref(reply, handle);
    case SVC_MGR_ADD_SERVICE:
        if (do_add_service(bs, s, len, handle, txn->sender_euid, allow_isolated, dumpsys_priority,
                    txn->sender_pid, (const char*) txn_secctx->secctx))
    ......
    bio_put_uint32(reply, 0);
......
}

SVC_MGR_ADD_SERVICE就是从addService那拆解来的。SVC_MGR_GET_SERVICE类似。
ServiceManager最核心的两个功能为查询和注册服务:
注册服务:do_add_service(),记录服务名和handle信息,保存到svclist列表;
查询服务:do_find_service(),根据服务名查询相应的的handle信息。

这样,服务就注册到ServiceManager。能够被客户端获取。

客户端获取服务

获取服务概述

同服务注册一样,先看下大致的流程图。
binder_client

简述:
客户端通过binder驱动从servicemanager进程查询到服务的handle,servicemanager进程同样应答binder驱动,binder驱动通过处理,向客户端返回正确的数据命令,客户端从而获取到服务的Binder对象。完成获取服务的的操作。

获取服务详细过程

直接来看

ActivityManager.getService():

ActivityManager:
@UnsupportedAppUsage
public static IActivityManager getService() {
    return IActivityManagerSingleton.get();
}

@UnsupportedAppUsage
private static final Singleton<IActivityManager> IActivityManagerSingleton =
        new Singleton<IActivityManager>() {
            @Override
            protected IActivityManager create() {
                final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
                final IActivityManager am = IActivityManager.Stub.asInterface(b);
                return am;
            }
        };

ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE):

ServiceManager:
@UnsupportedAppUsage
private static Map<String, IBinder> sCache = new ArrayMap<String, IBinder>();

@UnsupportedAppUsage
public static IBinder getService(String name) {
    try {
        IBinder service = sCache.get(name);
        if (service != null) {
            return service;
        } else {
            return Binder.allowBlocking(rawGetService(name));
        }
    } catch (RemoteException e) {
        Log.e(TAG, "error in getService", e);
    }
    return null;
}

private static IBinder rawGetService(String name) throws RemoteException {
    ......
    final IBinder binder = getIServiceManager().getService(name);
    ......
}

getIServiceManager()与注册时的流程差不多,返回的是ServiceManagerProxy对象,不在依次赘述了。

直接看下getService()

ServiceManagerNative.java->
class ServiceManagerProxy:
@UnsupportedAppUsage
public IBinder getService(String name) throws RemoteException {
    Parcel data = Parcel.obtain();
    Parcel reply = Parcel.obtain();
    data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
    data.writeString(name);
    mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
    IBinder binder = reply.readStrongBinder();
    reply.recycle();
    data.recycle();
    return binder;
}

mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);进入binder驱动的也与注册类似。不多赘述。
这里过程大致是,通过transact进入binder驱动,同样找到的目标端是servicemanager,向servicemanager发送请求(BR_TRANSACTION)查询服务(上述ServiceManager创建中),servicemanager查询服务获得服务的handle,通过BC_REPLY返回到binder驱动。binder驱动获得服务的handle,最终同样走到binder_transaction()。binder_thread_read()。

mRemote.transact()

下面是一些信息(do_find_service()查询到服务handle后通过bio_put_ref回应的一些信息,binder中进行处理的重要信息):

void bio_put_ref(struct binder_io *bio, uint32_t handle)
{
    ......
    obj->flags = 0x7f | FLAT_BINDER_FLAG_ACCEPTS_FDS;
    obj->hdr.type = BINDER_TYPE_HANDLE;
    obj->handle = handle;
    obj->cookie = 0;
}

最终进入binder_transaction()

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
......
        case BINDER_TYPE_HANDLE:
		case BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE: {
			struct flat_binder_object *fp;

			fp = to_flat_binder_object(hdr);
			ret = binder_translate_handle(fp, t, thread);   
			.....
			binder_alloc_copy_to_buffer(&target_proc->alloc,
						    t->buffer, object_offset,
						    fp, sizeof(*fp));
}

static int binder_translate_handle(struct flat_binder_object *fp,
......
    if (node->proc == target_proc) {
        ......
		if (fp->hdr.type == BINDER_TYPE_HANDLE)
			fp->hdr.type = BINDER_TYPE_BINDER;
		else
			fp->hdr.type = BINDER_TYPE_WEAK_BINDER;
		fp->binder = node->ptr;
		fp->cookie = node->cookie;
		......
    } else {
        ......
        ret = binder_inc_ref_for_node(target_proc, node,
				fp->hdr.type == BINDER_TYPE_HANDLE,
				NULL, &dest_rdata);
    }
}

通过上述方法依次走下去。在binder_translate_handle()中,node->proc == target_proc,当前是在servicemanager进程的,而目标进程是请求服务所在进程,所以等于判断不成立。

这个过程非常重要,分两种情况来说:
当请求服务的进程与服务属于不同进程,则为请求服务所在进程创建binder_ref对象,指向服务进程中的binder_node;
当请求服务的进程与服务属于同一进程,则不再创建新对象,只是引用计数加1,并且修改type为BINDER_TYPE_BINDER或BINDER_TYPE_WEAK_BINDER。

通过binder_thread_read进行一些处理。binder向客户端发送BR_REPLY。

reply.readStrongBinder()

sp<IBinder> Parcel::readStrongBinder() const
{
    ALOGW("BINDER_DEBUG Parcel->readStrongBinder()");
    sp<IBinder> val;
    ......
    readNullableStrongBinder(&val);
    return val;
}

status_t Parcel::readNullableStrongBinder(sp<IBinder>* val) const
{
    ALOGW("BINDER_DEBUG Parcel->readNullableStrongBinder() val=%p", val);
    return unflatten_binder(ProcessState::self(), *this, val);
}

status_t unflatten_binder(const sp<ProcessState>& proc,
    const Parcel& in, sp<IBinder>* out)
{
    ALOGW("BINDER_DEBUG Parcel->unflatten_binder() sp<IBinder> begin");
    const flat_binder_object* flat = in.readObject(false);

    if (flat) {
        switch (flat->hdr.type) {
            case BINDER_TYPE_BINDER:
                *out = reinterpret_cast<IBinder*>(flat->cookie);
                return finish_unflatten_binder(nullptr, *flat, in);
            case BINDER_TYPE_HANDLE:
                *out = proc->getStrongProxyForHandle(flat->handle);
                return finish_unflatten_binder(
                    static_cast<BpBinder*>(out->get()), *flat, in);
        }
    }
    return BAD_TYPE;
}

由上面分析知道,servicemanager传入的是BINDER_TYPE_HANDLE。请求服务与服务不在同一进程,这个值未变,仍是BINDER_TYPE_HANDLE。getStrongProxyForHandle()注册时有讲过,这里不再单独列出。这里就获取到了对应服务的BpBinder(handle)。handle是从servicemanager查到对应服务的handle。这样服务获取就完成了。

简单总结

简单回顾总结下几个点

服务注册与获取大致过程

开始在 Binder---IPC 中所说的,服务注册与获取的大致过程:
binder_s_c
服务通过binder驱动注册到ServiceManager,ServiceManager保存了服务的名称、handle等信息 并加入svclist列表中。客户端通过binder驱动向ServiceManager进程查询获取到对应的服务的handle,然后binder将信息返回给客户端,客户端获取得到相应的服务Binder。

与binder的交互命令

总结下 一个完整的服务注册过程与binder交互命令大致如下图:
add_service_cmd
服务的注册和获取基本类似,两个过程,服务端都是ServiceManager。
Client端(BC_TRANSACTION)--->binder驱动(BR_TRANSACTION_COMPLETE)--->Client端; binder驱动(BR_TRANSACTION)--->Service端(BC_REPLY)--->binder驱动(BR_TRANSACTION_COMPLETE)--->Service端;binder驱动(BR_REPLY)--->Client端。

关于BpBinder、BBinder

总结下readStrongBinder():
请求服务进程与服务进程不在同一进程(如这个服务获取),返回的是BpBinder对象。如果在同一进程,则不在创建新对象 只是引用加1,返回的是BBinder对象。


我们通过handle去获取远程端的Binder对象,如handle为0 就能获取到servicemanager的BpBinder对象,通过查询到的某个服务的handle获取到对应服务的BpBinder对象(本地则是BBinder对象)。
在注册时data.writeStrongBinder(service);,通过ibinderForJavaObject()将service实体binder对象转换成BBinder,然后传入binder驱动,完成服务注册到servicemanager。


这里的BBinder和BpBinder都是native层的Binder对象。 BBinder是本地Binder(Native Binder),BpBinder即远程端Binder。
BpBinder提供transact()方法来发送请求;BBinder提供了onTransact()接口来接收请求。
BpBinder时客户端创建用于消息发送的代理;BBinder是服务端用于接收消息的。当通信时,Client端通过BinderProxy 经由Bpbinder的transact()方法最终发送请求到binder驱动。binder驱动接收到经过处理,发送给目标进程JavaBBinder,最终经由服务实体的onTransact()接受处理。
在注册过程,servicemanager中svcmgr_handler()相当于服务端Java层的onTransact()。下面是普通服务接收到请求的过程:

frameworks/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp
sp<BBinder> the_context_object;

status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult)
{
    ......
        default:
            err = executeCommand(cmd);
    ......
}

status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
    ......
    case BR_TRANSACTION_SEC_CTX:
    case BR_TRANSACTION:
        {
        ......
            if (tr.target.ptr) {
                ......
                    error = reinterpret_cast<BBinder*>(tr.cookie)->transact(tr.code, buffer,
                            &reply, tr.flags);
                ......
            } else {
                error = the_context_object->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);
            }
    ......
}

frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp
status_t BBinder::transact(
......
            err = onTransact(code, data, reply, flags);
}

frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
status_t onTransact(
    ......
        jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
            code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);
    ......
}

gBinderOffsets.mExecTransact = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "execTransact", "(IJJI)Z");

frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java
// Entry point from android_util_Binder.cpp's onTransact
@UnsupportedAppUsage
private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj,
......
   return execTransactInternal(code, dataObj, replyObj, flags, callingUid);
}

private boolean execTransactInternal(int code, long dataObj, long replyObj, int flags,
......
            res = onTransact(code, data, reply, flags);
}

这里onTransact()最终调用到子类实现的onTransact(),即具体服务实现的onTransact()方法。

从上又有一般这样的一个结构层次图(网络中很多,上述理解供参考):
binder_level

binder驱动中的几个常用量

struct binder_node {
    ......
	struct binder_proc *proc;
	struct hlist_head refs;
}

binder_node--->binder结点,即binder的实体。服务注册就会创建一个binder_node。
proc: binder_proc,这里是binder实体对应的进程,相当于某个服务在哪进程。
refs: binder实体的引用对象列表,相当于所有使用某个服务的客户端链表。

struct binder_ref {
	struct binder_ref_data data;
	struct binder_proc *proc;
	struct binder_node *node;
}

struct binder_ref_data {
	int debug_id;
	uint32_t desc;
	int strong;
	int weak;
};

binder_ref--->跟踪结点的引用,binder_node的引用的信息
proc:引用对象进程,使用服务的进程
node:引用的binder_node,即引用的目标结点
desc:该引用对象的句柄(handle)

struct binder_proc {
	struct hlist_node proc_node;
	struct list_head todo;

}

binder_proc--->binder进程的上下文信息,每个使用binder的进程都会创建一个binder_proc对象。在打开/dev/binder时就创建了。
proc_node:将该对象链接到全局binder_procs对象中。
todo:该进程的待处理事务队列。

binder驱动结构体很多,需要多注意,不过都有注释,理解不难。

善始者实繁,克终者盖寡。 ---不足或不对的地方欢迎指正。
posted @ 2020-08-09 20:31  流浪_归家  阅读(1090)  评论(2编辑  收藏  举报