红茶一杯话Binder （初始篇）
1 什么是Binder？
简单地说，Binder是Android平 台上的一种跨进程交互技术。该技术最早并不是由Google公司提出的，它的前身是Be Inc公司开发的OpenBinder，而且在Palm中也有应用。后来OpenBinder的作者Dianne Hackborn加入了Google公司，并负责Android平台的开发工作，所以把这项技术也带进了Android。
我们知道，在Android的应用层次上，基本上已经没有过去的进程概念了。然而在实现层次，它毕竟还是要建构在一个个进程之上的。实际上，在 Android内部，那些支撑应用的组件往往会身处于不同的进程，那么应用的底层必然会牵涉大量的跨进程通信。为了保证通信的高效性，Android提供 了Binder机制。
Binder机制具有两层含义：
1） 是一种跨进程通信手段（IPC，Inter-Process Communication）。
2） 是一种远程过程调用手段（RPC，Remote Procedure Call）。
从实现的角度来说，Binder核心被实现成一个Linux驱动程序，并运行于内核态。这样它才能具有强大的跨进程访问能力。
1.1 简述Binder的跨进程机制
为了理解Binder，我们可以先画一张最简单的跨进程通信示意图：
这个很容易理解，不需赘言。到了Android平台上，IPC机制就变成了Binder机制，情况类似，只不过为了便于说明问题，我们需要稍微调整一下示意图：
在后文中，我们可以看到，Binder代理方大概对应于C++层次的BpBinder对象，而Binder响应方则对应于BBinder对象。这两个对象在后文会详细阐述，此处不必太细究。
然而，上图的Binder代理方主要只负责了“传递信息”的工作，并没有起到“远程过程调用”的作用，如果要支持远程过程调用，我们还必须提供“接口代理方”和“接口实现体”。这样，我们的示意图就需要再调整一下，如下：
从图中可以看到，A进程并不直接和BpBinder（Binder代理）打交道，而是通过调用BpInterface（接口代理）的成员函数来完成远程调 用的。此时，BpBinder已经被聚合进BpInterface了，它在BpInterface内部完成了一切跨进程的机制。另一方面，与 BpInterface相对的响应端实体就是BnInterface（接口实现）了。需要注意的是，BnInterface是继承于BBinder的，它 并没有采用聚合的方式来包含一个BBinder对象，所以上图中B侧的BnInterface块和BBinder块的背景图案是相同的。
这样看来，对于远程调用的客户端而言，主要搞的就是两个东西，一个是“Binder代理”，一个是“接口代理”。而服务端主要搞的则是“接口实现体”。因 为binder是一种跨进程通信机制，所以还需要一个专门的管理器来为通信两端牵线搭桥，这个管理器就是Service Manager Service。不过目前我们可以先放下Service Manager Service，以后再详细研究。
2 Binder相关接口和类
Android的整个跨进程通信机制都是基于Binder的，这种机制不但会在底层使用，也会在上层使用，所以必须提供Java和C++两个层次的支持。
2.1 Java层次的binder元素
Java层次里并没有我们前文图中所表示的BpBinder、BpInterface、BBinder等较低层次的概念，取而代之的是IBinder接 口、IInterface等接口。Android要求所有的Binder实体都必须实现IBinder接口，该接口的定义截选如下：
【frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java】
public interface IBinder
{
. . . . . .
public String getInterfaceDescriptor() throws RemoteException;
public boolean pingBinder();
public boolean isBinderAlive();
public IInterface queryLocalInterface(String descriptor);
public void dump(FileDescriptor fd, String[] args) throws RemoteException;
public void dumpAsync(FileDescriptor fd, String[] args) throws RemoteException;
public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags)
throws RemoteException;
public interface DeathRecipient
{
public void binderDied();
}
public void linkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags)throws RemoteException;
public boolean unlinkToDeath(DeathRecipient recipient, int flags);
}
另外，不管是代理方还是实体方，都必须实现IInterface接口：
public interface IInterface
{
public IBinder asBinder();
}
Java层次中，与Binder相关的接口或类的继承关系如下：
在实际使用中，我们并不需要编写上图的XXXXNative、XXXXProxy，它们会由ADT根据我们编写的aidl脚本自动生成。用户只需继承 XXXXNative编写一个具体的XXXXService即可，这个XXXXService就是远程通信的服务实体类，而XXXXProxy则是其对应 的代理类。
关于Java层次的binder组件，我们就先说这么多，主要是先介绍一个大概。就研究跨进程通信而言，其实质内容基本上都在C++层次，Java层次只 是一个壳而已。以后我会写专文来打通Java层次和C++层次，看看它们是如何通过JNI技术关联起来的。现在我们还是把注意力集中在C++层次吧。
2.2 C++层次的binder元素
在C++层次，就能看到我们前文所说的BpBinder类和BBinder类了。这两个类都继承于IBinder，IBinder的定义截选如下：
【frameworks/native/include/binder/IBinder.h】
class IBinder : public virtual RefBase
{
public:
. . . . . .
IBinder();
virtual sp<IInterface> queryLocalInterface(const String16& descriptor);
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const = 0;
virtual bool isBinderAlive() const = 0;
virtual status_t pingBinder() = 0;
virtual status_t dump(int fd, const Vector<String16>& args) = 0;
virtual status_t transact(uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags = 0) = 0;
class DeathRecipient : public virtual RefBase
{
public:
virtual void binderDied(const wp<IBinder>& who) = 0;
};
virtual status_t linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0) = 0;
virtual status_t unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,
void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,
wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL) = 0;
virtual bool checkSubclass(const void* subclassID) const;
typedef void (*object_cleanup_func)(const void* id, void* obj, void* cleanupCookie);
virtual void attachObject(const void* objectID, void* object,
void* cleanupCookie, object_cleanup_func func) = 0;
virtual void* findObject(const void* objectID) const = 0;
virtual void detachObject(const void* objectID) = 0;
virtual BBinder* localBinder();
virtual BpBinder* remoteBinder();
protected:
virtual ~IBinder();
private:
};
C++层次的继承关系图如下：
- BpBinder
- BpInterface
- BBinder
- BnInterface
它们扮演着很重要的角色。
2.2.1 BpBinder
BpBinder的定义截选如下：
class BpBinder : public IBinder
{
public:
BpBinder(int32_t handle);
inline int32_t handle() const { return mHandle; }
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
virtual bool isBinderAlive() const;
virtual status_t pingBinder();
virtual status_t dump(int fd, const Vector<String16>& args);
virtual status_t transact(uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags = 0);
virtual status_t linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0);
virtual status_t unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,
void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,
wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);
. . . . . .
. . . . . .
作为代理端的核心，BpBinder最重要的职责就是实现跨进程传输的传输机制，至于具体传输的是什么语义，它并不关心。我们观察它的 transact()函数的参数，可以看到所有的语义都被打包成Parcel了。其他的成员函数，我们先不深究，待我们储备了足够的基础知识后，再回过头 研究它们不迟。
2.2.2 BpInterface
另一个重要的类是BpInterface，它的定义如下：
template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
{
public:
BpInterface(const sp<IBinder>& remote);
protected:
virtual IBinder* onAsBinder();
};
其基类BpRefBase的定义如下：
class BpRefBase : public virtual RefBase
{
protected:
BpRefBase(const sp<IBinder>& o);
virtual ~BpRefBase();
virtual void onFirstRef();
virtual void onLastStrongRef(const void* id);
virtual bool onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id);
inline IBinder* remote() { return mRemote; }
inline IBinder* remote() const { return mRemote; }
private:
BpRefBase(const BpRefBase& o);
BpRefBase& operator=(const BpRefBase& o);
IBinder* const mRemote;
RefBase::weakref_type* mRefs;
volatile int32_t mState;
};
BpInterface使用了模板技术，而且因为它继承了BpRefBase，所以先天上就聚合了一个mRemote成员，这个成员记录的就是前面所说的BpBinder对象啦。以后，我们还需要继承BpInterface<>实现我们自己的代理类。
在实际的代码中，我们完全可以创建多个聚合同一BpBinder对象的代理对象，这些代理对象就本质而言，对应着同一个远端binder实体。在 Android框架中，常常把指向同一binder实体的多个代理称为token，这样即便这些代理分别处于不同的进程中，它们也具有了某种内在联系。这 个知识点需要大家关注。
2.2.3 BBinder
Binder远程通信的目标端实体必须继承于BBinder类，该类和BpBinder相对，主要关心的只是传输方面的东西，不太关心所传输的语义。
class BBinder : public IBinder
{
public:
BBinder();
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
virtual bool isBinderAlive() const;
virtual status_t pingBinder();
virtual status_t dump(int fd, const Vector<String16>& args);
virtual status_t transact(uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags = 0);
virtual status_t linkToDeath(const sp<DeathRecipient>& recipient,
void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0);
virtual status_t unlinkToDeath(const wp<DeathRecipient>& recipient,
void* cookie = NULL, uint32_t flags = 0,
wp<DeathRecipient>* outRecipient = NULL);
virtual void attachObject(const void* objectID, void* object,
void* cleanupCookie, object_cleanup_func func);
virtual void* findObject(const void* objectID) const;
virtual void detachObject(const void* objectID);
virtual BBinder* localBinder();
protected:
virtual ~BBinder();
virtual status_t onTransact(uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags = 0);
private:
BBinder(const BBinder& o);
BBinder& operator=(const BBinder& o);
class Extras;
Extras* mExtras;
void* mReserved0;
};
我们目前只需关心上面的transact()成员函数，其他函数留待以后再分析。transact函数的代码如下：
【frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp】
status_t BBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags)
{
data.setDataPosition(0);
status_t err = NO_ERROR;
switch (code)
{
case PING_TRANSACTION:
reply->writeInt32(pingBinder());
break;
default:
err = onTransact(code, data, reply, flags);
break;
}
if (reply != NULL)
{
reply->setDataPosition(0);
}
return err;
}
看到了吗，transact()内部会调用onTransact()，从而走到用户所定义的子类的onTransact()里。这个onTransact()的一大作用就是解析经由Binder机制传过来的语义了。
2.2.4 BnInterface
远程通信目标端的另一个重要类是BnInterface<>，它是与BpInterface<>相对应的模板类，比较关心传输的 语义。一般情况下，服务端并不直接使用BnInterface<>，而是使用它的某个子类。为此，我们需要编写一个新的BnXXX子类，并重 载它的onTransact()成员函数。
BnInterface<>的定义如下：
template<typename INTERFACE>
class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
{
public:
virtual sp<IInterface> queryLocalInterface(const String16& _descriptor);
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
protected:
virtual IBinder* onAsBinder();
};
如上所示，BnInterface<>继承于BBinder，但它并没有实现一个默认的onTransact()成员函数，所以在远程通信 时，前文所说的BBinder::transact()调用的onTransact()应该就是BnInterface<>的某个子类的 onTransact()成员函数。
2.3 几个重要的C++宏或模板
为了便于编写新的接口和类，Android在C++层次提供了几个重要的宏和模板，比如我们在IInterface.h文件中，可以看到DECLARE_META_INTERFACE、IMPLEMENT_META_INTERFACE的定义。
2.3.1 DECLARE_META_INTERFACE()
DECLARE_META_INTERFACE()的定义如下：
#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(); \
我们举个实际的例子，来说明如何使用这个宏：
上例中ICamera内部使用了DECLARE_META_INTERFACE(Camera)，我们把宏展开后，可以看到ICamera类的定义相当于：
class ICamera: public IInterface
{
public:
static const android::String16 descriptor;
static android::sp<ICamera> asInterface( const android::sp<android::IBinder>& obj);
virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;
ICamera();
virtual ~ICamera();
virtual void disconnect() = 0;
. . . . . .
宏展开的部分就是中间那5行代码，其中最关键的就是asInterface()函数了，这个函数将承担把BpBinder打包成BpInterface的职责。
2.3.2 IMPLEMENT_META_INTERFACE()
与DECLARE_META_INTERFACE相对的就是IMPLEMENT_META_INTERFACE宏。它的定义如下：
#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME) \
const android::String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME); \
const android::String16& \
I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const { \
return I##INTERFACE::descriptor; \
} \
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; \
} \
I##INTERFACE::I##INTERFACE() { } \
I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { } \
其中，实现了关键的asInterface()函数。
实际使用IMPLEMENT_META_INTERFACE时，我们只需把它简单地写在binder实体所处的cpp文件中即可，举例如下：
其中的IMPLEMENT_META_INTERFACE(Camera, “android.hardware.ICamera”);一句相当于以下这段代码：
const android::String16 ICamera::descriptor(“android.hardware.ICamera”);
const android::String16& ICamera::getInterfaceDescriptor() const
{
return ICamera::descriptor;
}
android::sp<ICamera> ICamera::asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj)
{
android::sp<ICamera > intr;
if (obj != NULL)
{
intr = static_cast<ICamera*>(obj->queryLocalInterface(
ICamera::descriptor).get());
if (intr == NULL)
{
intr = new BpCamera(obj);
}
}
return intr;
}
ICamera::ICamera() { }
ICamera::~ICamera () { }
看来，其中重点实现了asInterface()成员函数。请注意，asInterface()函数中会先尝试调用 queryLocalInterface()来获取intr。此时，如果asInterface()的obj参数是个代理对象（BpBinder），那么 intr = static_cast<ICamera*>(obj->queryLocalInterface(...)一句得到的intr基本上 就是NULL啦。这是因为除非用户编写的代理类重载queryLocalInterface()函数，否则只会以默认函数为准。而IBinder类中的默 认queryLocalInterface()函数如下：
【frameworks/native/libs/binder/Binder.cpp】
sp<IInterface> IBinder::queryLocalInterface(const String16& descriptor)
{
return NULL;
}
另一方面，如果obj参数是个实现体对象（BnInterface对象）的话，那么queryLocalInterface()函数的默认返回值就是实体对象的this指针了，代码如下：
【frameworks/native/include/binder/IInterface.h】
template<typename INTERFACE>
inline sp<IInterface> BnInterface<INTERFACE>::queryLocalInterface(const String16& _descriptor)
{
if (_descriptor == INTERFACE::descriptor)
return this;
return NULL;
}
在我们所举的Camera例子中，我们要研究的是如何将BpBinder转成BpInterface，所以现在我们只阐述obj参数为BpBinder的 情况。此时asInterface()函数中obj->queryLocalInterface()的返回值为NULL，于是 asInterface()会走到new BpCamera(obj)一句，这一句是最关键的一句。我们知道，BpCamera继承于BpInterface<ICamera>，所以 此时所创建的BpCamera对象正是可被App使用的BpInterface代理对象。
BpCamera的定义如下：
class BpCamera: public BpInterface<ICamera>
{
public:
BpCamera(const sp<IBinder>& impl)
: BpInterface<ICamera>(impl)
{
}
// disconnect from camera service
void disconnect()
{
LOGV("disconnect");
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(ICamera::getInterfaceDescriptor());
remote()->transact(DISCONNECT, data, &reply);
}
. . . . . .
至此，IMPLEMENT_META_INTERFACE宏和asInterface()函数的关系就分析完毕了。
2.3.3 interface_cast
不过，我们经常使用的其实并不是asInterface()函数，而是interface_cast()，它简单包装了asInterface()：
template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
return INTERFACE::asInterface(obj);
}
以上就是关于C++层次中一些binder元素的介绍，下面我们再进一步分析其他细节。
3 ProcessState
前文我们已经提到过，在Android的上层架构中，已经大幅度地弱化了进程的概念。应用程序员能看到的主要是activity、service、 content provider等概念，再也找不到以前熟悉的main()函数了。然而，底层程序（C++层次）毕竟还是得跑在一个个进程之上，现在我们就来看底层进程 是如何运用Binder机制来完成跨进程通信的。
在每个进程中，会有一个全局的ProcessState对象。这个很容易理解，ProcessState的字面意思不就是“进程状态”吗，当然应该是每个 进程一个ProcessState。ProcessState的定义位于frameworks/native/include/binder /ProcessState.h中，我们只截选其中的一部分：
class ProcessState : public virtual RefBase
{
public:
static sp<ProcessState> self();
. . . . . .
void startThreadPool();
. . . . . .
void spawnPooledThread(bool isMain);
status_t setThreadPoolMaxThreadCount(size_t maxThreads);
private:
friend class IPCThreadState;
. . . . . .
struct handle_entry
{
IBinder* binder;
RefBase::weakref_type* refs;
};
handle_entry* lookupHandleLocked(int32_t handle);
int mDriverFD;
void* mVMStart;
mutable Mutex mLock; // protects everything below.
Vector<handle_entry> mHandleToObject;
. . . . . .
KeyedVector<String16, sp<IBinder> > mContexts;
. . . . . .
};
我们知道，Binder内核被设计成一个驱动程序，所以ProcessState里专门搞了个mDriverFD域，来记录binder驱动对应的句柄 值，以便随时和binder驱动通信。ProcessState对象采用了典型的单例模式，在一个应用进程中，只会有唯一的一个ProcessState 对象，它将被进程中的多个线程共用，因此每个进程里的线程其实是共用所打开的那个驱动句柄（mDriverFD）的，示意图如下：
每个进程基本上都是这样的结构，组合起来的示意图就是：
我们常见的使用ProcessState的代码如下：
int main(int argc, char** argv)
{
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
. . . . . .
. . . . . .
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}
因为ProcessState采用的是单例模式，所以它的构造函数是private的，我们只能通过调用ProcessState::self()来获取进程中唯一的一个ProcessState对象。self()函数的代码如下：
sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);
if (gProcess != NULL) {
return gProcess;
}
gProcess = new ProcessState;
return gProcess;
}
ProcessState对象构造之时，就会打开binder驱动：
ProcessState::ProcessState()
: mDriverFD(open_driver()) // 打开binder驱动。
, mVMStart(MAP_FAILED)
, mManagesContexts(false)
, mBinderContextCheckFunc(NULL)
, mBinderContextUserData(NULL)
, mThreadPoolStarted(false)
, mThreadPoolSeq(1)
{
. . . . . .
mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
. . . . . .
}
注意上面那句mDriverFD(open_driver())，其中的open_driver()就负责打开“/dev/binder”驱动：
static int open_driver()
{
int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
. . . . . .
status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
. . . . . .
size_t maxThreads = 15;
result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
. . . . . .
return fd;
}
ProcessState中另一个比较有意思的域是mHandleToObject：
Vector<handle_entry> mHandleToObject;
它是本进程中记录所有BpBinder的向量表噢，非常重要。我们前文已经说过，BpBinder是代理端的核心，现在终于看到它的藏身之处了。在 Binder架构中，应用进程是通过“binder句柄”来找到对应的BpBinder的。从这张向量表中我们可以看到，那个句柄值其实对应着这个向量表 的下标。这张表的子项类型为handle_entry，定义如下：
struct handle_entry
{
IBinder* binder;
RefBase::weakref_type* refs;
};
其中的binder域，记录的就是BpBinder对象。
Ok，有关Binder的初步知识，我们就先说这么多。我也不想一下子把所有的信息都塞到一篇文章中，所以打算把更多技术细节安排到其他文章中阐述，呵呵，这需要一点儿时间。
转自http://blog.csdn.net/codefly/article/details/17058607
