Android -- IPC通信机制之一Binder简介

时间:2022-08-07 16:13:50

Android -- IPC通信机制之一Binder简介


随着慢慢进入Android Media模块,遇到了很多新的知识和难点,其中之一就是native代码中使用频繁的Binder通信机制。Binder是Android中使用最频繁的一种IPC通信机制,底层基于内核的binder驱动。谷歌大神在native层封装了一套Binder API,供我们实现自己的Binder服务。 Binder是一种Client/Server架构的通信机制,它往往以系统服务的形式存在于系统中。客户端获取一个服务代理对象,通过该服务代理对象与与远程的Server(通常服务端也会有一个服务端代理对象)进行操作交互,实现IPC通信。既然,Binder通信基于Client/Server架构,且以服务的形式存在,那就必须要考虑服务的管理工作。Android中有一个特殊的程序专门用来管理系统中各种各样的服务,它就是ServiceManager。我们实现了自己的服务后,需要注册到ServiceManager中;当Client要使用某个服务时,则要通过ServiceManager获取到该服务的代理对象。 说了这么多, 我们就以MediaServer这个服务为例,来分析native层Binder的通信机制。MediaServer是Android系统中一个庞大、复杂的模块,它在init.rc进行声明:
service media /system/bin/mediaserver
class main
user media
group audio camera inet net_bt net_bt_admin net_bw_acct drmrpc mediadrm
ioprio rt 4
当init进程解析到该服务声明时,会为它创建进程并启动它的主程序,具体定义在main_mediaserver.cpp中:
int main(int argc __unused, char** argv){    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);    char value[PROPERTY_VALUE_MAX];    bool doLog = (property_get("ro.test_harness", value, "0") > 0) && (atoi(value) == 1);    pid_t childPid;    // FIXME The advantage of making the process containing media.log service the parent process of    // the process that contains all the other real services, is that it allows us to collect more    // detailed information such as signal numbers, stop and continue, resource usage, etc.    // But it is also more complex.  Consider replacing this by independent processes, and using    // binder on death notification instead.    if (doLog && (childPid = fork()) != 0) {        // media.log service        //prctl(PR_SET_NAME, (unsigned long) "media.log", 0, 0, 0);        // unfortunately ps ignores PR_SET_NAME for the main thread, so use this ugly hack        strcpy(argv[0], "media.log");        sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());        MediaLogService::instantiate();        ProcessState::self()->startThreadPool();        for (;;) {           ...    } else {        // all other services        if (doLog) {            prctl(PR_SET_PDEATHSIG, SIGKILL);   // if parent media.log dies before me, kill me also            setpgid(0, 0);                      // but if I die first, don't kill my parent        }        InitializeIcuOrDie();        sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());//1、创建ProcessState实例        sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();//2、获取IServiceManager的实例,与ServiceManagner交互,用于注册或者获取服务        ALOGI("ServiceManager: %p", sm.get());//调试信息        AudioFlinger::instantiate();        MediaPlayerService::instantiate();//3、创建MediaPlayerService实例,通过ServiceManager注册服务                ResourceManagerService::instantiate();        CameraService::instantiate();        AudioPolicyService::instantiate();                SoundTriggerHwService::instantiate();        RadioService::instantiate();        registerExtensions();        //4、创建线程、启动线程池,处理Binder通信请求        ProcessState::self()->startThreadPool();        IPCThreadState::self()->joinThreadPool();    }}
我们根据代码标记处的四步代码处理,来具体分析其中的Binder通信机制。

一、创建ProcessState对象

        sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());//1、创建ProcessState实例
ProcessState类描述了当前进程的状态信息,每个进程只会有一个ProcessState实例。看它的构造过程:
//self()使用了单例模式,每个进程只有一个ProcessState对象sp<ProcessState> ProcessState::self(){    Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);    if (gProcess != NULL) {        return gProcess;    }    gProcess = new ProcessState;    return gProcess;}
self()使用单例模式创建ProcessState实例,具体构造过程看其构造函数:
ProcessState::ProcessState()    : mDriverFD(open_driver())//打开/dev/binder这个虚拟设备,它的作用就是用于完成进程间通信    , mVMStart(MAP_FAILED)    , mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)    , mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)    , mExecutingThreadsCount(0)    , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)    , mManagesContexts(false)    , mBinderContextCheckFunc(NULL)    , mBinderContextUserData(NULL)    , mThreadPoolStarted(false)    , mThreadPoolSeq(1){    if (mDriverFD >= 0) {        // XXX Ideally, there should be a specific define for whether we        // have mmap (or whether we could possibly have the kernel module        // availabla).#if !defined(HAVE_WIN32_IPC)       // mmap the binder, providing a chunk of virtual address space to receive transactions.            /*    *mmap将一个文件或者其它对象映射进内存    *        *void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);        *        *start:映射区的开始地址,设置为0时表示由系统决定映射区的起始地址。        **length:映射区的长度。//长度单位是 以字节为单位,不足一内存页按一内存页处理**prot:期望的内存保护标志,不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值,可以通过or运算合理地组合在一起*PROT_EXEC //页内容可以被执行*PROT_READ //页内容可以被读取*PROT_WRITE //页可以被写入*PROT_NONE //页不可访问**flags:指定映射对象的类型,映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体*MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址,如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间,重叠部分将会被丢弃。*  //如果指定的起始地址不可用,操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。*MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入,相当于输出到文件。*   //直到msync()或者munmap()被调用,文件实际上不会被更新。*MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的,只能使用其中一个。*MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。*MAP_EXECUTABLE //同上*MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留,对映射区修改的可能会得到保证。*  //当交换空间不被保留,同时内存不足,对映射区的修改会引起段违例信号。*MAP_LOCKED //锁定映射区的页面,从而防止页面被交换出内存。*MAP_GROWSDOWN //用于堆栈,告诉内核VM系统,映射区可以向下扩展。*MAP_ANONYMOUS //匿名映射,映射区不与任何文件关联。*MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称,不再被使用。*MAP_FILE //兼容标志,被忽略。*MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB,MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。*MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。*MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读,只为已存在于内存中的页面建立页表入口。*    *fd:有效的文件描述词。一般是由open()函数返回,其值也可以设置为-1,此时需要指定flags参数中的MAP_ANON,表明进行的是匿名映射。**off_toffset:被映射对象内容的起点。**成功执行时,mmap()返回被映射区的指针*        */        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);//mmap后,binder驱动会分配一块内存来接收数据        if (mVMStart == MAP_FAILED) {            // *sigh*            ALOGE("Using /dev/binder failed: unable to mmap transaction memory.\n");            close(mDriverFD);            mDriverFD = -1;        }#else        mDriverFD = -1;#endif    }    LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mDriverFD < 0, "Binder driver could not be opened.  Terminating.");}
其中有一个很重要的初始化操作就是调用open_driver()函数初始化了mDriverFD字段,它保存了/dev/binder设备文件的文件描述符:
static int open_driver(){    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);//打开这个设备,获取对应的文件描述符,这个fd就是我们与kernel中的binder驱动交互的通道    if (fd >= 0) {        fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);//fcntl函数可以设置fd对应的文件的某些属性        int vers = 0;        status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);        if (result == -1) {            ALOGE("Binder ioctl to obtain version failed: %s", strerror(errno));            close(fd);            fd = -1;        }        if (result != 0 || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {            ALOGE("Binder driver protocol does not match user space protocol!");            close(fd);            fd = -1;        }        size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;        result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);//设置fd所支持的最大线程数        if (result == -1) {            ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(errno));        }    } else {        ALOGW("Opening '/dev/binder' failed: %s\n", strerror(errno));    }    return fd;}
/dev/binder是一个Binder设备,我们通过对该设备进行读写来与Binder驱动通信。该函数中打开了Binder设备,并对其进行了一些设置操作,如该设备支持的最大线程数等。
再看构造函数中的处理,我们获取到了Binder设备的文件描述符后,需要调用mmap()把该文件映射到内存中,此时Binder驱动就会为该设备分配一块内存空间,用来进行数据交互。这里ProcessState的创建工作就结束了,它最主要的工作就是打开了Binder设备,并把它映射到内存中,以支持IPC通信。

二、获取ServiceManager代理

紧接着,看第二步:
        sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();//2、获取IServiceManager的实例,与ServiceManagner交互,用于注册或者获取服务
直接看defaultServiceManager()函数:
//使用了单例设计模式
sp<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
if (gDefaultServiceManager != NULL) return gDefaultServiceManager;

{
AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock);
while (gDefaultServiceManager == NULL) {

gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(
ProcessState::self()->getContextObject(NULL));//这里有两个函数调用,interface_cast()以及getContextObject(),参数是NULL

if (gDefaultServiceManager == NULL)
sleep(1);
}
}

return gDefaultServiceManager;
}
这里也使用了单例模式,主要是为了获取gDefaultServiceManager实例,它的类型是IServiceManager(IInterface的子类,IInterface中定义了两个重要的目标函数),该类定义了ServiceManager提供的所有业务方法:
//IServiceManager是一个业务逻辑类,它定义了ServiceManager需要提供的服务;从函数声明可知,主要包括获取服务、检查服务、添加服务和枚举服务//重要地,它内部声明了一个宏定义函数:DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);class IServiceManager : public IInterface{public:    DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);    /**     * Retrieve an existing service, blocking for a few seconds     * if it doesn't yet exist.     */    virtual sp<IBinder>         getService( const String16& name) const = 0;    /**     * Retrieve an existing service, non-blocking.     */    virtual sp<IBinder>         checkService( const String16& name) const = 0;    /**     * Register a service.     */    virtual status_t            addService( const String16& name,                                            const sp<IBinder>& service,                                            bool allowIsolated = false) = 0;    /**     * Return list of all existing services.     */    virtual Vector<String16>    listServices() = 0;    enum {//这里定义的是四个业务方法的编号,就是onTransact()、transact()函数中的code值        GET_SERVICE_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION,        CHECK_SERVICE_TRANSACTION,        ADD_SERVICE_TRANSACTION,        LIST_SERVICES_TRANSACTION,    };};
为了获取到ServiceManager的代理对象,这里有两个主要的函数调用:interface_cast()以及getContextObject()。我们从内而外分析,先看getContextObject()实现:
//参数传入是NULL
sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& /*caller*/)
{
return getStrongProxyForHandle(0);//参数是0,是一个特殊的句柄;观察函数名大概可以猜出是要根据某一个句柄值,去找到某一个代理对象;从这看,这里的0更像是一个数组索引
}
层次调用getStrongProxyForHandle()函数,由函数名称大概可知它会根据一个Handle值(这里为0)去得到一个代理;看它的具体实现:
//最后返回的是一个指向BpBinder类型的强指针sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle){    sp<IBinder> result;    AutoMutex _l(mLock);    handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle);//根据参数值,找到它所对应的那个代理对象;这里参数值是0;返回值类型是handle_entry    if (e != NULL) {        // We need to create a new BpBinder if there isn't currently one, OR we        // are unable to acquire a weak reference on this current one.  See comment        // in getWeakProxyForHandle() for more info about this.        IBinder* b = e->binder;        if (b == NULL || !e->refs->attemptIncWeak(this)) {            if (handle == 0) {//从源码注释可知,handle为0代表了一个特殊的代理对象:context manager,即ServiceManager的代理对象                // Special case for context manager...                // The context manager is the only object for which we create                // a BpBinder proxy without already holding a reference.                // Perform a dummy transaction to ensure the context manager                // is registered before we create the first local reference                // to it (which will occur when creating the BpBinder).                // If a local reference is created for the BpBinder when the                // context manager is not present, the driver will fail to                // provide a reference to the context manager, but the                // driver API does not return status.                //                // Note that this is not race-free if the context manager                // dies while this code runs.                //                // TODO: add a driver API to wait for context manager, or                // stop special casing handle 0 for context manager and add                // a driver API to get a handle to the context manager with                // proper reference counting.                Parcel data;                status_t status = IPCThreadState::self()->transact(                        0, IBinder::PING_TRANSACTION, data, NULL, 0);//保证在我需要创建这样一个context manager实例之前,它已经注册到系统中了;否则,返回NULL                if (status == DEAD_OBJECT)                   return NULL;            }            b = new BpBinder(handle); //创建BpBinder对象,用于填充;handle值会保存到mHandle,此处是0            e->binder = b;            if (b) e->refs = b->getWeakRefs();            result = b;        } else {            // This little bit of nastyness is to allow us to add a primary            // reference to the remote proxy when this team doesn't have one            // but another team is sending the handle to us.            result.force_set(b);            e->refs->decWeak(this);        }    }    return result;}
果然,它通过lookupHandleLocked()函数,查找句柄(handle)值为0的那个代理对象:
ProcessState::handle_entry* ProcessState::lookupHandleLocked(int32_t handle){    const size_t N=mHandleToObject.size();    if (N <= (size_t)handle) {//如果集合内存储的对象总数小于要被查找的索引值,则会创建一个新的对象        handle_entry e;        e.binder = NULL;//填充对象,IBinder类型        e.refs = NULL;//填充对象,RefBase::weakref_type类型;用于引用计数,控制对象的消亡        status_t err = mHandleToObject.insertAt(e, N, handle+1-N);        if (err < NO_ERROR) return NULL;    }    return &mHandleToObject.editItemAt(handle);}
从我们分析的意图来看,0这个句柄值所对应的代理对象就应该是ServiceManager。该函数的整个处理过程类似数组的查找,最后返回一个ProcessState::handle_entry类型对象,它的类型定义是:
            struct handle_entry {                IBinder* binder;                RefBase::weakref_type* refs;            };
我们主要关注IBinder成员变量。如果根据句柄值,没有查找到对应的资源项,就会重新构建一个handle_entry对象,它的binder值为null;此时符合这种场景。回到getStrongProxyForHandle()函数,由于我们这里的handle值就是0,且e->binder为null。最后就会根据句柄值创建一个BpBinder实例,并返回函数调用。
至此,我们就遇到了几个重要的Binder类型:BpBinder、BBinder和IBinder,它们是Android中用于Binder通信的代表;即正真与Binder驱动交互,都要通过这三个类来完成。 我们首先看下这几个类的家族图谱: Android -- IPC通信机制之一Binder简介
BpBinder的主要定义如下:
//在Binder通信框架中,是客户端与Server进行交互的代理类;它与一个BBinder对应
class BpBinder : public IBinder
{
public:
BpBinder(int32_t handle);

inline int32_t handle() const { return mHandle; }

virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;

virtual status_t transact( uint32_t code,
const Parcel& data,
Parcel* reply,
uint32_t flags = 0);
...

protected:
virtual ~BpBinder();
virtual void onFirstRef();
virtual void onLastStrongRef(const void* id);
virtual bool onIncStrongAttempted(uint32_t flags, const void* id);

private:
const int32_t mHandle;//保持handle值,此处为0;在与BBinder通信时,可以根据句柄值找到目的对象

...
};
BBinder的定义类似:
//与BpBinder对应,是Server的代理类;它与BpBinder进行交互class BBinder : public IBinder{public:                        BBinder();    virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;    ...    virtual status_t    transact(   uint32_t code,                                    const Parcel& data,                                    Parcel* reply,                                    uint32_t flags = 0);    ...protected:    virtual             ~BBinder();    virtual status_t    onTransact( uint32_t code,                                    const Parcel& data,                                    Parcel* reply,                                    uint32_t flags = 0);    ...};
BpBinder中的transact()函数是Client端(这里是BpServiceManager)用来向Server代理端发送进程间通信请求的。当Binder驱动接收到Client组件发送过来的进程间通信请求后,就会调用BBinder::transact()处理该请求;BBinder中的onTransact()函数一般都是由一个BBinder的子类(这里是BnServiceManager,Server组件)来实现,它负责分发接收到的来自Client端的进程间通信请求,并交与某个服务类(服务类一般都是Server组件的子类,并实现服务的业务方法;我们注册一个服务时,就是将这个服务类注册进系统中。这里是Service Manager处理。
我们得到了new BpBinder(0)实例对象后,再返回到外层函数调用:
//使用了单例设计模式
sp<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
if (gDefaultServiceManager != NULL) return gDefaultServiceManager;

{
AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock);
while (gDefaultServiceManager == NULL) {
/*
*ProcessState::self()->getContextObject(NULL)函数最终返回一个new BpBinder(0)对象实例
*
*所以就得出:
*
*interface_cast<IServiceManager>(new BpBinder(0));
*
*而BpBinder实例就是一个与Server交互的代理类,我们带着这个代理类实例去调用interface_cast()
*
*/
gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(
ProcessState::self()->getContextObject(NULL));//这里有两个函数调用,interface_cast()以及getContextObject(),参数是NULL

if (gDefaultServiceManager == NULL)
sleep(1);
}
}

return gDefaultServiceManager;
}
interface_cast<IServiceManager>()函数是一个重要的模板函数,它定义IServiceManager.h中:
/*一个模板函数当INTERFACE为IServiceManager时,整个函数定义就是:template<typename IServiceManager>inline sp<IServiceManager> interface_cast(const sp<IBinder>& obj){    return IServiceManager::asInterface(obj);}实际调用IServiceManager::asInterface(obj)函数*/template<typename INTERFACE>inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj){    return INTERFACE::asInterface(obj);}
由代码可知,它实际调用的是IServiceManager::asInterface(obj)函数,那asInterface()函数到底是怎么声明的呢?在IInterface.h中有一个特殊的宏定义:
#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();                                            \
(C++中'##'是连接符号,可以将两个token连接成一个token)它声明了几个函数,其中就有asInterface(),具体的类型名称都由模板类型决定;同时,这几个函数的定义也是由一个宏来定义的:
#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() { }                                   \
而IServiceManager是IInterface的子类,自然而然就继承了这些宏定义的方法;同时,IServiceManager也明确了这两个宏定义的类型:
DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);
IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager, "android.os.IServiceManager");//第二个变量会初始化一个descriptor成员变量,它跟进程间通信的合法性检测有关
所以,我们就得出了这几个重要的函数声明与定义:
//#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               \    static const android::String16 descriptor;                          \    static android::sp<IServiceManager> asInterface(                       \            const android::sp<android::IBinder>& obj);                  \    virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;    \    IServiceManager();                                                     \    virtual ~IServiceManager();  
//#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \    const android::String16 IServiceManager::descriptor(NAME);             \    const android::String16&                                            \            IServiceManager::getInterfaceDescriptor() const {              \        return IServiceManager::descriptor;                                \    }                                                                   \    android::sp<IServiceManager> IServiceManager::asInterface(                \            const android::sp<android::IBinder>& obj)                   \    {                                                                   \        android::sp<IServiceManager> intr;                                 \        if (obj != NULL) {                                              \            intr = static_cast<IServiceManager*>(                          \                obj->queryLocalInterface(                               \                        IServiceManager::descriptor).get());               \            if (intr == NULL) {                                         \                intr = new BpServiceManager(obj);                          \            }                                                           \        }                                                               \        return intr;                                                    \    }                                                                   \    IServiceManager::IServiceManager() { }                                    \    IServiceManager::~IServiceManager() { }  
我们初始化了descriptor成员,它描述了某个服务的名字;IServiceManager::asInterface()函数的定义也明确了,我们就接着看对它的调用。我们传入的参数是new BpBinder(0)实例对象,第一次调用时,我们会以BpBinder为参数创建一个BpServiceMananger对象。这里又冒出了一个BpXXX类,它又是什么呢?要搞清楚它的作用,我们首先要明确整个IServiceManager类的家族关系:
Android -- IPC通信机制之一Binder简介
上图描述了IServiceManager类的整个家族图谱,同时它也是一个标准的使用Binder API搭建的一个使用Binder进行IPC通信的服务模板。此时我们的服务是ServiceManager。 因为Binder是基于客户端/服务端架构的,所以BpInterface、BnInterface分支分别代表了Client组件和Server组件(可以将它们归为Binder API的一部分);BpServiceManager、BnServiceManager则是ServiceManage实现的Client组件和Server组件。 那我们再来看下BpServiceManager和BnServiceManager组件的实现:
// ----------------------------------------------------------------------

class BpServiceManager : public BpInterface<IServiceManager>
{
public:
BpServiceManager(const sp<IBinder>& impl)
: BpInterface<IServiceManager>(impl)
{
}

virtual sp<IBinder> getService(const String16& name) const
{
unsigned n;
for (n = 0; n < 5; n++){
sp<IBinder> svc = checkService(name);
if (svc != NULL) return svc;
ALOGI("Waiting for service %s...\n", String8(name).string());
sleep(1);
}
return NULL;
}

virtual sp<IBinder> checkService( const String16& name) const
{
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());//首先写入IServiceManager的接口描述符,用于后面的CHECK_INTERFACE()合法性检测
data.writeString16(name);
remote()->transact(CHECK_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
return reply.readStrongBinder();
}

virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service,
bool allowIsolated)
{//Parcel可以看做是一个数据存储类,都是将数据封装到对象中
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());//首先写入IServiceManager的接口描述符,用于后面的CHECK_INTERFACE()合法性检测
data.writeString16(name);
data.writeStrongBinder(service);//服务实例
data.writeInt32(allowIsolated ? 1 : 0);
status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);//remote()返回的就是new BpBinder(0)
return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;
}

virtual Vector<String16> listServices()
{
Vector<String16> res;
int n = 0;

for (;;) {
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());//首先写入IServiceManager的接口描述符,用于后面的CHECK_INTERFACE()合法性检测
data.writeInt32(n++);
status_t err = remote()->transact(LIST_SERVICES_TRANSACTION, data, &reply);
if (err != NO_ERROR)
break;
res.add(reply.readString16());
}
return res;
}
};
status_t BnServiceManager::onTransact(    uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags){    //printf("ServiceManager received: "); data.print();    switch(code) {        case GET_SERVICE_TRANSACTION: {            CHECK_INTERFACE(IServiceManager, data, reply);//检查该进程间通信的合法性,判断是否是从IServiceManager Client组件发送过来的,主要依据就是              //IMPLEMENT_META_INTERFACE宏实现中初始化的descriptor成员值,如果判断为非法,则不会往下执行            String16 which = data.readString16();            sp<IBinder> b = const_cast<BnServiceManager*>(this)->getService(which);            reply->writeStrongBinder(b);            return NO_ERROR;        } break;        case CHECK_SERVICE_TRANSACTION: {            CHECK_INTERFACE(IServiceManager, data, reply);            String16 which = data.readString16();            sp<IBinder> b = const_cast<BnServiceManager*>(this)->checkService(which);            reply->writeStrongBinder(b);            return NO_ERROR;        } break;        case ADD_SERVICE_TRANSACTION: {            CHECK_INTERFACE(IServiceManager, data, reply);            String16 which = data.readString16();            sp<IBinder> b = data.readStrongBinder();            status_t err = addService(which, b);            reply->writeInt32(err);            return NO_ERROR;        } break;        case LIST_SERVICES_TRANSACTION: {            CHECK_INTERFACE(IServiceManager, data, reply);            Vector<String16> list = listServices();            const size_t N = list.size();            reply->writeInt32(N);            for (size_t i=0; i<N; i++) {                reply->writeString16(list[i]);            }            return NO_ERROR;        } break;        default:            return BBinder::onTransact(code, data, reply, flags);    }}
如果我们要搭建一个名为MyService的自定义服务,整体架构上我们只需在IServiceManager类的位置声明一个类IMyService进行替换,定义自己的业务方法并实现IInterface的宏方法,再实现我们自己的Client组件和Server组件(其中的实现细节都可以参考上面的BpServiceManager和BnServiceManager),那IMyService服务的整个框架就搭成了。 在创建BpServiceManager时,我们传入了一个BpBinder实例;在Client组件侧,我们进行Binder通信使用的就是这个new BpBinder(0)实例;BpRefBase有一个IBinder类型的指针变量mRemote,BpBinder实例就是保存在这个变量中,用于后面的Binder通信。 分析到这,我们就知道了重要的两点:
  • interface_cast<>()函数并不是正真的接口类型转换,而是用BpBinder(mHandle为0)实例创建了一个BpServiceManager对象,以此来创建了Client组件,并为它提供了与Server组件通信的桥梁.
  • defaultServiceManager()函数返回的是一个ServiceManager client组件的代理,我们通过这个Client组件实例与Server组件通信,来获得ServiceManager的服务.

三、注册系统服务

MediaPlayerService::instantiate();//3、创建MediaPlayerService实例,通过ServiceManager注册服务
在了解了Binder通信的基本原理后,我们在来看一个使用Binder进行服务注册的实例。ServiceManager是所有服务的总管,服务都要通过它注册到系统中。我们看一下MediaPlayerService服务注册的过程,来简单分析一下Binder通信的实际过程。
MediaPlayerService的构造过程如下:
void MediaPlayerService::instantiate() {
defaultServiceManager()->addService(
String16("media.player"), new MediaPlayerService());//调用addService()添加的服务实例对象是BnXXXYYY的子类,它是实现了业务接口的Server组件子类.
}
addService()函数传入了一个MediaPlayerService实例对象,它实际是一个BnMediaPlayerService(MediaPlayerService的Server组件)的子类,并实现了IMeidaPlayerService中定义的所有业务方法。当我们调用ServiceManager的getService()获取MediaPlayerService的代理对象时,获取到的实际是一个代表代表该服务Server组件的类型为BpBinder的代理对象,我们还需调用IMediaPlayerService::asInterface()方法将该BpBinder实例转化成BpMediaPlayerService对象,供客户端调用MediaPlayerService提供的服务。我们只关注服务的注册过程,而不着重考虑MediaPlayerService的创建。该方法中调用了addService()方法进行服务注册,并传入了一个服务名称字符串和服务实例对象;由此我们基本可以猜出,别处如果要获取某个服务,应该就是通过这个名称字符串来查找、获取的。我们已经知道defaultServiceManager()函数返回的是一个BpServiceManager对象,直接看它的addService()方法:
    virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service,
bool allowIsolated)
{//Parcel可以看做是一个数据存储类,都是将数据封装到对象中
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
data.writeString16(name);
data.writeStrongBinder(service);//服务实例
data.writeInt32(allowIsolated ? 1 : 0);
status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);//remote()返回的就是new BpBinder(0)
return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;
}
transact()函数的第一个参数,我们可以看做是一个操作代码,或者是某个操作函数的标号;Server组件可以根据这个code值,得悉我们需要它做什么处理。
直接看BpBinder中的处理:
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);//创建IPCThreadState实例,来进行真正的IPC通信
if (status == DEAD_OBJECT) mAlive = 0;
return status;
}

return DEAD_OBJECT;
}
这里出现了一个新类型IPCThreadState,它是真正做事情的一个实体,并且每个线程都会有一个IPCThreadState实例。从Client组件传过来的请求都是靠它处理的。我们看它的self()函数:
//主要就是创建IPCThreadState对象,并使用了同步机制IPCThreadState* IPCThreadState::self(){    if (gHaveTLS) {restart:        const pthread_key_t k = gTLS;        IPCThreadState* st = (IPCThreadState*)pthread_getspecific(k);        if (st) return st;        return new IPCThreadState;//调用构造函数,创建IPCThreadState对象    }        if (gShutdown) return NULL;        pthread_mutex_lock(&gTLSMutex);    if (!gHaveTLS) {        if (pthread_key_create(&gTLS, threadDestructor) != 0) {            pthread_mutex_unlock(&gTLSMutex);            return NULL;        }        gHaveTLS = true;    }    pthread_mutex_unlock(&gTLSMutex);    goto restart;}
看它的构造函数做了哪些处理:
IPCThreadState::IPCThreadState()    : mProcess(ProcessState::self()),/*保存当前进程的ProcessState对象*/      mMyThreadId(gettid()),      mStrictModePolicy(0),      mLastTransactionBinderFlags(0){    pthread_setspecific(gTLS, this);    clearCaller();    mIn.setDataCapacity(256);//设置接手数据的缓冲大小    mOut.setDataCapacity(256);//设置发送数据的缓冲大小}
由前面的分析可知,每个进程只会有一个ProcessState实例,这里保存了一份在mProcess成员中;mIn、mOut是它的两个内部成员:
//可以把Parcel类看成是一个封装数据的类            Parcel              mIn;//存储来自Binder设备的数据            Parcel              mOut;//存储发送到Binder设备的数据
分别对应着接收缓冲区和发送缓冲区,IPCThreadState构造过程中,给这两个缓冲区设置了缓冲大小。再分析IPCThreadState::transact()函数:
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;    IF_LOG_TRANSACTIONS() {        TextOutput::Bundle _b(alog);        alog << "BC_TRANSACTION thr " << (void*)pthread_self() << " / hand "            << handle << " / code " << TypeCode(code) << ": "            << indent << data << dedent << endl;    }        if (err == NO_ERROR) {        LOG_ONEWAY(">>>> SEND from pid %d uid %d %s", getpid(), getuid(),            (flags & TF_ONE_WAY) == 0 ? "READ REPLY" : "ONE WAY");        err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, NULL);//将数据传给内核中的Binder驱动    }        if (err != NO_ERROR) {        if (reply) reply->setError(err);        return (mLastError = err);    }        if ((flags & TF_ONE_WAY) == 0) {        #if 0        if (code == 4) { // relayout            ALOGI(">>>>>> CALLING transaction 4");        } else {            ALOGI(">>>>>> CALLING transaction %d", code);        }        #endif        if (reply) {            err = waitForResponse(reply);//数据发送出去后,等待Binder驱动回应        } else {            Parcel fakeReply;            err = waitForResponse(&fakeReply);        }        #if 0        if (code == 4) { // relayout            ALOGI("<<<<<< RETURNING transaction 4");        } else {            ALOGI("<<<<<< RETURNING transaction %d", code);        }        #endif                IF_LOG_TRANSACTIONS() {            TextOutput::Bundle _b(alog);            alog << "BR_REPLY thr " << (void*)pthread_self() << " / hand "                << handle << ": ";            if (reply) alog << indent << *reply << dedent << endl;            else alog << "(none requested)" << endl;        }    } else {        err = waitForResponse(NULL, NULL);    }        return err;}
通过代码分析可知,IPCThreadState内部采用了发送数据、等待回应的处理模式,这应该是我们很熟悉的数据处理模型。对这两步我们分别来看,首先是数据发送:
status_t IPCThreadState::writeTransactionData(int32_t cmd, uint32_t binderFlags,    int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, status_t* statusBuffer){    binder_transaction_data tr;//binder_transaction_data是一个数据对象,它由Binder驱动定义    tr.target.ptr = 0; /* Don't pass uninitialized stack data to a remote process */    tr.target.handle = handle;//BpBinder实例中的句柄值,这里是0    tr.code = code;//传给Serve组件的操作码,表示某种操作    tr.flags = binderFlags;    tr.cookie = 0;    tr.sender_pid = 0;    tr.sender_euid = 0;        const status_t err = data.errorCheck();    if (err == NO_ERROR) {        tr.data_size = data.ipcDataSize();        tr.data.ptr.buffer = data.ipcData();        tr.offsets_size = data.ipcObjectsCount()*sizeof(binder_size_t);        tr.data.ptr.offsets = data.ipcObjects();    } else if (statusBuffer) {        tr.flags |= TF_STATUS_CODE;        *statusBuffer = err;        tr.data_size = sizeof(status_t);        tr.data.ptr.buffer = reinterpret_cast<uintptr_t>(statusBuffer);        tr.offsets_size = 0;        tr.data.ptr.offsets = 0;    } else {        return (mLastError = err);    }//将数据写到Binder驱动中    mOut.writeInt32(cmd);    mOut.write(&tr, sizeof(tr));        return NO_ERROR;}
将数据封装到binder_transaction_data结构,并发送到内核中;它由Binder驱动定义。等待回应的处理部分是:
status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult){    uint32_t cmd;    int32_t err;    while (1) {        if ((err=talkWithDriver()) < NO_ERROR) break;//我去,talkWithDriver(),多么实在的名字        err = mIn.errorCheck();        if (err < NO_ERROR) break;        if (mIn.dataAvail() == 0) continue;                cmd = (uint32_t)mIn.readInt32();                IF_LOG_COMMANDS() {            alog << "Processing waitForResponse Command: "                << getReturnString(cmd) << endl;        }        switch (cmd) {        case BR_TRANSACTION_COMPLETE:            if (!reply && !acquireResult) goto finish;            break;                case BR_DEAD_REPLY:            err = DEAD_OBJECT;            goto finish;        case BR_FAILED_REPLY:            err = FAILED_TRANSACTION;            goto finish;                case BR_ACQUIRE_RESULT:            {                ALOG_ASSERT(acquireResult != NULL, "Unexpected brACQUIRE_RESULT");                const int32_t result = mIn.readInt32();                if (!acquireResult) continue;                *acquireResult = result ? NO_ERROR : INVALID_OPERATION;            }            goto finish;                case BR_REPLY://字面意思            {                binder_transaction_data tr;                err = mIn.read(&tr, sizeof(tr));                ALOG_ASSERT(err == NO_ERROR, "Not enough command data for brREPLY");                if (err != NO_ERROR) goto finish;                if (reply) {                    if ((tr.flags & TF_STATUS_CODE) == 0) {                        reply->ipcSetDataReference(                            reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),                            tr.data_size,                            reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),                            tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t),                            freeBuffer, this);                    } else {                        err = *reinterpret_cast<const status_t*>(tr.data.ptr.buffer);                        freeBuffer(NULL,                            reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),                            tr.data_size,                            reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),                            tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t), this);                    }                } else {                    freeBuffer(NULL,                        reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer),                        tr.data_size,                        reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets),                        tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t), this);                    continue;                }            }            goto finish;        default:            err = executeCommand(cmd);//执行回复命令            if (err != NO_ERROR) goto finish;            break;        }    }finish:    if (err != NO_ERROR) {        if (acquireResult) *acquireResult = err;        if (reply) reply->setError(err);        mLastError = err;    }        return err;}
IPCThreadState中保存了ProcessState实例对象,该对象又保存了Binder驱动设备文件的描述符mDriverFD;talkWithDriver()函数通过IO控制命令,从设备文件中读取回驱动的回复指令保存到mIn中,然后执行该命令:
status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd){    ...    case BR_TRANSACTION://业务回复        {            ...            if (tr.target.ptr) {                sp<BBinder> b((BBinder*)tr.cookie);//出现了BBinder类型,它是BnServiceXXX的父类型                error = b->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);//调用它的transact()            } else {                error = the_context_object->transact(tr.code, buffer, &reply, tr.flags);            }            //ALOGI("<<<< TRANSACT from pid %d restore pid %d uid %d\n",            //     mCallingPid, origPid, origUid);                        if ((tr.flags & TF_ONE_WAY) == 0) {                LOG_ONEWAY("Sending reply to %d!", mCallingPid);                if (error < NO_ERROR) reply.setError(error);                sendReply(reply, 0);            } else {                LOG_ONEWAY("NOT sending reply to %d!", mCallingPid);            }                        mCallingPid = origPid;            mCallingUid = origUid;            mStrictModePolicy = origStrictModePolicy;            mLastTransactionBinderFlags = origTransactionBinderFlags;            IF_LOG_TRANSACTIONS() {                TextOutput::Bundle _b(alog);                alog << "BC_REPLY thr " << (void*)pthread_self() << " / obj "                    << tr.target.ptr << ": " << indent << reply << dedent << endl;            }                    }        break;        case BR_DEAD_BINDER:        {            BpBinder *proxy = (BpBinder*)mIn.readPointer();//讣告相关的代码处理,只有BpBinder类型会接收到            proxy->sendObituary();            mOut.writeInt32(BC_DEAD_BINDER_DONE);            mOut.writePointer((uintptr_t)proxy);        } break;            case BR_CLEAR_DEATH_NOTIFICATION_DONE:    ...    return result;}
BBinder::transact():
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;}
最后会将回复的指令传给它的子类调用onTransact()去处理,一般是BnYyyXxx或BnYyyXxx的子类型来实现onTransact()函数处理。
由于要分析Binder通信的实际过程需要了解Binder驱动本身的协议和设计过程,所以上述的分析就显得较为单薄了。有兴趣的同学可以深入了解下Binder驱动的设计及实现,我们这里只是简略的过了一下这个过程,没有深入分析;这里主要是侧重于使用Binder IPC通信机制,设计自己的服务。
PS:这里有一篇内核大神写的文章,详细地介绍了Binder驱动的原理及架构,有兴趣的同学可以看看:Android Bander设计与实现 - 设计篇

四、创建线程池

main_mediaserver中,服务注册完毕后, 还调用了两个函数:
        ProcessState::self()->startThreadPool();//创建一个子线程,加入到线程池中,监听驱动是否有数据需要处理
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();//将当前主线程加入到线程池中,监听驱动是否有数据需要处理
来时刻监测来自驱动的请求:
void ProcessState::startThreadPool(){    AutoMutex _l(mLock);    if (!mThreadPoolStarted) {//头一次调用,mThreadPoolStarted肯定为false        mThreadPoolStarted = true;//这里设置为true,防止重复启动线程池        spawnPooledThread(true);    }}
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain){    if (mThreadPoolStarted) {        String8 name = makeBinderThreadName();        ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string());        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);//主动创建了一个子线程,来监听驱动的请求        t->run(name.string());    }}
class PoolThread : public Thread{public:    PoolThread(bool isMain)        : mIsMain(isMain)//isMain为TRUE    {    }    protected:    virtual bool threadLoop()    {        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);//将线程加入到线程池中,用于处理驱动的数据请求;joinThreadPool()函数参数默认为TRUE        return false;    }        const bool mIsMain;};
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)//isMain为true,表明这个线程是我们主动创建加入到线程池中的;否则,则表明这个线程是应Binder驱动的请求创建并加入到线程池的
{
LOG_THREADPOOL("**** THREAD %p (PID %d) IS JOINING THE THREAD POOL\n", (void*)pthread_self(), getpid());

mOut.writeInt32(isMain ? BC_ENTER_LOOPER : BC_REGISTER_LOOPER);//BC_ENTER_LOOPER通知驱动该线程加入到了主循环中,可以接收数据
//BC_REGISTER_LOOPER通知驱动一个线程已经创建了

// This thread may have been spawned by a thread that was in the background
// scheduling group, so first we will make sure it is in the foreground
// one to avoid performing an initial transaction in the background.
set_sched_policy(mMyThreadId, SP_FOREGROUND);

status_t result;
do {
processPendingDerefs();
// now get the next command to be processed, waiting if necessary

result = getAndExecuteCommand();//内部调用talkWithDriver()监听驱动是否有数据需要处理,调用executeCommand()处理数据

if (result < NO_ERROR && result != TIMED_OUT && result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF) {
ALOGE("getAndExecuteCommand(fd=%d) returned unexpected error %d, aborting",
mProcess->mDriverFD, result);
abort();
}

// Let this thread exit the thread pool if it is no longer
// needed and it is not the main process thread.
if(result == TIMED_OUT && !isMain) {//如果我们长时间没有等到通信请求、或者执行处理数据时超,并且该线程不是我们主动创建的时,则需要跳出循环
break;
}
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);

LOG_THREADPOOL("**** THREAD %p (PID %d) IS LEAVING THE THREAD POOL err=%p\n",
(void*)pthread_self(), getpid(), (void*)result);

mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);//通知驱动该线程已经退出主循环,不再接收数据
talkWithDriver(false);//参数为FALSE,表示不再接收数据
}
ProcessState::self()->startThreadPool()主要就是创建了一个子线程用于接收、处理驱动的数据;最后,也将当前主线程加入到了线程池中,用于处理来自驱动的数据。这也表明Binder设备的通信是支持多线程技术的。

PS:Binder图示源文件下载