Android最全深入理解 Android 内核设计思想（一）进程间通信与同步机制，程序员去大公司面试问题

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最后

感谢您的阅读，在文末给大家准备一个福利。本人从事Android开发已经有十余年，算是一名资深的移动开发架构师了吧。根据我的观察发现，对于很多初中级Android工程师而言，想要提升技能，往往是自己摸索成长，不成体系的学习效果低效漫长且无助。

所以在此将我十年载，从萌新小白一步步成长为Android移动开发架构师的学习笔记，从Android四大组件到手写实现一个架构设计，我都有一一的对应笔记为你讲解。

当然我也为你们整理好了百度、阿里、腾讯、字节跳动等等互联网超级大厂的历年面试真题集锦。这也是我这些年来养成的习惯，一定要学会把好的东西，归纳整理，然后系统的消化吸收，这样才能极大的提高学习效率和成长进阶。碎片、零散化的东西，我觉得最没有价值的。就好比你给我一张扑克牌，我只会觉得它是一张废纸，但如果你给我一副扑克牌，它便有了它的价值。这和我们收集资料就要收集那些系统化的，是一个道理。

最后，赠与大家一句诗，共勉！

不驰于空想，不骛于虚声。不忘初心，方得始终。

网上学习资料一大堆，但如果学到的知识不成体系，遇到问题时只是浅尝辄止，不再深入研究，那么很难做到真正的技术提升。

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一个人可以走的很快，但一群人才能走的更远！不论你是正从事IT行业的老鸟或是对IT行业感兴趣的新人，都欢迎加入我们的的圈子（技术交流、学习资源、职场吐槽、大厂内推、面试辅导），让我们一起学习成长！

共享内存

共享内存是一种常用的进程间通信机制，不同进程可以直接共享访问同一块内存区域，避免了数据拷贝，速度较快。实现步骤如下：

1. 创建内存共享区

Linux 通过 shmget 方法创建与特定 key 关联的共享内存块：

//返回共享内存块的唯一 Id 标识

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

2.映射内存共享区

Linux 通过 shmat 方法将某内存块与当前进程某内存地址映射：

//成功返回指向共享存储段的指针

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

3.访问内存共享区

其他进程要访问一个已存在的内存共享区的话，可以通过 key 调用 shmget 获取到共享内存块 Id，然后调用 shmat 方法映射。

4.进程间通信

当两个进程都实现对同一块内存共享区做映射后，就可以利用此内存共享区进行数据交换，但要自己实现同步机制。

5.撤销内存映射

进程间通信结束后，各个进程需要撤销之前的映射，Linux 可以调用 shmdt 方法撤销映射：

//成功则返回 0，否则出错

int shmdt(const void *shmaddr);

6.删除内存共享区

最后需要删除内存共享区，以便回收内存，Linux 可以调用 shctl 进行删除：

//成功则返回 0，否则出错，删除操作 cmd 需传 IPC_RMID

int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmget 方法名言简意赅，share memory get ！其中 get 还有一层含义，为什么不叫 create 呢？之前如果创建过某一 key 的共享内存块，再次调用便直接返回该内存块，不会发生创建操作了。

管道

管道（Pipe）是操作系统中常见的一种进程间通信方式，一根管道有”读取”和”写入”两端，读、写操作和普通文件操作类似，并且是单向的。

管道有容量限制，当写满时，写操作会被阻塞；为空时读操作会被阻塞。

Linux 通过 pipe 方法打开一个管道：

//pipe_fd[0] 代表读端，pipe_fd[1] 代表写端，

int pipe(int pipe_fd[2], int flags);

以上方式只能用于父子进程，因为只有一个进程中定义的 pipe_fd 文件描述符只有通过 fork 方式才能传给另一个进程继承获取到，也正是因为这个限制，Named Pipe 得以发展，改变了前者匿名管道的方式，可以在没有任何关系的两个进程间使用。

UNIX Domain Socket

UNIX Domain Socket（UDS）是专门针对单机内的进程间通信，也称 IPC Socket，与 Network Socket 使用方法基本一致，但实现原理区别很大：

Network Socket 基于 TCP/IP 协议，通过 IP 地址或端口号进行跨进程通信
UDS 基于本机 socket 文件，不需要经过网络协议栈，不需要打包拆包、计算校验等

Android 中使用最多的 IPC 是 Binder，其次就是 UDS。

Remote Procedure Calls

RPC 即远程过程调用（Remote Procedure Call），RPC 是指计算机 A 上的进程，调用另外一台计算机 B 上的进程，其中 A 上的调用进程被挂起，而 B 上的被调用进程开始执行，当值返回给 A 时，A 进程继续执行。

调用方可以通过使用参数将信息传送给被调用方，而后通过传回的结果得到信息。

Java RMI 就是一种 RPC 框架，指的是远程方法调用 (Remote Method Invocation)，它能够让一个 Java 虚拟机上的对象调用另一个 Java 虚拟机中的对象的方法。

RPC 可以理解为一种编程模型，就像 IPC 一样，我们常说 Android AIDL 是一种 IPC 实现方式，也可以称为一种 RPC 方式。

同步机制的经典实现

信号量

信号量与 PV 原语操作是一种广泛使用的实现进程/线程互斥与同步的有效方法，Semaphore S 信号量用于指示共享资源的可用数量。

P 操作：

S = S - 1
然后判断若 S 大于等于 0，代表共享资源允许访问，进程继续执行
若 S 小于 0，代表共享资源被占用，需等待别人主动释放资源，该进程阻塞放入等待该信号量的队列中，等待被唤醒

V 操作：

S = S + 1
然后判断若 S 大于 0，代表没有正在等待访问该资源的进程，无需处理
若 S 小于等于 0，从该信号的等待队列中唤醒一个进程

Java 中的信号量的实现类为 Semaphore，P、V 操作分别对应 acquire、release 方法。

Mutex

Mutex 即互斥锁，可以和信号量对比来理解，信号量可以使资源同时被多个线程访问，而互斥锁同时只能被一个线程访问。也就是说，互斥锁相当于一个只允许取值 0 或 1 的信号量。

Java 中 ReentrantLock 就是互斥锁的一种实现。

管程

采用 Semaphore 机制的程序中 P、V 操作大量分散在程序中，代码易读性差，不易管理，容易发生死锁，所以引入了管程 Monitor。

管程把分散在各进程中的临界区集中起来进行管理，防止进程有意或无意的违法同步操作，便于用高级语言来书写程序，也便于程序正确性验证。

管程封装了同步操作，对进程隐蔽了同步细节，简化了同步功能的调用界面。用户编写并发程序如同编写顺序(串行)程序。

Java 中 synchronized 同步代码块就是 Monitor 的一种实现。

Linux Futex

Futex 全称 Fast Userspace muTexes，直译为快速用户空间互斥体，那他比普通的 Mutex 快在哪里呢？

Semaphore 等传统同步机制需要从用户态进入到内核态，通过一个提供了共享状态信息和原子操作的内核对象来完成同步。但大多数场景同步是无竞争的，不需要进入互斥区等待就可以直接获取到锁，但依然进行了内核态的切换操作，这造成了大量的性能开销。

Futex 通过 mmap 让进程间共享一段内存，当进程尝试进入互斥区或退出互斥区的时候，先查看共享内存中的 Futex 变量，如果没有竞争发生，则只修改 Futex 变量而不执行系统调用切换内核态。

Futex 的 Fast 就体现在对于大多数不存在竞争的情况，可以在用户态就完成锁的获取，而不需要进入内核态，从而提高了效率。

如果说 Semaphore 等传统同步机制是一种内核态同步机制，那 Futex 就是一种用户态和内核态混合的同步机制。

Futex 在 Android 中的一个重要应用场景是 ART 虚拟机，如果 Android 版本开启了 ART_USE_FUTEXES 宏，那 ART 虚拟机中的同步机制就会以 Futex 为基石来实现，关键代码如下：

// art/runtime/base/mutex.cc

void Mutex::ExclusiveLock(Thread* self){

#if ART_USE_FUTEXES

//若开启 Futex 宏就通过 Futex 实现互斥加锁

futex(…)

#else

//否则通过传统 pthread 实现

CHECK_MUTEX_CALL(pthread_mutex_lock,(&mutex_));

}

Android 中的进程间同步机制

了解了操作系统经典的同步机制后，再来看 Android 中是怎么实现的。

进程间同步 Mutex

注意这里说的 Mutex 和上面的 mutex.cc 是两个东西，mutex.cc 是 ART 中的实现类，支持 Futex 方式；而 Mutex.h 只是对 pthread 的 API 进行了简单封装，函数声明和实现都在 Mutex.h 一个文件中。

源码中可以看到一个枚举类型定义：

class Mutex {

public:

enum {

PRIVATE = 0,

SHARED = 1

};

其中 PRIVATE 代表进程内同步，SHARED 代表进程间同步。Mutex 相比 Semaphore 较简单，只有 0 和 1 两种状态，关键方法为：

inline status_t Mutex::lock() {//获取资源锁，可能阻塞等待

return -pthread_mutex_lock(&mMutex);

}

inline void Mutex::unlock() {//释放资源锁

pthread_mutex_unlock(&mMutex);

}

inline status_t Mutex::tryLock() {//获取资源锁，不论成功与否都立即返回

return -pthread_mutex_trylock(&mMutex);

}

当要访问临界资源时，需先通过 lock() 获得资源锁，如果资源可用会此函数会立即返回，否则阻塞等待，直到其他进程(线程)调用 unlock() 释放了资源锁从而被唤醒。

tryLock() 函数存在有什么意义呢？它在资源被占用的情况下，不会像 lock() 一样进入等待，而是立即返回，所以可以用来试探性查询资源锁是否被占用。

加解锁的自动化操作 Autolock

Autolock 为 Mutex.h 中的一个嵌套类，实现如下：

// Manages the mutex automatically. It’ll be locked when Autolock is

// constructed and released when Autolock goes out of scope.

最后为了帮助大家深刻理解Android相关知识点的原理以及面试相关知识，这里放上我搜集整理的2019-2021BATJ 面试真题解析，我把大厂面试中常被问到的技术点整理成了PDF，包知识脉络 + 诸多细节。

节省大家在网上搜索资料的时间来学习，也可以分享给身边好友一起学习。

《960全网最全Android开发笔记》

《379页Android开发面试宝典》

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只要是程序员，不管是Java还是Android，如果不去阅读源码，只看API文档，那就只是停留于皮毛，这对我们知识体系的建立和完备以及实战技术的提升都是不利的。

真正最能锻炼能力的便是直接去阅读源码，不仅限于阅读各大系统源码，还包括各种优秀的开源库。

腾讯、字节跳动、阿里、百度等BAT大厂 2019-2021面试真题解析

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