Android的IPC机制Binder的各个部分

最新推荐文章于 2020-10-19 02:21:57 发布

aarongate

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文章标签： android struct 数据结构 interface thread 通讯

本文详细解析了Android系统中Binder机制的组成、运作原理及程序实现。包括驱动程序、库部分和服务管理器等内容，并介绍了Binder在应用层面的具体实现。

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第一部分Binder的组成
1.1 驱动程序部分驱动程序的部分在以下的文件夹中：
kernel/include/linux/binder.h
kernel/drivers/android/binder.c

binder 驱动程序是一个miscdevice，主设备号为10，此设备号使用动态获得（MISC_DYNAMIC_MINOR），其设备的节点为：
/dev/binder
binder 驱动程序会在proc文件系统中建立自己的信息，其文件夹为 /proc/binde ，其中包含如下内容：
proc 目录：调用Binder各个进程的内容
state 文件：使用函数binder_read_proc_state
stats 文件：使用函数binder_read_proc_stats
transactions 文件：使用函数binder_read_proc_transactions
transaction_log 文件：使用函数binder_read_proc_transaction_log，其参数为binder_transaction_log (类型为struct binder_transaction_log)
failed_transaction_log 文件：使用函数binder_read_proc_transaction_log 其参数为
binder_transaction_log_failed (类型为struct binder_transaction_log)

在binder文件被打开后，其私有数据（private_data）的类型：
struct binder_proc
在这个数据结构中，主要包含了当前进程、进程ID、内存映射信息、Binder的统计信息和线程信息等。
在用户空间对Binder驱动程序进行控制主要使用的接口是mmap、poll和ioctl，ioctl主要使用的ID为：
#define BINDER_WRITE_READ       _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
#define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT  _IOW('b', 3, int64_t)
#define BINDER_SET_MAX_THREADS _IOW('b', 5, size_t)
#define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, int)
#define BINDER_SET_CONTEXT_MGR _IOW('b', 7, int)
#define BINDER_THREAD_EXIT    _IOW('b', 8, int)
#define BINDER_VERSION          _IOWR('b', 9, struct binder_version)

BR_XXX等宏为BinderDriverReturnPro tocol，表示Binder驱动返回协议。
BC_XXX等宏为BinderDriverCommandProtocol，表示Binder驱动命令协议。
binder_thread是Binder驱动程序中使用的另外一个重要的数据结构，数据结构的定义如下所示：
struct binder_thread {
   struct binder_proc *proc;
   struct rb_node rb_node;
   int pid;
   int looper;
   struct binder_transaction *transaction_stack;
   struct list_head todo;
   uint32_t return_error;
   uint32_t return_error2;
   wait_queue_head_t wait;
   struct binder_stats stats;
};
binder_thread 的各个成员信息是从rb_node中得出。
BINDER_WRITE_READ是最重要的ioctl，它使用一个数据结构binder_write_read定义读写的数据。
struct binder_write_read {
   signed long write_size;
   signed long write_consumed;
   unsigned long write_buffer;
   signed long read_size;
   signed long read_consumed;
   unsigned long read_buffer;
};

　　1.3 binder 的库的部分
binder 相关的文件作为 Android 的 uitls 库的一部分，这个库编译后的名称为 libutils.so ，是 Android 系统中的一个公共库。
主要文件的路径如下所示：
frameworks/base/include/utils/*
frameworks/base/libs/utils/*

主要的类为：
　　RefBase.h :
引用计数，定义类 RefBase 。
　　Parcel.h :
为在 IPC 中传输的数据定义容器，定义类 Parcel
　　IBinder.h ：
Binder 对象的抽象接口，定义类 IBinder
　　Binder.h ：
Binder 对象的基本功能，定义类 Binder 和 BpRefBase
　　BpBinder.h ：
　　BpBinder 的功能，定义类 BpBinder
　　IInterface.h ：
　　为抽象经过 Binder 的接口定义通用类，
定义类 IInterface ，类模板 BnInterface ，类模板 BpInterface
　　ProcessState.h
表示进程状态的类，定义类 ProcessState
　　IPCThreadState.h
表示 IPC 线程的状态，定义类 IPCThreadState

各个类之间的关系如下所示：

        1.2 servicemanager部分       servicemanager 是一个守护进程，用于这个进程的和 /dev/binder 通讯，从而达到管理系统中各个服务的作用。
       可执行程序的路径：
       /system/bin/ servicemanager
开源版本文件的路径：
frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.h
frameworks/base/cmds/servicemanager/binder.c
frameworks/base/cmds/servicemanager/service_manager.c
   程序执行的流程：

open() ：打开 binder 驱动

mmap() ：映射一个 128*1024 字节的内存

ioctl(BINDER_SET_CONTEXT_MGR) ：设置上下文为 mgr
   进入主循环 binder_loop()
         ioctl(BINDER_WRITE_READ) ，读取
                     binder_parse() 进入 binder 处理过程循环处理
      binder_parse() 的处理，调用返回值：
       当处理 BR_TRANSACTION 的时候，调用 svcmgr_handler() 处理增加服务、检查服务等工作。各种服务存放在一个链表（ svclist ）中。其中调用 binder_ 等开头的函数，又会调用 ioctl 的各种命令。
       处理 BR_REPLY 的时候，填充 binder_io 类型的数据结

第二部分 Binder的运作

　　2.1 Binder的工作机制
Service Manager是一个守护进程，它负责启动各个进程之间的服务，对于相关的两个需要通讯的进程，它们通过调用libutil.so库实现通讯，而真正通讯的机制，是内核空间中的一块共享内存。

　　2.2 从应　　用程序的角度看 Binder

　　从应用程序的角度看 Binder 一共有三个方面：

　　Native 本地：例如BnABC，这是一个需要被继承和实现的类。
　　Proxy 代理：例如BpABC，这是一个在接口框架中被实现，但是在接口中没有体现的类。
　　客户端：例如客户端得到一个接口ABC，在调用的时候实际上被调用的是BpABC

本地功能（Bn ）部分做的：
实现 BnABC:: BnTransact()
注册服务： IServiceManager ：： AddService
代理部分（ Bp ）做的：
实现几个功能函数，调用 BpABC::remote()->transact()

客户端做的：
获得 ABC 接口，然后调用接口（实际上调用了 BpABC ，继而通过 IPC 调用了 BnABC ，然后调用了具体的功能）

在程序的实现过程中 BnABC 和 BpABC 是双继承了接口 ABC 。一般来说 BpABC 是一个实现类，这个实现类不需要在接口中体现，它实际上负责的只是通讯功能，不执行具体的功能； BnABC 则是一个接口类，需要一个真正工作的类来继承、实现它，这个类才是真正执行具体功能的类。

在客户端中，从 ISeriviceManager 中获得一个 ABC 的接口，客户端调用这个接口，实际上是在调用 BpABC ，而 BpABC 又通过 Binder 的 IPC 机制和 BnABC 通讯， BnABC 的实现类在后面执行。

　　事实上，服务器的具体实现和客户端是两个不同的进程，如果不考虑进程间通讯的过程，从调用者的角度，似乎客户端在直接调用另外一个进程间的函数——当然这个函数必须是接口 ABC 中定义的。

　　2.3 ISericeManager的作用
   ISericeManager涉及的两个文件是ISericeManager.h和ISericeManager.cpp。这两个文件基本上是 ISericeManager。ISericeManager是系统最先被启动的服务。非常值得注意的是：ISericeManager本地功能并没有使现，它实际上由ServiceManager守护进程执行，而用户程序通过调用BpServiceManager来获得其他的服务。
   在ISericeManager.h中定义了一个接口，用于得到默认的ISericeManager：
      sp<IServiceManager> defaultServiceManager();
   这时得到的ISericeManager实际上是一个全局的ISericeManager。

第三部分程序中Binder的具体实现

　　 3.1 一个利用接口的具体实现
    PermissionController也是libutils中定义的一个有关权限控制的接口，它一共包含两个文件：IPermissionController.h和IPermissionController.cpp这个结构在所有类的实现中都是类似的。
   头文件IPermissionController.h的主要内容是定义IPermissionController接口和类BnPermissionController：
class IPermissionController : public IInterface
{
public:
DECLARE_META_INTERFACE(PermissionController);
virtual bool checkPermission(const String16& permission,int32_t pid, int32_t uid) = 0;
enum {
      CHECK_PERMISSION_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION
};
};
class BnPermissionController : public BnInterface<IPermissionController>
{
public:
virtual status_t onTransact( uint32_t code,
                                 const Parcel& data,
                                 Parcel* reply,
                                 uint32_t flags = 0);
};
IPermissionController是一个接口类，只有checkPermission()一个纯虚函数。
BnPermissionController继承了以BnPermissionController实例化模版类BnInterface。因此，BnPermissionController，事实上BnPermissionController双继承了BBinder和 IPermissionController。
实现文件IPermissionController.cpp中，首先实现了一个BpPermissionController。

class BpPermissionController : public BpInterface<IPermissionController>
{
public:
BpPermissionController(const sp<IBinder>& impl)
      : BpInterface<IPermissionController>(impl)
{
}
virtual bool checkPermission(const String16& permission, int32_t pid, int32_t uid)
{
      Parcel data, reply;
      data.writeInterfaceToken(IPermissionController::
                                    getInterfaceDescriptor());
      data.writeString16(permission);
      data.writeInt32(pid);
      data.writeInt32(uid);
      remote()->transact(CHECK_PERMISSION_TRANSACTION, data, &reply);
      if (reply.readInt32() != 0) return 0;
      return reply.readInt32() != 0;
}
};
IMPLEMENT_META_INTERFACE(PermissionController, "android.os.IPermissionController");

BpPermissionController继承了BpInterface<IPermissionController>，它本身是一个已经实现的类，而且并没有在接口中体现。这个类按照格式写就可以，在实现checkPermission()函数的过程中，使用Parcel作为传输数据的容器，传输中时候transact()函数，其参数需要包含枚举值CHECK_PERMISSION_TRANSACTION。 IMPLEMENT_META_INTERFACE用于扶助生成。
BnPermissionController中实现的onTransact()函数如下所示：

status_t BnPermissionController:: BnTransact(
uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
switch(code) {
      case CHECK_PERMISSION_TRANSACTION: {
         CHECK_INTERFACE(IPermissionController, data, reply);
         String16 permission = data.readString16();
         int32_t pid = data.readInt32();
         int32_t uid = data.readInt32();
         bool res = checkPermission(permission, pid, uid);
         reply->writeInt32(0);
         reply->writeInt32(res ? 1 : 0);
         return NO_ERROR;
      } break;
      default:
         return BBinder:: BnTransact(code, data, reply, flags);
}
}
   在onTransact()函数中根据枚举值判断数据使用的方式。注意，由于BnPermissionController也是继承了类 IPermissionController，但是纯虚函数checkPermission()依然没有实现。因此这个 BnPermissionController类并不能实例化，它其实也还是一个接口，需要一个实现类来继承它，那才是实现具体功能的类。

　　 3.2 BnABC的实现
本地服务启动后将形成一个守护进程，具体的本地服务是由一个实现类继承BnABC来实现的，这个服务的名称通常叫做ABC。
在其中，通常包含了一个instantiate()函数，这个函数一般按照如下的方式实现：
void ABC::instantiate() {
defaultServiceManager()->addService(
String16("XXX.ABC"), new ABC ());
}
按照这种方式，通过调用defaultServiceManager()函数，将增加一个名为"XXX.ABC"的服务。
在这个defaultServiceManager()函数中调用了：
ProcessState::self()->getContextObject(NULL));
IPCThreadState* ipc = IPCThreadState::self();
IPCThreadState::talkWithDriver()
在ProcessState 类建立的过程中调用open_driver()打开驱动程序，在talkWithDriver()的执行过程中。

　　 3.3 BpABC调用的实现
BpABC调用的过程主要通过mRemote()->transact() 来传输数据，mRemote()是BpRefBase的成员，它是一个IBinder。这个调用过程如下所示：
mRemote()->transact()
Process::self()
IPCThreadState::self()->transact()
writeTransactionData()
waitForResponse()
talkWithDriver()
ioctl(fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr)

在IPCThreadState::executeCommand()函数中，实现传输操作。

http://tech.it168.com/a2009/0331/270/000000270388.shtml