android binder机制实现

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：

1. #define BINDER_WRITE_READ_IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
2. #defineBINDER_SET_IDLE_TIMEOUT _IOW('b', 3, int64_t)
3. #defineBINDER_SET_MAX_THREADS _IOW('b', 5, size_t)
4. #defineBINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, int)
5. #defineBINDER_SET_CONTEXT_MGR _IOW('b', 7, int)
6. #defineBINDER_THREAD_EXIT _IOW('b', 8, int)
7. #define BINDER_VERSION _IOWR('b', 9, struct binder_version)

BR_XXX等宏为BinderDriverReturnProtocol，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：

1. • 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。

1. • 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;
   • };

1.2 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
文件路径：
commands/binder/binder.c
commands/binder/binder.h
commands/binder/service_manager.c
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类型的数据结构。

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。
文件路径：
include/utils/*
libs/utils/*
开源版本
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
I Interface.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：
[upload=1]
在IInterface.h中定义的BnInterface和BpInterface是两个重要的模版，这是为各种程序中使用的。
BnInterface模版的定义如下所示：

1. • template<typename INTERFACE>
   • class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
   • {
   • public:
   •     virtual sp<IInterface>  queryLocalInterface(const String16&
   •     virtual String16        getInterfaceDescriptor() const;
   • protected:
   •     virtual IBinder*        onAsBinder();
   • };

BnInterface模版的定义如下所示：

1. • template<typename INTERFACE>
   • class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
   • {
   • public:
   •                             BpInterface(const sp<IBinder>& remote);
   • protected:
   •     virtual IBinder*    onAsBinder();
   • };

    这两个模版在使用的时候，起到得作用实际上都是双继承：使用者定义一个接口INTERFACE，然后使用BnInterface和BpInterface两个模版结合自己的接口，构建自己的BnXXX和BpXXX两个类。
    DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE两个宏用于帮助BpXXX类的实现：

1. •     #define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               //
   •     static const String16 descriptor;                                   //
   •     static sp<I##INTERFACE> asInterface(const sp<IBinder>& obj);        //
   •     virtual String16 getInterfaceDescriptor() const;                    //
   • #define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       //
   •     const String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);                      //
   •     String16 I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {             //
   •         return I##INTERFACE::descriptor;                                //
   •     }                                                                   //
   •     sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(const sp<IBinder>& obj)  //
   •     {                                                                   //
   •         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;                                                    //
   •     }

在 定义自己的类的时候，只需要使用DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE两个接口，并结合类的 名称，就可以实现BpInterface中的asInterface()和getInterfaceDescriptor()两个函数。

第二部分 Binder的运作

2.1 Binder的工作机制

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2009-5-13 16:48

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，而真正通讯的截止，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一共有两个方面：
■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

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2009-5-13 16:48

本地功能（Bn）部分做的：
实现BnABC::onTransact()
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本地功能并没有实 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：

1. 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：

1. class IPermissionController : public IInterface
2. {
3. public:
4. DECLARE_META_INTERFACE(PermissionController);
5. virtual boolcheckPermission(const String16& permission,
6. int32_t pid, int32_t uid) = 0;
7. enum {
8. CHECK_PERMISSION_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION
9. };
10. class BnPermissionController : public BnInterface<IPermissionController>
11. {
12. public:
13. virtual status_tonTransact( uint32_t code,
14. const Parcel& data,
15. Parcel* reply,
16. uint32_t flags = 0);
17. };

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.

1. class BpPermissionController : public BpInterface<IPermissionController>
2. {
3. public:
4. BpPermissionController(const sp<IBinder>& impl)
5. : BpInterface<IPermissionController>(impl)
6. {
7. }
8. virtual bool checkPermission(const String16& permission, int32_t pid, int32_t uid)
9. {
10. Parcel data, reply;
11. data.writeInterfaceToken(IPermissionController::
12. getInterfaceDescriptor());
13. data.writeString16(permission);
14. data.writeInt32(pid);
15. data.writeInt32(uid);
16. remote()->transact(CHECK_PERMISSION_TRANSACTION, data, &reply);
17. if (reply.readInt32() != 0) return 0;
18. return reply.readInt32() != 0;
19. }
20. };
21. IMPLEMENT_META_INTERFACE(PermissionController,
22. "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：

1. status_t BnPermissionController::onTransact(
2. uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
3. {
4. switch(code) {
5. case CHECK_PERMISSION_TRANSACTION: {
6. CHECK_INTERFACE(IPermissionController, data, reply);
7. String16 permission = data.readString16();
8. int32_t pid = data.readInt32();
9. int32_t uid = data.readInt32();
10. bool res = checkPermission(permission, pid, uid);
11. reply->writeInt32(0);
12. reply->writeInt32(res ? 1 : 0);
13. return NO_ERROR;
14. } break;
15. default:
16. return BBinder::onTransact(code, data, reply, flags);
17. }
18. }

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：

1. • 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。