Android系统源码分析-进程间通信机制binder(四)：从Native层到Driver层

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原创 2022-02-09 11:18:12 8.3k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Binder通信过程中的用户空间线程池的管理在Binder通信机制里，客户端与服务端之间的通信是在专门的IPC通信线程中进行的。这些线程构成一个线程池。线程的创建和销毁是在用户空间进行的，而对线程的控制是在驱动层进行的，即驱动控制线程池中线程的生命，而线程本身则是运行在用户空间的。驱动层是通过BR_SPAWN_LOOPER向用户空间发送创建新线程的命令。线程池的大小可以设置。默认情况下，线程池只有一个主线程，它在进程生命周期期间是不会退阅读详情

1.内容简介：

本篇继续分析Android Binder机制相关源代码，主要从Native（c++）层到driver层的相关组件已经代码调用流程。

前面的几篇，可以移步至：

1）. Android系统源码分析-进程间通信机制binder(一)：守护进程servicemanager
2) . Android系统源码分析-进程间通信机制binder(二)：binder内存映射

3) . Android系统源码分析-进程间通信机制binder(三)：从framework层到Native层

2.Native Binder架构：

在Android系统源码分析-进程间通信机制binder(三)：从framework层到Native层一文中，已经分析了整个Binder架构，以及Binder在framework层的相关组件。现在，来看一下在native层的相关组件，如图：

代码位置：

头文件目录：/frameworks/native/libs/binder/include/binder/，
具体实现的cpp文件目录：/frameworks/native/libs/binder/ 。

其中，

1）IInterface（在IInterface.h头文件中）：该类是一个虚基类（可以看作是java中的接口，但又不完全一样，因为C++中的虚基类和java中的接口有相同点但又有不同电），用户必须继承该类，并且实现onAsBinder函数。它的声明如下：

class IInterface : public virtual RefBase
{
public:
            IInterface();
            sp<IBinder>         asBinder();
            sp<const IBinder>   asBinder() const;
            
protected:
    virtual                     ~IInterface();
    virtual IBinder*            onAsBinder() = 0;
};

可以看到，onAsBinder() = 0; 的返回知识IBinder的指针，而且，virtual关键字表示需要子类必须重写该方法。

2）BnInterface（在IInterface.h头文件中）:是一个模版类，而且是BBinder的子类，需要重写BBinder的onTransact方法；同时，BnInterface还继承了INTERFACE。在C++中，一个累可以继承自多个父类。

3）BpInterface（在IInterface.h头文件中）:是一个模版类，而且是BpRefBase的子类，需要重写BpRefBase的remote方法，而且BpRefBase中还有IBinder类型的数据乘员mRemote，它指向的就是服务的实现方；同时，BpInterface还继承了INTERFACE。

BnInterface和BpInterface的声明如下：

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();
};

// ----------------------------------------------------------------------

template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
{
public:
                                BpInterface(const sp<IBinder>& remote);

protected:
    virtual IBinder*            onAsBinder();
};

4）IBinder(IBinder.h)：它是BBinder和BpBinder的父类，是一个虚基类，提供transact函数供子类实现；

class IBinder : public virtual RefBase
{
    ......

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

5）BBinder（Binder.h）：IBinder的子类，必须实现transact函数，它代表着本地对象；

6）BpBinder(BpBinder.h)：IBinder的子类，必须实现transact函数，它代表着远程对象；

7）ProcessState和IPCProcessState：用于提供Binder进程间通信的管理，包括和Binder驱动的交互。

8）Parcel：是java到Native层的数据结构；在Binder进程间通信时，需要进行传递的数据就封装在Parcel实例中。

9）INTERFACE: 是类模版的指代。在C++中，用template<class T>来声明一个类模版。所以，这里的INTERFACE其实相当于template<class T>中的T。具体是哪个类，答案就是T的子类。在Android Binder Native机制中，INTERFACE就是实现Binder服务接口的基类。

Binder库的编译：

Binder库最终会编译成一个动态链接库：libbinder.so，供其他进程链接使用。

对应的Android.mk编译文件：/frameworks/native/libs/binder/Android.mk，如下：

# Copyright (C) 2009 The Android Open Source Project
#
# Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
# you may not use this file except in compliance with the License.
# You may obtain a copy of the License at
#
#      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
#
# Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
# distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
# WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
# See the License for the specific language governing permissions and
# limitations under the License.

# we have the common sources, plus some device-specific stuff
sources := \
    Binder.cpp \
    BpBinder.cpp \
    IInterface.cpp \
    IMemory.cpp \
    IPCThreadState.cpp \
    IPermissionController.cpp \
    IServiceManager.cpp \
    MemoryDealer.cpp \
    MemoryBase.cpp \
    MemoryHeapBase.cpp \
    Parcel.cpp \
    PermissionCache.cpp \
    ProcessState.cpp \
    Static.cpp

LOCAL_PATH:= $(call my-dir)

include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_LDLIBS += -lpthread
LOCAL_MODULE := libbinder
LOCAL_SHARED_LIBRARIES := liblog libcutils libutils
LOCAL_SRC_FILES := $(sources)
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_LDLIBS += -lpthread
LOCAL_MODULE := libbinder
LOCAL_SRC_FILES := $(sources)
include $(BUILD_STATIC_LIBRARY)

3.Native Binder代码分析：

在介绍完各个组件功能后，来看一下这些组件的代码执行流程。

IPCThreadState负责了与驱动通信的细节处理，它也是初始化Native binder的入口，所以，从这个类入手进行分析。

在 Android系统源码分析-进程间通信机制binder(三)：从framework层到Native层一文中的最后，分析到IPCThreadState这个类。

接着IPCThreadState这个入口继续分析：

IPCThreadState的初始化：

IPCThreadState::IPCThreadState()
    : mProcess(ProcessState::self()),
      mMyThreadId(androidGetTid()),
      mStrictModePolicy(0),
      mLastTransactionBinderFlags(0)
{
    pthread_setspecific(gTLS, this);
    clearCaller();
    mOrigCallingUid = mCallingUid;
    mIn.setDataCapacity(256);
    mOut.setDataCapacity(256);
}

ProcessState采用单利模式（Singleton），在一个进程中，只会存在一个实例。通过ProcessState::self()函数来获取这个实例，从而调用到ProcessState的构造函数。ProcessState的构造函数，如下：

ProcessState::ProcessState()
    : mDriverFD(open_driver())
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , 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.
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        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.");
}

首先，open_driver():

static int open_driver()
{
    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
    if (fd >= 0) {
        fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
        int vers;
        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 = 15;
        result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
        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;
}

分析：open_driver的主要作用：

1）打开binder驱动设备文件“/dev/binder”；

2）检测版本号；

3）设置最大线程数。

都是通过ioctl系统调用完成的。

然后，mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);

IPCThreadState类中的关键几个方法说明如下：

transact：供代理类Proxy发送数据到驱动，并读取返回结果；

sendReply：供Server端写回请求的返回结果；

waitForResponse：发送请求后等待响应结果；

talkWithDriver：通过ioctl BINDER_WRITE_READ来与驱动通信；

writeTransactionData：写入一次事务的数据；

executeCommand：处理binder_driver_return_protocol协议命令；

freeBuffer：通过BC_FREE_BUFFER命令释放Buffer。

线程管理：

再来分析一下ProcessState中对线程的管理，看一下setThreadPoolMaxThreadCount的实现：

status_t ProcessState::setThreadPoolMaxThreadCount(size_t maxThreads) {
    status_t result = NO_ERROR;
    if (ioctl(mDriverFD, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads) == -1) {
        result = -errno;
        ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(-result));
    }
    return result;
}

DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS就是Binder服务支持的最大线程数。

驱动在运行过程中，会根据需要，并在没有超过上限的情况下，通过BR_SPAWN_LOOPER命令通知进程创建线程：

status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
    BBinder* obj;
    RefBase::weakref_type* refs;
    status_t result = NO_ERROR;
    
    switch (cmd) {
    case BR_ERROR:
        result = mIn.readInt32();
        break;
        
    case BR_OK:
        break;
        
    case BR_ACQUIRE:
        ......
    
    case BR_TRANSACTION:
        
            ......
        
    case BR_SPAWN_LOOPER:
        mProcess->spawnPooledThread(false);
        break;
        
    default:
        printf("*** BAD COMMAND %d received from Binder driver\n", cmd);
        result = UNKNOWN_ERROR;
        break;
    }

    if (result != NO_ERROR) {
        mLastError = result;
    }
    
    return result;
}

ProcessState::spawnPooledThread的实现：

void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
    if (mThreadPoolStarted) {
        int32_t s = android_atomic_add(1, &mThreadPoolSeq);
        char buf[16];
        snprintf(buf, sizeof(buf), "Binder_%X", s);
        ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", buf);
        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
        t->run(buf);
    }
}

PoolThread的声明：（代码位于ProcessState.cpp文件中）

class PoolThread : public Thread
{
public:
    PoolThread(bool isMain)
        : mIsMain(isMain)
    {
    }
    
protected:
    virtual bool threadLoop()
    {
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
        return false;
    }
    
    const bool mIsMain;
};

joinThreadPool就将创建的线程添加到线程池里。

这样，一个线程的初始化就完成了。

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