Android進階——Android跨進程通訊機制之Binder、IBinder、Parcel、AIDL
同步滾動：開
前言
Binder機制是Android系統提供的跨進程通訊機制，這篇文章開始會從Linux相關的基礎概念知識開始介紹，從基礎概念知識中引出Binder機制，歸納Binder機制與Linux系統的跨進程機制的優缺點，接著分析Binder的通信模型和原理，而Binder機制最佳體現就是AIDL，所以在後面會分析AIDL的實現原理，最後簡單的提下AMS的Binder體系，整篇文章中間會穿插有IBinder、Binder、Parcel的介紹，整篇文章閱讀難度不大，不會涉及到framework層的Binder原理，AIDL部分需要有AIDL的使用基礎
基礎概念
基礎概念部分介紹Linux的某些機制，主要想表達Binder驅動的出現的原因，如果對Linux熟悉的可以直接跳過這部分，看第五點即可
一、進程隔離
出於安全考慮，一個進程不能操作另一個進程的數據，進而一個操作系統必須具備進程隔離這個特性。在Linux系統中，虛擬內存機制為每個進程分配了線性連續的內存空間，操作系統將這種虛擬內存空間映射到物理內存空間，每個進程有自己的虛擬內存空間，進而不能操作其他進程的內存空間，每個進程只能操作自己的虛擬內存空間，只有操作系統才有權限操作物理內存空間。
進程隔離保證了每個進程的內存安全，但是在大多數情形下，不同進程間的數據通訊是不可避免的，因此操作系統必須提供跨進程通信機制
二、用戶空間和內核空間
用戶空間：表示進程運行在一個特定的操作模式中，沒有接觸物理內存或設備的權限內核空間：表示獨立於普通的應用程序，可以訪問受保護的內存空間，也有訪問底層硬件設備的所有權限
三、系統調用/內核態/用戶態
抽象來看，操作系統中安全邊界的概念就像環路的概念一樣(前提是系統支持這種特性)，一個環上持有一個特定的權限組，Intel 支持四層環，但是 Linux 只使用了其中的兩環(0號環持有全部權限，3號環持有最少權限，1號和2號環未使用)，系統進程運行在1號環，用戶進程運行在３號環，如果一個用戶進程需要其他高級權限，其必須從３號環過渡成０號環，過渡需要通過一個安全參數檢查的網關，這種過渡被稱為系統調用，在執行過程中會產生一定數量的計算開銷。所以，用戶空間要訪問內核空間的唯一方式就是系統調用(System Call)
四、內核模塊/驅動
通過系統調用，用戶空間可以訪問內核空間，它是怎麼做到訪問內核空間的呢？Linux的動態可加載內核模塊機制解決了這個問題，模塊是具有獨立功能的程序，它可以被單獨編譯，但不能獨立運行。這樣，Android系統可以通過添加一個內核模塊運行在內核空間，用戶進程之間的通過這個模塊作為橋樑，就可以完成通信了。在Android系統中，這個運行在內核空間的，負責各個用戶進程通過Binder通信的內核模塊叫做Binder驅動
五、簡單的總結
將前面的所有概念連接起來理解就會非常好消化知識點：
1.Linux的虛擬內存機制導致內存的隔離，進而導致進程隔離2.進程隔離的出現導致對內存的操作被劃分為用戶空間和內核空間3.用戶空間需要跨權限去訪問內核空間，必須使用系統調用去實現4.系統調用需要藉助內核模塊/驅動去完成
前三步決定了進程間通訊需要藉助內核模塊/驅動去實現，而Binder驅動就是內核模塊/驅動中用來實現進程間通訊的
為什麼要用Binder
Linux提供有管道、消息隊列、信號量、內存共享、套接字等跨進程方式，那為什麼Android要選擇Binder另起爐灶呢？
一、傳輸性能好
- Socket：是一個通用接口，導致其傳輸效率低，開銷大
- 共享內存：雖然在傳輸時不需要拷貝數據，但其控制機制複雜
- Binder：複雜數據類型傳遞可以複用內存，需要拷貝1次數據
- 管道和消息隊列：採用存儲轉發方式，至少需要拷貝2次數據，效率低
二、安全性高
- 傳統的進程：通信方式對於通信雙方的身份並沒有做出嚴格的驗證，只有在上層協議上進行架設
- Binder機制：從協議本身就支持對通信雙方做身份校檢，因而大大提升了安全* 性
Binder通信模型
首先在理解模型之前先熟悉這幾個概念：
- Client進程：跨進程通訊的客戶端（運行在某個進程）
- Server進程：跨進程通訊的服務端（運行在某個進程）
Binder驅動：跨進程通訊的介質 - ServiceManager：跨進程通訊中提供服務的註冊和查詢（運行在System進程）
這裡只是個簡單的模型而已，只需理解模型的通訊流程：
1.Server端通過Binder驅動在ServiceManager中註冊2.Client端通過Binder驅動獲取ServiceManager中註冊的Server端3.Client端通過Binder驅動和Server端進行通訊
Binder通信原理
理解完模型流程之後，開始理解模型的通訊原理：
1.Service端通過Binder驅動在ServiceManager的查找表中註冊Object對象的add方法2.Client端通過Binder驅動在ServiceManager的查找表中找到Object對象的add方法，並返回proxy對象的add方法，add方法是個空實現，proxy對象也不是真正的Object對象，是通過Binder驅動封裝好的代理類的add方法3.當Client端調用add方法時，Client端會調用proxy對象的add方法，通過Binder驅動去請求ServiceManager來找到Service端真正對象，然後調用Service端的add方法
Binder對象和Binder驅動
- Binder對象：Binder機制中進行進程間通訊的對象，對於Service端為Binder本地對象，對於Client端為Binder代理對象
- Binder驅動：Binder機制中進行進程間通訊的介質，Binder驅動會對具有跨進程傳遞能力的對象做特殊處理，自動完成代理對象和本地對象的轉換
由於Binder驅動會對具有跨進程傳遞能力的對象做特殊處理，自動完成代理對象和本地對象的轉換，因此在驅動中保存了每一個跨越進程的Binder對象的相關信息，Binder本地對象（或Binder實體）保存在binder_node的數據結構，Binder代理對象（或Binder引用/句柄）保存在binder_ref的數據結構
Java層的Binder
- Binder類：是Binder本地對象
- BinderProxy類：是Binder類的內部類，它代表遠程進程的Binder對象的本地代理
- Parcel類：是一個容器，它主要用於存儲序列化數據，然後可以通過Binder在進程間傳遞這些數據
- IBinder接口：代表一種跨進程傳輸的能力，實現這個接口，就能將這個對象進行跨進程傳遞
- IInterface接口：client端與server端的調用契約，實現這個接口，就代表遠程server對象具有什麼能力，因為IInterface接口的asBinder方法的實現可以將Binder本地對象或代理對象進行返回
Binder類和BinderProxy類都繼承自IBinder，因而都具有跨進程傳輸的能力，在跨越進程的時候，Binder驅動會自動完成這兩個對象的轉換。IBinder是遠程對象的基本接口，是為高性能而設計的輕量級遠程調用機制的核心部分，但它不僅用於遠程調用，也用於進程內調用。IBinder接口定義了與遠程對象交互的協議，建議不要直接實現這個接口，而應該從Binder派生。Binder實現了IBinder接口，但是一般不需要直接實現此類，而是跟據你的需要由開發包中的工具生成，這個工具叫aidi。你通過aidi語言定義遠程對象的方法，然後用aidi工具生成Binder的派生類，然後使用它
AIDL
由於編譯工具會給我們生成一個Stub的靜態內部類，這個類繼承了Binder, 說明它是一個Binder本地對象，它實現了IInterface接口，表明它具有遠程Server承諾給Client的能力
一、服務端
在服務端中，我們只要實現Stub抽象類，和實現其方法即可
<code>private
IBinder myS =new
IMyAidlInterface.Stub() {public
void
basicTypes
(
int
anInt,long
aLong,boolean
aBoolean,float
aFloat,double
aDouble, String aString)throws
RemoteException { }public
int
add
(
int
num1,int
num2)throws
RemoteException { Log.i("Hensen"
,"從客戶端發來的AIDL請求:num1->"
+ num1 +"::num2->"
+ num2);return
num1 + num2; } }; /<code>
二、客戶端
在客戶端中，可以通過bindService的回調中獲取AIDL接口
<code>private
ServiceConnection conn =new
ServiceConnection() {public
void
onServiceConnected
(ComponentName name, IBinder service)
{ iMyAidlInterface = IMyAidlInterface.Stub.asInterface(service); }public
void
onServiceDisconnected
(ComponentName name)
{ iMyAidlInterface =null
; } };public
void
add
(View view)
{try
{int
res = iMyAidlInterface.add(1
,2
); Log.i("Hensen"
,"從服務端調用成功的結果："
+ res); }catch
(RemoteException e) { e.printStackTrace(); } } /<code>
梳理客戶端的調用流程：
1.調用Stub.asInterface獲取BinderProxy對象2.調用BinderProxy對象的add方法
三、分析原理
1、Stub
Stub類繼承自Binder，意味著這個Stub其實自己是一個Binder本地對象，然後實現了IMyAidlInterface接口，IMyAidlInterface本身是一個IInterface，因此他攜帶某種客戶端需要的能力（這裡是方法add)。此類有一個內部類Proxy，也就是Binder代理對象
<code>package
com.handsome.boke;public
interface
IMyAidlInterface
extends
android
.os
.IInterface
{public
static
abstract
class
Stub
extends
android
.os
.Binder
implements
com
.handsome
.boke
.IMyAidlInterface
{private
static
final
java.lang.String DESCRIPTOR ="com.handsome.boke.IMyAidlInterface"
;public
Stub
()
{this
.attachInterface(this
, DESCRIPTOR); }public
static
com.handsome.boke.IMyAidlInterface
asInterface
(android.os.IBinder obj)
{if
((obj ==null
)) {return
null
; } android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);if
(((iin !=null
) && (iininstanceof
com.handsome.boke.IMyAidlInterface))) {return
((com.handsome.boke.IMyAidlInterface) iin); }return
new
com.handsome.boke.IMyAidlInterface.Stub.Proxy(obj); }public
android.os.IBinder
asBinder
()
{return
this
; }public
boolean
onTransact
(
int
code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply,int
flags)throws
android.os.RemoteException {switch
(code) {case
INTERFACE_TRANSACTION: { reply.writeString(DESCRIPTOR);return
true
; }case
TRANSACTION_basicTypes: { data.enforceInterface(DESCRIPTOR);int
_arg0; _arg0 = data.readInt();long
_arg1; _arg1 = data.readLong();boolean
_arg2; _arg2 = (0
!= data.readInt());float
_arg3; _arg3 = data.readFloat();double
_arg4; _arg4 = data.readDouble(); java.lang.String _arg5; _arg5 = data.readString();this
.basicTypes(_arg0, _arg1, _arg2, _arg3, _arg4, _arg5); reply.writeNoException();return
true
; }case
TRANSACTION_add: { data.enforceInterface(DESCRIPTOR);int
_arg0; _arg0 = data.readInt();int
_arg1; _arg1 = data.readInt();int
_result =this
.add(_arg0, _arg1); reply.writeNoException(); reply.writeInt(_result);return
true
; } }return
super
.onTransact(code, data, reply, flags); }private
static
class
Proxy
implements
com
.handsome
.boke
.IMyAidlInterface
{private
android.os.IBinder mRemote; Proxy(android.os.IBinder remote) { mRemote = remote; }public
android.os.IBinder
asBinder
()
{return
mRemote; }public
java.lang.String
getInterfaceDescriptor
()
{return
DESCRIPTOR; }public
void
basicTypes
(
int
anInt,long
aLong,boolean
aBoolean,float
aFloat,double
aDouble, java.lang.String aString)throws
android.os.RemoteException { android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain(); android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();try
{ _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR); _data.writeInt(anInt); _data.writeLong(aLong); _data.writeInt(((aBoolean) ? (1
) : (0
))); _data.writeFloat(aFloat); _data.writeDouble(aDouble); _data.writeString(aString); mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_basicTypes, _data, _reply,0
); _reply.readException(); }finally
{ _reply.recycle(); _data.recycle(); } }public
int
add
(
int
num1,int
num2)throws
android.os.RemoteException { android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain(); android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();int
_result;try
{ _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR); _data.writeInt(num1); _data.writeInt(num2); mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply,0
); _reply.readException(); _result = _reply.readInt(); }finally
{ _reply.recycle(); _data.recycle(); }return
_result; } }static
final
int
TRANSACTION_basicTypes = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION +0
);static
final
int
TRANSACTION_add = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION +1
); }public
void
basicTypes
(
int
anInt,long
aLong,boolean
aBoolean,float
aFloat,double
aDouble, java.lang.String aString)throws
android.os.RemoteException;public
int
add
(
int
num1,int
num2)throws
android.os.RemoteException; } /<code>
2、asInterface
當客戶端bindService的onServiceConnecttion的回調裡面，通過asInterface方法獲取遠程的service的。其函數的參數IBinder類型的obj，這個對象是驅動給我們的，如果是Binder本地對象，那麼它就是Binder類型，如果是Binder代理對象，那就是BinderProxy類型。asInterface方法中會調用queryLocalInterface，查找Binder本地對象，如果找到，說明Client和Server都在同一個進程，這個參數直接就是本地對象，直接強制類型轉換然後返回，如果找不到，說明是遠程對象那麼就需要創建Binder代理對象，讓這個Binder代理對象實現對於遠程對象的訪問
<code>public
static
com.handsome.boke.IMyAidlInterface
asInterface
(android.os.IBinder obj
) {if
((obj ==null
)) {return
null
; } android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);if
(((iin !=null
) && (iin instanceof com.handsome.boke.IMyAidlInterface))) {return
((com.handsome.boke.IMyAidlInterface) iin); }return
new
com.handsome.boke.IMyAidlInterface.Stub.Proxy(obj); } /<code>
3、add
當客戶端調用add方法時，首先用Parcel把數據序列化，然後調用mRemote.transact方法，mRemote就是new Stub.Proxy(obj)傳進來的，即BinderProxy對象
<code>public
int
add
(
int
num1,int
num2)throws
android.os.RemoteException { android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain(); android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();int
_result;try
{ _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR); _data.writeInt(num1); _data.writeInt(num2); mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply,0
); _reply.readException(); _result = _reply.readInt(); }finally
{ _reply.recycle(); _data.recycle(); }return
_result; } /<code>
4、transact
BinderProxy的transact方法是native方法，它的實現在native層，它會去借助Binder驅動完成數據的傳輸，當完成數據傳輸後，會喚醒Server端，調用了Server端本地對象的onTransact函數
<code>public
native
boolean
transact
(
int
code, Parcel data, Parcel reply,int
flags)throws
RemoteException; /<code>
5、onTransact在Server進程裡面，onTransact根據調用code會調用相關函數，接著將結果寫入reply並通過super.onTransact返回給驅動，驅動喚醒掛起的Client進程裡面的線程並將結果返回
<code>public
boolean
onTransact
(
int
code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply,int
flags)throws
android.os.RemoteException {switch
(code) {case
INTERFACE_TRANSACTION: { reply.writeString(DESCRIPTOR);return
true
; }case
TRANSACTION_add: { data.enforceInterface(DESCRIPTOR);int
_arg0; _arg0 = data.readInt();int
_arg1; _arg1 = data.readInt();int
_result =this
.add(_arg0, _arg1); reply.writeNoException(); reply.writeInt(_result);return
true
; } }return
super
.onTransact(code, data, reply, flags); } /<code>
6、題外話
為什麼生成的文件不直接分為1個接口，2個類，清晰明瞭。Android這樣子設計是有道理的，當有多個AIDL文件時候，Stub和Proxy類就會重名，把它們放在各自的AIDL接口中，就區分開來了
AMS的Binder體系
AMS是Android中最核心的服務，主要負責系統中四大組件的啟動、切換、調度及應用進程的管理和調度等工作，從圖中可以看出：
結語
這裡只是簡單的理解下Binder機制的基本原理，後續有時間會研究framework層的知識，如果有興趣的同學可以不依賴AIDL工具，手寫遠程Service完成跨進程通信，這樣就可以加深對AIDL和Binder的理解，個人覺得這樣是最好的記憶方式，一起來寫吧
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