前言

Binder機(jī)制可謂是Android 知識(shí)體系里的重中之重，作為偏底層的基礎(chǔ)組件，平時(shí)我們很少關(guān)注它，而它卻是無處不在，也是Android 面試易考察的點(diǎn)之一。網(wǎng)上很多文章，要么知識(shí)點(diǎn)比較陳舊，要么源碼貼一堆，要么沒有成體系地分析，導(dǎo)致讀者一知半解，似是而非。
本篇將從流程上將Binder通信過一遍，盡量多用圖展示。
通過本篇文章，你將了解到：

Binder的作用

進(jìn)程與Binder驅(qū)動(dòng)如何通信

ServiceManager進(jìn)程的作用

進(jìn)程添加服務(wù)到ServiceManager的流程

進(jìn)程從ServiceManager獲取服務(wù)的流程

Binder服務(wù)端數(shù)據(jù)接收

Binder 通信全流程圖

1. Binder的作用

先看Linux下進(jìn)程地址映射關(guān)系：

我們知道，對(duì)象調(diào)用本身就是地址空間的訪問。

如上，進(jìn)程之間各自訪問各自的內(nèi)存地址，它們之間無法直接訪問對(duì)方的地址，也就是說微信不能直接調(diào)用支付寶提供的接口。而內(nèi)核具有訪問其它進(jìn)程地址空間的權(quán)限，因此微信可以將消息發(fā)送給內(nèi)核，讓內(nèi)核幫忙轉(zhuǎn)發(fā)給支付寶，這種方式叫做：存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)方式。

由此衍生的幾種IPC(進(jìn)程間通信)如：管道、消息隊(duì)列、socket等，而Android 上采用了新的機(jī)制：

Binder，相比傳統(tǒng)的方式，Binder只需要一次數(shù)據(jù)拷貝，并且Binder更安全。

Binder機(jī)制是Android 里用來做IPC的主要方式。

2. 進(jìn)程與Binder驅(qū)動(dòng)如何通信

既然得要內(nèi)核進(jìn)行消息中轉(zhuǎn)，那么Binder驅(qū)動(dòng)得運(yùn)行在內(nèi)核空間，而事實(shí)上也確實(shí)如此，Binder驅(qū)動(dòng)加載后在內(nèi)核空間運(yùn)行，進(jìn)程只需要和Binder驅(qū)動(dòng)取得聯(lián)系，通過Binder驅(qū)動(dòng)聯(lián)系另一個(gè)進(jìn)程，那么一次消息的傳送過程就可以實(shí)現(xiàn)了。

內(nèi)核提供提供一系列的系統(tǒng)調(diào)用接口給用戶進(jìn)程使用，當(dāng)用戶進(jìn)程想要訪問內(nèi)核時(shí)，只需要調(diào)用對(duì)應(yīng)的接口，此時(shí)代碼就會(huì)從用戶空間切換到內(nèi)核空間執(zhí)行。

常見的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)如：open/read/write/ioctl/close/mmap/fork 等。

與Binder驅(qū)動(dòng)通信分兩步：

打開Binder驅(qū)動(dòng)：open("/dev/binder", O_RDWR | O_CLOEXEC)

通過ioctl 與Binder驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：ioctl(mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr)
bwr 為讀寫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3. ServiceManager進(jìn)程的作用

Binder Client、Binder Server、ServiceManager關(guān)系

為方便起見，ServiceManager簡稱SM。

Binder 設(shè)計(jì)為C/S架構(gòu)，C為Client(客戶端)，S為Server(服務(wù)端），Server端提供接口(服務(wù))給Client端使用，而這個(gè)服務(wù)是以Binder引用的形式提供的。

由之前的知識(shí)可知，C和S是不同的進(jìn)程，那么C如何拿到S的Binder引用呢？

你可能會(huì)說，當(dāng)然是SM了，S先將Binder引用存放在SM里，當(dāng)C需要的時(shí)候向SM查詢即可。

這么看似乎講得通了，那問題又來了，SM也是一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，那S、C如何與SM進(jìn)行通信呢？這就陷入了先有雞還是先有蛋的死循環(huán)了。

實(shí)際上C、S、SM之間都是依靠Binder通信，只是SM作為特殊的Binder(handle=0)提前放入了Binder驅(qū)動(dòng)里，當(dāng)C、S想要獲取SM的Binder引用，只需要獲取handle=0的Binder即可。

這么說沒有太直觀的印象，我們一步步剖析。

ServiceManager注冊進(jìn)Binder

SM 注冊進(jìn)Binder驅(qū)動(dòng)后就會(huì)等待來自Binder驅(qū)動(dòng)的消息，這里列出了兩個(gè)最常見的處理消息的Case：

其它進(jìn)程添加服務(wù)到SM里

其它進(jìn)程向SM查詢服務(wù)

SM里維護(hù)著一個(gè)鏈表，鏈表的元素是結(jié)構(gòu)體：

主要記錄的是name和handle字段。
當(dāng)SM收到添加服務(wù)的指令后，從Binder驅(qū)動(dòng)里取出handle和name，并構(gòu)造結(jié)構(gòu)體插入到鏈表。
當(dāng)SM收到查詢服務(wù)的指令后，從Binder驅(qū)動(dòng)里取出name，并找到鏈表里相同的name，找到后取出handle，最后寫入到Binder驅(qū)動(dòng)。

4. 進(jìn)程添加服務(wù)到ServiceManager的流程

其它進(jìn)程找到SM

現(xiàn)在SM已經(jīng)翹首以盼其它進(jìn)程的請求了，接著來看看如何添加一個(gè)服務(wù)到SM里。
以Java層添加服務(wù)為例，我們選擇振動(dòng)服務(wù)作為切入點(diǎn)分析。

在system_server 進(jìn)程里構(gòu)造振動(dòng)服務(wù)(VibratorService繼承自Binder)，并添加到SM里。

可以看出，分兩步：

先找到ServiceManager

往ServiceManager里添加服務(wù)

getIServiceManager()繼續(xù)往下：

BinderInternal.getContextObject() 是native方法，后續(xù)流程較多，我們用圖表示。

尋找ServiceManager的過程涉及到Java層和Native層，主要的重點(diǎn)在Native層查找 ServiceManager對(duì)應(yīng)的BpBinder對(duì)象，沒有找到的話則創(chuàng)建新的并存入緩存里以備下次直接獲取。

ProcessState里維護(hù)了一個(gè)單例，每個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)ProcessState對(duì)象，創(chuàng)建ProcessState時(shí)候就會(huì)去打開Binder驅(qū)動(dòng)，同時(shí)會(huì)設(shè)置Binder線程池里線程個(gè)數(shù)等其它參數(shù)

Native層構(gòu)造BpBinder(handle=0表示該BpBinder是ServiceManager在客戶端的引用)，再構(gòu)造BinderProxyNativeData持有BpBinder。

構(gòu)造BinderProxy對(duì)象并持有BinderProxyNativeData，也就是間接持有BpBinder

最后構(gòu)造了ServiceManagerProxy對(duì)象，它實(shí)現(xiàn)了IServiceManager接口，它的成員變量mRemote指向了BinderProxy

可以看出，獲取ServiceManager的過程并不是真正去獲取ServiceManager的Binder對(duì)象，而是獲取它在當(dāng)前進(jìn)程的代理：BpBinder

添加服務(wù)到ServiceManager

既然找到了SM的Binder代理，接下來看看如何使用它給SM添加服務(wù)。

    #ServiceManagerNative.ServiceManagerProxy
    public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated, int dumpPriority)
            throws RemoteException {
        //構(gòu)造Parcel
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
        data.writeString(name);
        //寫入Binder
        data.writeStrongBinder(service);
        data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);
        data.writeInt(dumpPriority);
        //通過BinderProxy發(fā)送
        mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
        reply.recycle();
        data.recycle();
    }

其中IPCThreadState與線程相關(guān)，不同的線程會(huì)維護(hù)一個(gè)單例。

由此可見，最終還是通過BpBinder發(fā)送消息，進(jìn)而發(fā)送到Binder驅(qū)動(dòng)。

此時(shí)驅(qū)動(dòng)收到的信息包括不限于：

服務(wù)的名字

ServiceManager的handle

BBinder對(duì)象指針

驅(qū)動(dòng)建立服務(wù)handle和BBinder對(duì)象指針的映射關(guān)系，并將服務(wù)的名字和服務(wù)的handle傳遞給ServiceManager(通過ServiceManager handle查找)。

ServiceManager拿到消息后建立映射關(guān)系，等待其它進(jìn)程的請求。

至此，進(jìn)程添加服務(wù)到ServiceManager過程已經(jīng)分析完畢，用圖表示如下：

BBinder作用

Java層傳遞的是Binder對(duì)象，如何與Native的BBinder關(guān)聯(lián)起來呢？
重點(diǎn)在：

Parcel.writeStrongBinder(Binder)

也即是說Server端的Java Binder對(duì)象在Native層的代表是BBinder。
Binder驅(qū)動(dòng)記錄了BBinder的地址，當(dāng)有消息過來時(shí)通過找到BBinder對(duì)象進(jìn)而找到Java層的Binder對(duì)象，最終調(diào)用Binder.onTransact()。

5. 進(jìn)程從ServiceManager獲取服務(wù)的流程

其它進(jìn)程找到SM

振動(dòng)服務(wù)添加完成后，某些進(jìn)程想要獲取振動(dòng)服務(wù)進(jìn)行振動(dòng)，比如微信收到消息后需要振動(dòng)用以提示用戶。
接著來看看如何獲取振動(dòng)服務(wù)。

    private void vibrate() {
        //獲取振動(dòng)服務(wù)
        Vibrator vibrator = (Vibrator)getSystemService(Context.VIBRATOR_SERVICE);
        //開始振動(dòng)
        vibrator.vibrate(1000);
    }

與添加服務(wù)類似，想要獲取服務(wù)先要找到SM，找SM的過程上邊分析過了，此處不再細(xì)說。

從ServiceManager獲取服務(wù)

    #ServiceManagerNative.ServiceManagerProxy
    public IBinder getService(String name) throws RemoteException {
        //構(gòu)造Parcel
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
        //寫入名字
        data.writeString(name);
        //通過BinderProxy發(fā)送
        mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
        IBinder binder = reply.readStrongBinder();
        reply.recycle();
        data.recycle();
        return binder;
    }

由此可見，最終還是通過BpBinder發(fā)送消息，進(jìn)而發(fā)送到Binder驅(qū)動(dòng)。
此時(shí)驅(qū)動(dòng)收到的信息包括不限于：

服務(wù)的名字

ServiceManager的handle

Binder驅(qū)動(dòng)收到消息后，找到SM，并將服務(wù)的名字傳給SM，SM從自己維護(hù)的鏈表里找到服務(wù)名相同的節(jié)點(diǎn)，最終取出該服務(wù)的handle，發(fā)送給Binder驅(qū)動(dòng)。

用圖表示如下：

對(duì)比添加服務(wù)流程和獲取服務(wù)流程，兩者前半部分都很相似，都是先拿到SM的BpBinder引用，然后寫入驅(qū)動(dòng)，最后由SM進(jìn)程處理。只是對(duì)于獲取服務(wù)流程來說，還需要將查詢的結(jié)果(handle)寫入驅(qū)動(dòng)返回給調(diào)用方（對(duì)應(yīng)圖上紅色部分）。

到這，大家可能會(huì)有疑惑了："handle是整形值，而微信獲取的振動(dòng)服務(wù)是一個(gè)Binder對(duì)象，這兩者是怎么結(jié)合起來的呢？"

handle轉(zhuǎn)換為Binder對(duì)象

handle表示的即是Binder服務(wù)端在客戶端的索引句柄，只要客戶端拿到了handle，它就能通過Binder驅(qū)動(dòng)調(diào)用到服務(wù)端。

        mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
        IBinder binder = reply.readStrongBinder();

再回過頭看看獲取服務(wù)的代碼，當(dāng)微信進(jìn)程將查詢命令發(fā)給Binder驅(qū)動(dòng)后就等待驅(qū)動(dòng)回復(fù)的結(jié)果，SM查詢到結(jié)果后將handle寫入驅(qū)動(dòng)，而后微信進(jìn)程從驅(qū)動(dòng)將結(jié)果讀出并將結(jié)果存入reply字段。
最后通過reply拿到Binder引用，也就是說重點(diǎn)在reply.readStrongBinder()方法。
直接看圖：

如上，通過驅(qū)動(dòng)返回的handle構(gòu)造BpBinder，最終封裝為Java層的BinderProxy。

至此，獲取服務(wù)流程就結(jié)束了，用圖展示簡化的流程

6. Binder服務(wù)端數(shù)據(jù)接收

微信進(jìn)程拿到振動(dòng)服務(wù)(在system_server進(jìn)程里)的Binder(BinderProxy)后，就可以調(diào)用振動(dòng)方法了，而后指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)通過振動(dòng)服務(wù)的handle找到對(duì)應(yīng)的服務(wù)BBinder指針，從而調(diào)用服務(wù)的接收方法。
微信進(jìn)程發(fā)送指令給Binder驅(qū)動(dòng)前面已經(jīng)分析過，重點(diǎn)來看看system_server進(jìn)程是如何接收并處理指令的。

system_server進(jìn)程啟動(dòng)的時(shí)候就會(huì)開啟Binder線程池，并等待驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)到來。
當(dāng)system_server進(jìn)程添加振動(dòng)服務(wù)到SM時(shí)，會(huì)將Java層的Binder轉(zhuǎn)為Native層的BBinder，并將BBinder對(duì)象指針寫入Binder驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)微信進(jìn)程調(diào)用system_server接口時(shí)：

微信進(jìn)程調(diào)用BpBinder.transact()將handle和數(shù)據(jù)寫入Binder驅(qū)動(dòng)

Binder驅(qū)動(dòng)根據(jù)handle找到system_server進(jìn)程

system_server進(jìn)程從驅(qū)動(dòng)拿到數(shù)據(jù)，并取出BBinder指針，最終調(diào)用到system_server進(jìn)程Java層的Binder.onTransact()

如此一來，微信成功調(diào)用了振動(dòng)服務(wù)，也就是說一次Client到Server端的通信就完成了。

7. Binder 通信全流程圖

縱觀Binder機(jī)制設(shè)計(jì)，最核心的點(diǎn)是handle。

通過handle構(gòu)造Client端的BpBinder(Native層)，與此對(duì)應(yīng)的是Java層的BinderProxy

通過handle，驅(qū)動(dòng)找到Server端進(jìn)程，進(jìn)而調(diào)用BBinder(Native層)，與此對(duì)應(yīng)的是Java層的Binder

通過handle的一系列中轉(zhuǎn)，Client.transact()成功調(diào)用了Server.onTransact()，一次Binder通信就過程就完成了

最后，用一張圖總結(jié)Binder機(jī)制的全過程：

以上就是整個(gè)Binder機(jī)制的梳理過程，此間省略了Binder驅(qū)動(dòng)里的映射邏輯，可以將Binder驅(qū)動(dòng)當(dāng)做一個(gè)黑盒，而更重要的是Binder客戶端和服務(wù)端是如何進(jìn)行映射的。
Binder流程比較繞，尤其是IPCThreadStsate作為客戶端的發(fā)送和服務(wù)端的數(shù)據(jù)接收的實(shí)體，需要區(qū)分不同的場景。
當(dāng)然，jni基礎(chǔ)知識(shí)必不可少。

本文基于Android 10

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