02.Android之IPC机制问题

目录介绍

• 2.0.0.1 什么是Binder？为什么要使用Binder？Binder中是如何进行线程管理的？总结binder讲的是什么？
• 2.0.0.2 Android中进程和线程的关系？什么是IPC？为何需要进行IPC？多进程通信可能会出现什么问题？
• 2.0.0.3 Binder的工作流程是怎样的？Binder主要能提供哪些功能？Binder通信机制原理是怎样的？
• 2.0.0.4 Android中为何新增Binder来作为主要的IPC方式？Binder运行机制是怎样的？Binder机制有什么优势？
• 2.0.0.5 Android中跨进程通讯的几种方式？实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？
• 2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式？简单对比下？
• 2.0.0.7 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效？为何说Binder相比传统IPC安全性更高？
• 2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的？Server和Client是如何获得Service Manager接口的？

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2.0.0.1 什么是Binder？为什么要使用Binder？Binder中是如何进行线程管理的？总结binder讲的是什么？

• 什么是Binder？

  • 1.直观来说，Binder是Android中的一个类，它继承了IBinder接口
  • 2.从IPC角度来说，Binder是Android中的一种跨进程通信方式，Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder，该通信方式在linux中没有
  • 3.从Android Framework角度来说，Binder是ServiceManager连接各种Manager（ActivityManager、WindowManager，etc）和相应ManagerService的桥梁
  • 4.从Android应用层来说，Binder是客户端和服务端进行通信的媒介，当你bindService的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象，通过这个Binder对象，客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据，这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务。

• 为什么要使用Binder？技术博客大总结

  • 在传统的Linux上，我们还是有很多选择可以用来实现进程间通信，如管道、SystemV、Socket等。那么Android为什么不使用这些原有的技术，而是要使开发一种新的叫Binder的进程间通信机制呢？
  • 最简单的回答：性能：相比传统的Socket更高效；安全：安全性高，支持通信双方进行身份验证。

  • 详细一点说，主要有两个方面的原因：

    • 性能方面

      • 在移动设备上（性能受限制的设备，比如要省电），广泛地使用跨进程通信对通信机制的性能有严格的要求，Binder相对出传统的Socket方式，更加高效。Binder数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、Socket都需要2次，共享内存方式一次内存拷贝都不需要，但实现方式又比较复杂。

    • 安全方面

      • 传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，比如Socket通信ip地址是客户端手动填入，很容易进行伪造，而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检，因而大大提升了安全性。
    • 还有一些好处，如实现面象对象的调用方式，在使用Binder时就和调用一个本地实例一样。

• Binder中是如何进行线程管理的？

  • 每个Binder的Server进程会创建很多线程来处理Binder请求，可以简单的理解为创建了一个Binder的线程池吧（虽然实际上并不完全是这样简单的线程管理方式），而真正管理这些线程并不是由这个Server端来管理的，而是由Binder驱动进行管理的。
  • 一个进程的Binder线程数默认最大是16，超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。理解这一点的话，你做进程间通信时处理并发问题就会有一个底，比如使用ContentProvider时（又一个使用Binder机制的组件），你就很清楚它的CRUD（创建、检索、更新和删除）方法只能同时有16个线程在跑。

• 总结binder讲的是什么？

  • 通常意义上来说，Binder就是指Andriod的通信机制；
  • 对于服务端进程来说，Binder指的是Binder本地对象，对于客户端进程来说，Binder指的是Binder代理对象。
  • 对于传输过程来说，Binder是可以进行跨进程传递的对象；

2.0.0.2 Android中进程和线程的关系？什么是IPC？为何需要进行IPC？多进程通信可能会出现什么问题？

• Android中进程和线程的关系？

  • 一个APP一般对应一个进程和有限个线程

    • 一般对应一个进程，当然，可以在AndroidMenifest中给四大组件指定属性android:process开启多进程模式
    • 有限个线程：线程是一种受限的系统资源，不可无限制的产生且线程的创建和销毁都有一定的开销。
• 什么是IPC？

• 为何需要进行IPC？

  • 进程间通信的必要性
  • 所有运行在不同进程的四大组件，只要它们之间需要通过内存在共享数据，都会共享失败。这是由于Android为每个应用分配了独立的虚拟机，不同的虚拟机在内存分配上有不同的地址空间，这会导致在不同的虚拟机中访问同一个类的对象会产生多份副本。技术博客大总结

• 多进程造成的影响可总结为以下四方面

  • 静态变量和单例模式失效：由独立的虚拟机造成
  • 线程同步机制失效：由独立的虚拟机造成
  • SharedPreference的不可靠下降：不支持两个进程同时进行读写操作，即不支持并发读写，有一定几率导致数据丢失
  • Application多次创建：Android系统会为新的进程分配独立虚拟机，相当于系统又把这个应用重新启动了一次。

2.0.0.3 Binder的工作流程是怎样的？Binder主要能提供哪些功能？Binder通信机制原理是怎样的？

• Binder的工作流程是怎样的？

  • 1客户端首先获取服务器端的代理对象。所谓的代理对象实际上就是在客户端建立一个服务端的“引用”，该代理对象具有服务端的功能，使其在客户端访问服务端的方法就像访问本地方法一样。
  • 2客户端通过调用服务器代理对象的方式向服务器端发送请求。
  • 3代理对象将用户请求通过Binder驱动发送到服务器进程。
  • 4服务器进程处理用户请求，并通过Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象。
  • 5客户端收到服务端的返回结果。

• binder工作流程图如下所示：

  • 

• Binder主要能提供哪些功能？

  • 用驱动程序来推进进程间的通信。
  • 通过共享内存来提高性能。
  • 为进程请求分配每个进程的线程池。
  • 针对系统中的对象引入了引用计数和跨进程的对象引用映射。
  • 进程间同步调用。

• Binder通信机制原理是怎样的？

  • 
  • Server进程向ServiceManager注册，告诉ServiceManager我是谁，我有什么，我能做什么。就好比徐同学（Server进程）有一台笔记本（computer对象），这台笔记本有个add方法。这时映射关系表就生成了。技术博客大总结
  • Client进程向ServiceManager查询，我要调用Server进程的computer对象的add方法，可以看到这个过程经过Binder驱动，这时候Binder驱动就开始发挥他的作用了。当向ServiceManager查询完毕，是返回一个computer对象给Client进程吗？其实不然，Binder驱动将computer对象转换成了computerProxy对象，并转发给了Client进程，因此，Client进程拿到的并不是真实的computer对象，而是一个代理对象，即computerProxy对象。很容易理解这个computerProxy对象也是有add方法，（如果连add方法都没有，岂不是欺骗了Client？），但是这个add方法只是对参数进行一些包装而已。
  • 当Client进程调用add方法，这个消息发送给Binder驱动，这时驱动发现，原来是computerProxy，那么Client进程应该是需要调用computer对象的add方法的，这时驱动通知Server进程，调用你的computer对象的add方法，将结果给我。然后Server进程就将计算结果发送给驱动，驱动再转发给Client进程，这时Client进程还蒙在了鼓里，他以为自己调用的是真实的computer对象的add方法，其实他只是调用了代理而已。不过Client最终还是拿到了计算结果。

2.0.0.4 Android中为何新增Binder来作为主要的IPC方式？Binder运行机制是怎样的？Binder机制有什么优势？

• Binder运行机制是怎样的？

  • Binder基于Client-Server通信模式，除了Client端和Server端，还有两角色一起合作完成进程间通信功能。

  • Binder通信的四个角色：

    • Client进程：使用服务的进程。
    • Server进程：提供服务的进程。
    • ServiceManager进程：ServiceManager的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。
    • Binder驱动：驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。
  • 接触这些概念可能会觉得难于理解，读者可以把四个角色和熟悉的互联网进行类比：Server是服务器，Client是客户终端，ServiceManager是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

• Binder机制有什么优势

  • 传输效率高、可操作性强：传输效率主要影响因素是内存拷贝的次数，拷贝次数越少，传输速率越高。从Android进程架构角度分析：对于消息队列、Socket和管道来说，数据先从发送方的缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，再从内核缓存区拷贝到接收方的缓存区，一共两次拷贝
  • 技术博客大总结
  • 对于Binder来说，数据从发送方的缓存区拷贝到内核的缓存区，而接收方的缓存区与内核的缓存区是映射到同一块物理地址的，节省了一次数据拷贝的过程
  • 由于共享内存操作复杂，综合来看，Binder的传输效率是最好的。
  • 实现C/S架构方便：Linux的众IPC方式除了Socket以外都不是基于C/S架构，而Socket主要用于网络间的通信且传输效率较低。Binder基于C/S架构 ，Server端与Client端相对独立，稳定性较好。
  • 安全性高：传统Linux IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID，从而无法鉴别对方身份；而Binder机制为每个进程分配了UID/PID且在Binder通信时会根据UID/PID进行有效性检测。

2.0.0.5 Android中跨进程通讯的几种方式？实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？

• Android中跨进程通讯的几种方式？

  • Android 跨进程通信，像intent，contentProvider,广播，service都可以跨进程通信。

    • intent：这种跨进程方式并不是访问内存的形式，它需要传递一个uri,比如说打电话。
    • contentProvider：这种形式，是使用数据共享的形式进行数据共享。
    • service：远程服务，aidl
    • 广播技术博客大总结

• 实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？

  • 通过AIDL实现方式解释Binder数据传输的具体过程

    • 服务端中的Service给与其绑定的客户端提供Binder对象，客户端通过AIDL接口中的asInterface()将这个Binder对象转换为代理Proxy，并通过它发起RPC请求。客户端发起请求时会挂起当前线程，并将参数写入data然后调用transact()，RPC请求会通过系统底层封装后由服务端的onTransact()处理，并将结果写入reply，最后返回调用结果并唤醒客户端线程。

  • AIDL原理是什么？如何优化多模块都使用AIDL的情况？

    • AIDL(Android Interface Definition Language，Android接口定义语言)：如果在一个进程中要调用另一个进程中对象的方法，可使用AIDL生成可序列化的参数，AIDL会生成一个服务端对象的代理类，通过它客户端实现间接调用服务端对象的方法。
    • AIDL的本质是系统提供了一套可快速实现Binder的工具。关键类和方法：

    AIDL接口：继承IInterface。
    Stub类：Binder的实现类，服务端通过这个类来提供服务。
    Proxy类：服务器的本地代理，客户端通过这个类调用服务器的方法。
    asInterface()：客户端调用，将服务端的返回的Binder对象，转换成客户端所需要的AIDL接口类型对象。返回对象：
        若客户端和服务端位于同一进程，则直接返回Stub对象本身；
        否则，返回的是系统封装后的Stub.proxy对象。
    asBinder()：根据当前调用情况返回代理Proxy的Binder对象。
    onTransact()：运行服务端的Binder线程池中，当客户端发起跨进程请求时，远程请求会通过系统底层封装后交由此方法来处理。
    transact()：运行在客户端，当客户端发起远程请求的同时将当前线程挂起。之后调用服务端的onTransact()直到远程请求返回，当前线程才继续执行。

    • 当有多个业务模块都需要AIDL来进行IPC，此时需要为每个模块创建特定的aidl文件，那么相应的Service就会很多。必然会现系统资源耗费严重、应用过度重量级的问题。解决办法是建立Binder连接池，即将每个业务模块的Binder请求统一转发到一个远Service中去执行，从而避免重复创建Service。
    • 工作原理：每个业务模块创建自己的AIDL接口并实现此接口，然后向服务端提供自己的唯一标识和其对应的Binder对象。服务端只需要一个Service，服务器提供一个queryBinder接口，它会根据业务模块的特征来返回相应的Binder对像，不同的业务模块拿到所需的Binder对象后就可进行远程方法的调用了。

2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式？简单对比下？

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2.0.0.7 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效？为何说Binder相比传统IPC安全性更高？

• 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效？

  • 跨进程通讯中，只有socket支持Client-Server的通信方式，但是socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。
  • 消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。
  • 共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。

• 为何说Binder相比传统IPC安全性更高？

  • 首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID和PID（用户ID进程ID），从而无法鉴别对方身份。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。比如命名管道的名称，systemV的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。
  • 基于以上原因，Android需要建立一套新的IPC机制来满足系统对通信方式，传输性能和安全性的要求，这就是Binder。
  • Binder基于Client-Server通信模式，传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份，既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高。技术博客大总结

2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的？Server和Client是如何获得Service Manager接口的？

• Service Manager是如何成为一个守护进程的？

  • Service Manager，它是整个Binder机制的守护进程，用来管理开发者创建的各种Server，并且向Client提供查询Server远程接口的功能技术博客大总结
  • 既然Service Manager组件是用来管理Server并且向Client提供查询Server远程接口的功能，那么，Service Manager就必然要和Server以及Client进行通信了。我们知道，Service Manger、Client和Server三者分别是运行在独立的进程当中，这样它们之间的通信也属于进程间通信了，而且也是采用Binder机制进行进程间通信，因此，Service Manager在充当Binder机制的守护进程的角色的同时，也在充当Server的角色，然而，它是一种特殊的Server，下面我们将会看到它的特殊之处

  • Service Manager在用户空间的源代码位于frameworks/base/cmds/servicemanager目录下，主要是由binder.h、binder.c和service_manager.c三个文件组成。Service Manager的入口位于service_manager.c文件中的main函数：

    int main(int argc, char **argv){
        struct binder_state *bs;
        void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;
        bs = binder_open(128*1024);
        if (binder_become_context_manager(bs)) {
            LOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
        svcmgr_handle = svcmgr;
        binder_loop(bs, svcmgr_handler);
        return 0;
    }

  • main函数主要有三个功能：一是打开Binder设备文件；二是告诉Binder驱动程序自己是Binder上下文管理者，即我们前面所说的守护进程；三是进入一个无穷循环，充当Server的角色，等待Client的请求

• Server和Client是如何获得Service Manager接口的？

  • ServiceManager作为守护进程，Service Manager的职责当然就是为Server和Client服务了。那么，Server和Client如何获得Service Manager接口，进而享受它提供的服务呢？
  • Service Manager在Binder机制中既充当守护进程的角色，同时它也充当着Server角色，然而它又与一般的Server不一样。对于普通的Server来说，Client如果想要获得Server的远程接口，那么必须通过Service Manager远程接口提供的getService接口来获得，这本身就是一个使用Binder机制来进行进程间通信的过程。而对于Service Manager这个Server来说，Client如果想要获得Service Manager远程接口，却不必通过进程间通信机制来获得，因为Service Manager远程接口是一个特殊的Binder引用，它的引用句柄一定是0。
  • 经过一系列的调用...
  • 回到defaultServiceManager函数中，最终结果为：gDefaultServiceManager = new BpServiceManager(new BpBinder(0));
  • 这样，Service Manager远程接口就创建完成了，它本质上是一个BpServiceManager，包含了一个句柄值为0的Binder引用。技术博客大总结

• 在Android系统的Binder机制中，Server和Client拿到这个Service Manager远程接口之后怎么用呢？

  • 对Server来说，就是调用IServiceManager::addService这个接口来和Binder驱动程序交互了，即调用BpServiceManager::addService 。而BpServiceManager::addService又会调用通过其基类BpRefBase的成员函数remote获得原先创建的BpBinder实例，接着调用BpBinder::transact成员函数。在BpBinder::transact函数中，又会调用IPCThreadState::transact成员函数，这里就是最终与Binder驱动程序交互的地方了。回忆一下前面的类图，IPCThreadState有一个PorcessState类型的成中变量mProcess，而mProcess有一个成员变量mDriverFD，它是设备文件/dev/binder的打开文件描述符，因此，IPCThreadState就相当于间接在拥有了设备文件/dev/binder的打开文件描述符，于是，便可以与Binder驱动程序交互了。
  • 对Client来说，就是调用IServiceManager::getService这个接口来和Binder驱动程序交互了。具体过程上述Server使用Service Manager的方法是差不多的。

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