Binder是Android使用的进程间通信工具。Android本身是一个复杂的操作系统，运行着众多的应用和服务，它们之间的通信就显得尤为重要。应用程序在使用Binder进行进程间通信时，实现方法非常简单，只需要编写AIDL文件，系统在编译时就会生成IPC通信代码。这种简单的方式也使得应用开发者可以不用了解Binder底层的传输机制。但对于系统开发人员，熟知Binder的原理是必要的，在分析解决问题时多数情况都会和Binder纠缠在一起。本文讲解使用Binder的第一步，打开和初始化一个Binder设备。
打开Binder设备
Binder驱动在初始化时注册为一个字符设备“/dev/binder”，并实现了poll、ioctl、mmap等接口。应用层对binder的控制都是通过ioctl完成的，而IPC通信的内容就是通过ioctl的命令“BINDER_WRITE_READ”中传输的。
Android中大多数的Binder通信都是通过ProcessState来初始化Binder设备的。
frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp
#define BINDER_VM_SIZE ((1*1024*1024) - (4096 *2))
......
ProcessState::ProcessState()
: mDriverFD(open_driver()) //打开binder设备
, 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.
// 映射binder地址空间
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.");
}
可以看到，ProcessState构造过程中先打开Binder设备获得设备描述符，然后通过mmap映射了(1M - 8K)大小的地址空间用于数据传输。先看一下open_driver()。
frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp
static int open_driver()
{
int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
if (fd >= 0) {
fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
int vers = 0;
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;
}
这里打开设备“/dev/binder”，然后验证版本信息。之后通过BINDER_SET_MAX_THREADS设置一个进程中最大的Binder线程数，在驱动中设置给proc->max_threads。代码中设置的值为15，但驱动中的计数是从0开始的，所以实际上Binder最大线程数是16。接下来看下驱动的open函数，比较简单，就是创建Binder进程结构体并初始化。
drivers/staging/android/binder.c
static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp)
{
struct binder_proc *proc; // Binder进程结构体
......
proc = kzalloc(sizeof(*proc), GFP_KERNEL);
if (proc == NULL)
return -ENOMEM;
get_task_struct(current);
proc->tsk = current;
INIT_LIST_HEAD(&proc->todo);
init_waitqueue_head(&proc->wait);
proc->default_priority = task_nice(current); // 缺省优先级
binder_lock(__func__);
binder_stats_created(BINDER_STAT_PROC); // 记录binder状态
hlist_add_head(&proc->proc_node, &binder_procs);
proc->pid = current->group_leader->pid;
INIT_LIST_HEAD(&proc->delivered_death);
filp->private_data = proc; // 设备私有数据设置为binder进程结构体
binder_unlock(__func__);
......
}
Bind_proc用于管理Binder进程，一个进程只会有一个binder_proc，记录了Binder传输的所有信息。下面看一下binder_proc的定义。
drivers/staging/android/binder.c
struct binder_proc {
struct hlist_node proc_node; // 该binder进程的节点， 挂载到binder_procs链表中
struct rb_root threads; // binder线程ID红黑树
struct rb_root nodes; // binder实体对象红黑树
struct rb_root refs_by_desc; // binder引用对象红黑树，以handle为key
struct rb_root refs_by_node; // binder引用对象红黑树，以node为key
int pid; // 进程ID
struct vm_area_struct *vma; // 该进程的虚拟地址空间指针
struct mm_struct *vma_vm_mm; // 该进程的内存结构体
struct task_struct *tsk; // 该进程的task结构体
struct files_struct *files; // 该进程的file结构体
struct hlist_node deferred_work_node; // 延迟工作队列节点，挂载到binder_deferred_list链表中
int deferred_work; // 延迟工作的类型
void *buffer; // 映射的内核空间地址
ptrdiff_t user_buffer_offset; // 映射的内核空间与用户空间的偏移
struct list_head buffers; // 全部buffer链表
struct rb_root free_buffers; // 空闲buffer红黑树
struct rb_root allocated_buffers; // 已分配的buffer红黑树
size_t free_async_space; // 剩余异步传输空间大小
struct page **pages; // 物理内存页
size_t buffer_size; // 映射的buffer大小
uint32_t buffer_free; // 剩余可用buffer大小
struct list_head todo; // 进程工作链表
wait_queue_head_t wait; // 等待队列
struct binder_stats stats; // binder统计信息
struct list_head delivered_death; // 已经发布的死亡通知链表
int max_threads; // 最大线程数
int requested_threads; // 请求的线程数
int requested_threads_started; // 请求的线程已经启动的数量
int ready_threads; // 已经准备好的线程数
long default_priority; // 默认优先级
struct dentry *debugfs_entry; // debugf入口指针
};
内存空间映射
创建binder_proc，完成初始化后，应用层会调用mmap()来映射地址空间。
drivers/staging/android/binder.c
static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
int ret;
struct vm_struct *area;
struct binder_proc *proc = filp->private_data;
const char *failure_string;
struct binder_buffer *buffer;
if (proc->tsk != current)
return -EINVAL;
// 映射空间不能大于4M
if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
......
// fork的子进程无法复制映射空间，并且不允许修改写属性
vma->vm_flags = (vma->vm_flags | VM_DONTCOPY) & ~VM_MAYWRITE;
......
// 获取内核虚拟地址空间
area = get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP);
......
proc->buffer = area->addr;
proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer;
mutex_unlock(&binder_mmap_lock);
......
// 创建物理页结构体
proc->pages = kzalloc(sizeof(proc->pages[0]) * ((vma->vm_end - vma->vm_start) / PAGE_SIZE), GFP_KERNEL);
......
proc->buffer_size = vma->vm_end - vma->vm_start;
vma->vm_ops = &binder_vm_ops;
vma->vm_private_data = proc;
// 分配一个物理页，并映射到虚拟地址空间
if (binder_update_page_range(proc, 1, proc->buffer, proc->buffer + PAGE_SIZE, vma)) {
......
// 创建buffers链表，插入第一个free buffer
buffer = proc->buffer;
INIT_LIST_HEAD(&proc->buffers);
list_add(&buffer->entry, &proc->buffers);
buffer->free = 1;
binder_insert_free_buffer(proc, buffer);
// 异步传输可用空间大小设置为映射大小的一半
proc->free_async_space = proc->buffer_size / 2;
barrier();
proc->files = get_files_struct(current);
proc->vma = vma;
proc->vma_vm_mm = vma->vm_mm;
......
}
Binder_mmap()主要完成了内核虚拟地址空间分配，地址空间映射，binder_proc中内存相关参数的初始化等工作。真正的物理页分配时通过binder_update_page_range()进行的，这里只分配了一个物理页放入free_buffers树中。之后的Binder传输过程中会根据需要分配和回收buffer。
drivers/staging/android/binder.c
static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int allocate,
void *start, void *end,
struct vm_area_struct *vma)
{
void *page_addr;
unsigned long user_page_addr;
struct vm_struct tmp_area;
struct page **page;
struct mm_struct *mm;
......
// 只有mmap时vma不为NULL，其他情况都会根据proc来获取内存相关数据
if (vma)
mm = NULL;
else
// 获取内存描述符，并增加用户计数，防止mm_struct被释放
mm = get_task_mm(proc->tsk);
if (mm) {
down_write(&mm->mmap_sem);
vma = proc->vma;
if (vma && mm != proc->vma_vm_mm) {
pr_err("%d: vma mm and task mm mismatch\n",
proc->pid);
vma = NULL;
}
}
// 回收内存时allocate为0
if (allocate == 0)
goto free_range;
......
// 循环分配物理页，每次分配一页
for (page_addr = start; page_addr < end; page_addr += PAGE_SIZE) {
int ret;
struct page **page_array_ptr;
page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE];
BUG_ON(*page);
// 分配一个物理页，保存地址到proc中
*page = alloc_page(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO);
......
tmp_area.addr = page_addr;
tmp_area.size = PAGE_SIZE + PAGE_SIZE /* guard page? */;
page_array_ptr = page;
// 建立页表与物理页的映射
ret = map_vm_area(&tmp_area, PAGE_KERNEL, &page_array_ptr);
......
user_page_addr =
(uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset;
// 插入物理页到用户虚拟地址空间
ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]);
......
}
if (mm) {
up_write(&mm->mmap_sem);
// 减少内存描述符的用户计数
mmput(mm);
}
return 0;
free_range:
for (page_addr = end - PAGE_SIZE; page_addr >= start;
page_addr -= PAGE_SIZE) {
page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE];
if (vma)
// 解除用户虚拟地址空间与物理页的映射
zap_page_range(vma, (uintptr_t)page_addr +
proc->user_buffer_offset, PAGE_SIZE, NULL);
err_vm_insert_page_failed:
// 解除物理页与内核页表的映射
unmap_kernel_range((unsigned long)page_addr, PAGE_SIZE);
err_map_kernel_failed:
// 释放物理页
__free_page(*page);
*page = NULL;
err_alloc_page_failed:
;
}
........
}
ProcessState构造函数执行完，也就完成了对Binder设备的初始化和内存空间映射。应用层获得了Binder设备的描述符mDriverFD，之后通过ioctl操作就可以进行IPC传输。
第一个Binder线程
之前分析到，一个Binder进程最多可以有16个Binder线程，每个Binder线程都可以独立进行Binder传输。第一个Binder线程一般在创建ProcessState对象后，通过ProcessState::startThreadPool()来创建。
frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp
class PoolThread : public Thread
{
public:
PoolThread(bool isMain)
: mIsMain(isMain)
{
}
protected:
virtual bool threadLoop()
{
// 通过startThreadPool创建时，mIsMain是true，为主线程
IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
return false;
}
const bool mIsMain;
};
......
void ProcessState::startThreadPool()
{
AutoMutex _l(mLock);
// 第一个线程必须通过startThreadPool来创建
if (!mThreadPoolStarted) {
mThreadPoolStarted = true;
spawnPooledThread(true);
}
}
......
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
if (mThreadPoolStarted) {
// 构造binder名字：Binder_XX
String8 name = makeBinderThreadName();
ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string());
sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
t->run(name.string());
}
}
最终真正的Binder线程创建是通过IPCThreadState::joinThreadPool()来实现的。
frameworks/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
......
// 主线程使用命令BC_ENTER_LOOPER，以后再创建线程都通过BC_REGISTER_LOOPER
mOut.writeInt32(isMain ? BC_ENTER_LOOPER : BC_REGISTER_LOOPER);
......
// 设置线程为前台group，保证Binder传输初始化
set_sched_policy(mMyThreadId, SP_FOREGROUND);
status_t result;
do {
// 清理命令队列
processPendingDerefs();
// now get the next command to be processed, waiting if necessary
// 获取一个命令并执行
result = getAndExecuteCommand();
......
// 非主线程时，如果线程不在需要将退出。主线程将一直存活
if(result == TIMED_OUT && !isMain) {
break;
}
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
......
// 线程退出命令
mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);
talkWithDriver(false);
}
joinThreadPool()发送命令BC_ENTER_LOOPER创建第一个Binder线程。之后进入循环，通过getAndExecuteCommand()获取命令并执行。简单看下是如何与驱动交互的。
frameworks/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp
status_t IPCThreadState::getAndExecuteCommand()
{
status_t result;
int32_t cmd;
// 与Binder驱动进行交互
result = talkWithDriver();
if (result >= NO_ERROR) {
size_t IN = mIn.dataAvail();
......
// 执行命令
result = executeCommand(cmd);
......
// 执行命令时可能将线程设置为后台group，再次设置为前台group
set_sched_policy(mMyThreadId, SP_FOREGROUND);
}
return result;
}
......
status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
......
// 写数据为mOut
bwr.write_size = outAvail;
bwr.write_buffer = (uintptr_t)mOut.data();
// This is what we'll read.
// 读数据为mIn
if (doReceive && needRead) {
bwr.read_size = mIn.dataCapacity();
bwr.read_buffer = (uintptr_t)mIn.data();
} else {
bwr.read_size = 0;
bwr.read_buffer = 0;
}
......
// 使用BINDER_WRITE_READ对驱动进行读写
if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)
......
}
应用对Binder驱动的读写是通过ioctl的BINDER_WRITE_READ命令完成的，读写数据为mIn和mOut。mIn和mOut为Parcel实例，Binder的数据都需要经过Parcel将数据序列化后才传输的，应用接收的数据再经过反序列化读出。我们先关心线程的创建，看一下驱动中对BC_ENTER_LOOPER的处理。
drivers/staging/android/binder.c
static int binder_thread_write(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
binder_size_t *consumed)
{
......
case BC_ENTER_LOOPER:
......
// 设置thread looper状态
thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED;
break;
......
}
......
static struct binder_thread *binder_get_thread(struct binder_proc *proc)
{
struct binder_thread *thread = NULL;
struct rb_node *parent = NULL;
struct rb_node **p = &proc->threads.rb_node;
// 在proc threads树上查找线程
while (*p) {
parent = *p;
thread = rb_entry(parent, struct binder_thread, rb_node);
if (current->pid < thread->pid)
p = &(*p)->rb_left;
else if (current->pid > thread->pid)
p = &(*p)->rb_right;
else
break;
}
// 如果threads树上没有找到线程则创建一个线程，并插入到树中
if (*p == NULL) {
thread = kzalloc(sizeof(*thread), GFP_KERNEL);
if (thread == NULL)
return NULL;
binder_stats_created(BINDER_STAT_THREAD);
thread->proc = proc;
thread->pid = current->pid;
init_waitqueue_head(&thread->wait);
INIT_LIST_HEAD(&thread->todo);
rb_link_node(&thread->rb_node, parent, p);
rb_insert_color(&thread->rb_node, &proc->threads);
thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_NEED_RETURN;
thread->return_error = BR_OK;
thread->return_error2 = BR_OK;
}
return thread;
}
......
static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
......
// 在binder进程中获取当前线程的binder线程
thread = binder_get_thread(proc);
......
switch (cmd) {
case BINDER_WRITE_READ: {
if (bwr.write_size > 0) {
// 写数据
ret = binder_thread_write(proc, thread, bwr.write_buffer, bwr.write_size, &bwr.write_consumed);
......
if (bwr.read_size > 0) {
// 读数据
ret = binder_thread_read(proc, thread, bwr.read_buffer, bwr.read_size, &bwr.read_consumed, filp->f_flags & O_NONBLOCK);
......
if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr))) {
ret = -EFAULT;
goto err;
}
break;BC_ENTER_LOOPER
}
......
}
整理一下第一个Binder线程创建的流程，
- 应用在创建ProcessState实例后调用startThreadPool()创建了一个线程Binder_1。
- Binder_1运行时调用IPCThreadState::joinThreadPool()跟驱动交互，发送命令BC_ENTER_LOOPER。
驱动在读写数据时先创建一个Binder线程，加入到proc->threads树上。这是该红黑树上应该只有一个节点，其pid为Binder_1的pid。 - 驱动执行命令BC_ENTER_LOOPER，设置Binder线程looper状态为BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED。
- 驱动调用binder_thread_read()等待数据写入。
后续Binder线程的创建
进程中的第一个Binder线程创建后，再创建Binder线程有两种方式。
- 直接调用IPCThreadState::joinThreadPool()：一些Native Service使用这个方式，像MediaServer，DrmServer。
- 通过ProcessState::spawnPooledThread(false)：处理BR_SPAWN_LOOPER命令时执行。
大部分后续Binder线程的创建都是通过BR_SPAWN_LOOPER命令来完成的。这个命令是由Binder驱动发出的。当Binder驱动检查到Binder线程不足时，就会发送BR_SPAWN_LOOPER给应用层，用来创建Binder线程。
drivers/staging/android/binder.c
static int binder_thread_read(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
binder_size_t *consumed, int non_block)
{
......
// 是否从proc中获取工作项
wait_for_proc_work = thread->transaction_stack == NULL &&
list_empty(&thread->todo);
......
// 设置状态为Binder线程正在等待处理
thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_WAITING;
// 如果处理proc工作，则让ready_threads加1
if (wait_for_proc_work)
proc->ready_threads++;
binder_unlock(__func__);
......
// 线程进入休眠，等待数据到来
if (wait_for_proc_work) {
......
ret = wait_event_freezable_exclusive(proc->wait, binder_has_proc_work(proc, thread));
} else {
......
ret = wait_event_freezable(thread->wait, binder_has_thread_work(thread));
}
binder_lock(__func__);
// 如果处理proc工作，则让ready_threads减1，表面Binder线程开始处理数据
if (wait_for_proc_work)
proc->ready_threads--;
// 移除Binder线程等待处理状态
thread->looper &= ~BINDER_LOOPER_STATE_WAITING;
......
// 如果没有剩余的可用Binder线程，并且没有达到最大线程数，则发送BR_SPAWN_LOOPER
if (proc->requested_threads + proc->ready_threads == 0 &&
proc->requested_threads_started < proc->max_threads &&
(thread->looper & (BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED |
BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED)) /* the user-space code fails to */
/*spawn a new thread if we leave this out */) {
proc->requested_threads++;
binder_debug(BINDER_DEBUG_THREADS,
"%d:%d BR_SPAWN_LOOPER\n",
proc->pid, thread->pid);
if (put_user(BR_SPAWN_LOOPER, (uint32_t __user *)buffer))
return -EFAULT;
binder_stat_br(proc, thread, BR_SPAWN_LOOPER);
}
return 0;
}
当进程中没有剩余可用的Binder线程时，驱动就会发送BR_SPAWN_LOOPER命令，应用层接收到该命令则执行spawnPooledThread(false)。这个函数在上面分析过，会向驱动发送BC_REGISTER_LOOPER命令。
drivers/staging/android/binder.c
static int binder_thread_write(struct binder_proc *proc,
struct binder_thread *thread,
binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
binder_size_t *consumed)
{
......
case BC_REGISTER_LOOPER:
......
} else {
// 更新proc中线程状态计数
proc->requested_threads--;
proc->requested_threads_started++;
}
// 设置thread looper状态
thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED;
break;
......
}
可以看到，proc中线程相关的计数有三个，
- ready_threads：这个计数会在处理proc工作项时更新，表明有多少Binder线程正在等待处理命令。
- requested_threads：驱动申请创建Binder线程时将该计数+1，应用层完成线程创建后向驱动注册时发送BC_REGISTER_LOOPER会将计数-1。所以Binder线程创建流程结束后该计数应该为0。
- requested_threads_started：表明已经启动了多少Binder线程。但是Binder主线程时通过BC_ENTER_LOOPER建立的，不更新该计数。所以最大的Binder线程数是(max_threads + 1)。
Binder线程创建流程
根据上面分析，可以知道Binder线程有两种创建方式，
- Binder主线程：在Binder进程初始化时创建了一个线程，并发送BC_ENTER_LOOPER给Binder驱动，注册为主线程。主线程在一个Binder进程中只有一个，且不能销毁。
- Binder副线程：在Binder进程没有空余Binder线程时，由Binder驱动发送BR_SPAWN_LOOPER创建。应用层创建一个线程通过BC_REGISTER_LOOPE进行注册。Binder辅线程可以有多个，在不需要时可以销毁。
上图是对Binder线程创建流程的简单整理。可以看到如果Binder主线程接收到消息就会再创建一个Binder线程，之后如果接收消息时没有空余线程才会创建。所以在一些Native Service中，会在初始化时就调用joinThreadPool()创建一个副线程，这样Service在开始运行时就会有两个Binder线程，因为它们很明确一定会使用跨进程通信。
android
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