Binder从陌生到熟悉（中）

Binder从陌生到熟悉（下）

概念

什么是Binder

如果我得同事问了我一句，“Binder是什么啊”，我得脑海中可能出现这样几个答案

• Android系统中进程间的通信机制（IPC）
• 也是一个Android系统中处于Linux内核层的驱动设备
• 在Android开发中，如果继承了Binder.java类，实现IBinder接口，可以获得跨进程通信的能力

Android中的多进程

那么Android系统中什么时候会用到多进程呢。我们在平时Android开发中，会创建出一些独立进程，如：WebView、大图浏览、音视频播放、推送等相关功能，同时Android系统服务中的打电话，闹钟等功能也是多进程的实现。如果你写的android应用实现了多进程，那么你的应用可以开辟更多的内存（每一个进程可以向虚拟机申请到的使用内存是有限的，多个进程可以获得更多的内存），可以获得风险隔离（把一些风险操作统一放在一个进程中，即使这个进程崩溃了，也不会影响到主进程）的特性，这些都是多进程的优势。

Linux中的进程间通信

Linux中已有的进程间通信手段包括

• 管道(Pipe)及有名管道(named pipe)：在创建时分配1个page大小的内存空间，缓存区大小比较有限
• 信号(Signal)和跟踪(Trace)：不适合用于信息交换，更适用于进程中断控制，如非法内存访问、杀死某个进程等
• 共享内存(Share Memory)：无需信息拷贝，共享缓冲区直接附加到进程虚拟地址空间，速度快；但进程间的同步问题操作系统无法实现，必须靠各进程利用同步工具解决
• 套接字(Socket)：作为更通用的接口，传输效率低，主要作用于本机上不同进程间的低速通信或者跨网络的进程间通信
• 报文(Message)队列(消息队列)：信息拷贝两次，额外的CPU消耗；不适合频繁或者信息量大的通信
• 信号量(Semaphore)：常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段

既然Android是基于Linux内核的操作系统，那为什么google不直接采用以上几种进程的IPC方案却选择了Binder呢？我们来从以下几个角度对Binder和其他几个IPC方案来进行对比分析

1. 从性能的角度：Socket作为一款通用接口，传输效率低、开销大，主要用于本机上不同进程间的低速通信或者跨网络的进程间通信。消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方的缓存区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的缓存区，至少经历了两次拷贝过程；Binder只需要一次拷贝；共享内存无需拷贝。Binder在性能上仅次于共享内存

2. 从稳定性的角度：Binder是基于C/S架构的(客户端Client和服务端Server组成的架构，客户端有什么需求，直接发给服务端去完成)，架构清晰，客户端和服务端相对独立，稳定性较好。Socket同样支持C/S架构。而管道/消息队列/共享内存/信号量都不支持，虽然可以在这些底层机制上架设一套协议来实现Client-Server通信，但这样增加了系统的复杂性，在手机这种条件复杂，资源稀缺的环境下可靠性也难以保证

3. 从安全性角度：传统的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Android作为一个开放的开源体系，拥有非常多的开发平台，APP来源广，因此手机的安全显得至关重要。传统的Linux IPC无任何保护措施，完全由上层协议来确保，只能由用户在数据包里填入UID/PID，可靠的身份标识只有由IPC机制本身在内核中添加，而且传统的IPC访问的接入点是开放的，无法建立私有通道。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，因而进程的UID是鉴别进程身份的重要标识，在C/S架构中，Android系统中对外只暴露客户端，客户端将任务发送给服务端，服务端会根据权限控制策略，判断UID/PID是否满足访问权限，目前权限控制很多时候是通过弹出权限申请弹框，让用户选择是否允许。同时 Binder 既支持实名 Binder(比如系统服务)，又支持匿名 Binder(自己创建的服务)，Binder的安全性更高

   	Binder	共享内存	Socket
   性能	需要拷贝一次	无需拷贝	需要拷贝两次
   稳定性	基于C/S架构，易用性高 ，稳定性好	控制复杂，易用性差 ，稳定性差	基于C/S架构，作为一款通用接口，传输效率低，开销大 ，稳定性好
   安全性	为每个APP分配UID，同时支持实名和匿名，安全性高	依赖上层协议，访问接入点是开放的，不安全	依赖上层协议，访问接入点是开放的，不安全

   基于上述原因，可知Binder是Android系统上层进程间通信的不二之选

   结构

进程间是如何通信的

两个进程A和B，进程A是无法之间操作或调用进程B中的代码的，因为Android系统中不同进程间是内存隔离的。内存被操作系统划分为两块，用户空间和内核空间。用户空间是用户程序代码运行的地方，内核空间是内核代码运行的地方。为了安全，他们是互相隔离的，即用户的程序崩溃了，也不会影响到内核。 CPU具有不同的操作模式，代表不同的级别，不同的级别具有不同的功能，在较低的级别中将禁止某些操作。Linux系统设计时利用了这种硬件特性，使用了两个级别，最高级别和最低级别，内核运行在最高级别(内核态R0)，这个级别可以进行所有操作，而应用程序运行在较低级别(用户态R3)，在这个级别，处理器控制着对硬件的直接访问以及对内存的非授权访问。

当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

当进程在执行用户自己的代码的时候，我们称其处于用户运行态（用户态）。此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。

内核态和用户态有自己的内存映射，即自己的地址空间。不同进程的用户空间申请的虚拟内存，映射到独属进程的物理内存上面，是隔离的。内核空间申请的虚拟内存映射到同一块物理内存上，是共享的。用户空间的应用程序，如果想要请求系统服务，比如操作一个物理设备，或者映射一段设备空间的地址到用户空间，就必须通过系统调用来(操作系统提供给用户空间的接口函数)实现，而系统调用主要通过如下两个函数

copy_from_user() //将数据从用户空间拷贝到内核空间
copy_to_user() //将数据从内核空间拷贝到用户空间

传统IPC机制传输数据

传统的IPC机制传输数据相当于传呼机，进程A想给进程B发消息，需要先把消息告诉传呼中心，然后传呼中心再把信息发送到进程B的传呼机上面，这条信息发送了两次，也就是所谓的两次拷贝（只是举例，方便理解）。

Binder机制传输数据

Binder机制传输数据相当于寄快递，进程A想把包裹邮寄给进程B，需要先把包裹交给快递公司，然后快递公司把包裹放到旗下的快递柜里面，进程B直接在快递柜里面取出包裹。这个包裹就相当于数据，只是在进程A交给快递公司时发生了一次拷贝（只是举例，方便理解）。在这个过程中，快递柜这部分空间是快递公司和进程B共享的。

想了解Binder机制传输数据的原理，首先要先了解一个概念：内存映射

Linux通过将一个虚拟内存区域与一个磁盘（物理内存）上的对象关联起来，以初始化这个虚拟内存区域的内容，这个过程称为内存映射(memory mapping)

MMAP的原理是这样的：

1.线程启动映射过程，并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域。

先在用户空间调用库函数mmap，并在当前进程的虚拟地址空间中，寻找一段空闲的满足要求的连续虚拟地址作为内存虚拟映射区域，对此区域初始化并插入进程的虚拟地址区域链表或树中。

2.系统在内核空间调用内核函数mmap，实现文件物理地址和进程虚拟地址之间的一一映射关系。

3.进程发起对这片映射空间的访问

进程读写操作访问虚拟地址，查询页表，发现这一段地址并不在内存的物理页面上，因为虽然建立了映射关系，但是还没有将文件从磁盘移到内存中。由此发生缺页中断，内核请求从磁盘调入页面。调页过程先在交换缓存空间（swap cache）中查找，若没有则通过nopage函数把缺失页从磁盘调入内存。之后进程会对其做读写操作，若写操作改变了页面内容，一段时间后系统会自动回写脏页面到磁盘中。(修改过的脏页面不会立即更新到文件中，可以调用msync()来强制同步，写入文件)

Binder IPC 机制中涉及到的内存映射通过mmap()来实现，mmap() 是操作系统中一种内存映射的方法。映射关系建立后，用户对这块用户空间的修改可以直接反应到内核空间；反之内核空间对这段区域的修改也能直接反应到用户空间。这样一来，从发送方用户空间拷贝到内核空间缓存区的数据，就相当于直接拷贝到了接收方用户空间的数据缓存区，从而减少了一次数据拷贝。

Binder框架结构

1.Binder驱动

Linux 把所有的硬件访问都抽象为对文件的读写、设置，这一"抽象"的具体实现就是驱动程序。驱动程序充当硬件和软件之间的枢纽，提供了一套标准化的调用，并将这些调用映射为实际硬件设备相关的操作，对应用程序来说隐藏了设备工作的细节。

Linux 驱动设备分为三类，分别是字符设备、块设备和网络设备。字符设备就是能够像字节流文件一样被访问的设备。对字符设备进行读/写操作时，实际硬件的I/O操作一般也紧接着发生。字符设备驱动程序通常都会实现 open、close、read 和 write系统调用，比如显示屏、键盘、串口、LCD、LED 等。

块设备指通过传输数据块（一般为512b或1k）来访问的设备，比如硬盘、SD卡、U盘、光盘等。

网络设备是能够和其他主机交换数据的设备，比如网卡、蓝牙等设备。

字符设备中有一个比较特殊的 misc 杂项设备，设备号为 10，可以自动生成设备节点。Android 的Ashmem、Binder 都属于 misc 杂项设备。

Binder 并不是 Linux 系统内核的一部分，得益于 Linux 的动态内核可加载模块（Loadable Kernel Module，LKM）的机制；模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但是不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分运行。这样，Android 系统就可以通过动态添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间通过这个内核模块作为桥梁来实现通信

对 Binder 机制来说，Binder驱动是 IPC 通信的路由器，负责实现不同进程间的数据交互，是 Binder 机制的核心；对 Linux 系统来说，Binder驱动是一个字符驱动设备，运行在内核空间，向上层提供 /dev/binder 设备节点及 open、mmap、ioctl 等系统调用

2.ServiceManager

Service Manager充当的是Binder驱动的守护进程，类似于TCP通信中的DNS地位。我们会把相关的Binder注册到里面，最后会通过Service Manager这个服务去查找Binder的代理端。而实际上这个Service Manager在Andrioid Binder体系中，承当了Android系统中第一个注册进入Binder的服务

3.Clinet

本地端，Binder在整个IPC进程通信中，发出请求的一端。相当于C/S架构中的客户端的概念

4.Server 代理端，Binder在整个IPC进程通信中，响应请求的一端。相当于C/S架构中的服务端的概念