Android基础之Binder分析

1.为什么Binder会在面试中经常被问到？Binder到底是什么？

进程间通信机制
也是一个驱动
Binder.java继承Ibinder接口，实现跨进程能力

Android中进程和线程的关系？区别？

线程是CPU调度的最小单元，同时线程是一种有限的系统资源；而进程一般指一个执行单元，在PC和移动设备上指一个程序或者一个应用。
一般来说，一个App程序至少有一个进程，一个进程至少有一个线程（包含与被包含的关系），通俗来讲就是，在App这个工厂里面有一个进程，线程就是里面的生产线，但主线程（即主生产线）只有一条，而子线程（即副生产线）可以有多个。
进程有自己独立的地址空间，而进程中的线程共享此地址空间，都可以并发执行。

如何开启多进程？应用是否可以开启N个进程？

在AndroidManifest中给四大组件指定属性android:process开启多进程模式，在内存允许的条件下可以开启N个进程。

为何需要IPC？

所有运行在不同进程的四大组件（Activity、Service、Receiver、ContentProvider）共享数据都会失败，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。

多进程的优点

扩大内存空间：通过开启多进程获取更大内存空间、两个或者多个应用之间共享数据、微信全家桶。
风险隔离，一般情况下，一个app就一个进程，如果某个模块崩溃了整个应用就挂了，如果实现多进程，只要保证主模块没有崩溃应用依然可以使用（通过双进程守护来拉起另外的进程）。

每一个进程分配的进程是有限的

//查看系统给每一个进程分配的内存大小
adb shell
getprop dalvik.vm.heapsize

使用场景

开发应用：WebView 、视频播放、音乐播放、大图浏览、推送
系统服务中：打电话、闹钟等等

多进程通信可能会出现的问题？

一般来说，使用多进程通信会造成如下几方面的问题:

静态成员和单例模式完全失效：独立的虚拟机造成。
线程同步机制完全失效：独立的虚拟机造成。
SharedPreferences的可靠性下降：这是因为Sp不支持两个进程并发进行读写，有一定几率导致数据丢失。
Application会多次创建：Android系统在创建新的进程时会分配独立的虚拟机，所以这个过程其实就是启动一个应用的过程，自然也会创建新的Application。

2.Binder相对其他进程通信有什么优缺点？

Android中IPC方式、各种方式优缺点？

Linux进程间通信机制有哪些？

我们知道Android也是基于Linux内核，Linux现有的进程通信手段有以下几种：

管道：在创建时分配一个page大小的内存，缓存区大小比较有限；
消息队列：信息复制两次，额外的CPU消耗；不合适频繁或信息量大的通信；
共享内存：无须复制，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，必须各进程利用同步工具解决；
套接字：作为更通用的接口，传输效率低，主要用于不同机器或跨网络的通信；
信号量：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。不适用于信息交换，更适用于进程中断控制，比如非法内存访问，杀死某个进程等；

为什么选择Binder？

既然有现有的IPC方式，为什么重新设计一套Binder机制呢。主要是出于以上三个方面的考量：

效率：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，如图：

而对于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，如图：

共享内存不需要拷贝，Binder的性能仅次于共享内存。
**稳定性：**上面说到共享内存的性能优于Binder，那为什么不采用共享内存呢，因为共享内存需要处理并发同步问题，容易出现死锁和资源竞争，稳定性较差。Socket虽然是基于C/S架构的，但是它主要是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：**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。

3.Binder机制的作用和原理？

传统的IPC传输数据

Linux系统将一个进程分为用户空间和内核空间。对于进程之间来说，用户空间的数据不可共享，内核空间的数据可共享，为了保证安全性和独立性，一个进程不能直接操作或者访问另一个进程，即Android的进程是相互独立、隔离的 ，这就需要跨进程之间的数据通信方式。普通的跨进程通信方式一般需要2次内存拷贝，如下图所示：

Binder传输数据

一次完整的 Binder IPC 通信过程通常是这样：

首先 Binder 驱动在内核空间创建一个数据接收缓存区。
接着在内核空间开辟一块内核缓存区，建立内核缓存区和内核中数据接收缓存区之间的映射关系，以及内核中数据接收缓存区和接收进程用户空间地址的映射关系。
发送方进程通过系统调用 copyfromuser() 将数据 copy 到内核中的内核缓存区，由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射，因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间，这样便完成了一次进程间的通信。

MMAP的原理

Linux通过将一个虚拟内存区域与一个磁盘上的对象关联起来，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)。

对文件进行mmap，会在进程的虚拟内存分配地址空间，创建映射关系。

实现这样的映射关系后，就可以采用指针的方式读写操作这一段内存，而系统会自动回写到对应的文件磁盘上。

所有的系统资源管理都是在内核空间中完成的。比如读写磁盘文件，分配回收内存，从网络接口读写数据等等。用户空间通过系统调用让内核空间完成这些功能。

写文件流程:

1、调用write，告诉内核需要写入数据的开始地址与长度。 2、内核将数据拷贝到内核缓存。 3、由操作系统调用，将数据拷贝到磁盘，完成写入。

Binder框架中ServiceManager的作用？

Binder框架是基于 C/S 架构的。由一系列的组件组成，包括 Client、Server、ServiceManager、Binder驱动，其中 Client、Server、Service Manager 运行在用户空间，Binder 驱动运行在内核空间。如下图所示：

4.Binder驱动

Binder架构

Binder的jni方法注册讲解

1.zygote启动

1-1.启动zygote进程

zygote是由init进程通过解析 init.zygote.rc 文件而创建的，zygote所对应的可执行程序 app_process，所对应的源文件是 app_main.cpp ，进程名为zygote。

// system/core/rootdir/init.zygote32.rc

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --startsystem-server    
    class main    
    socket zygote stream 660 root system    
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake    
    onrestart write /sys/power/state on    
    onrestart restart media    
    onrestart restart netd    
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

1-2.执行app_main.cpp中的main方法

启动zygote的入口函数是 app_main.cpp 中的main方法。

//frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

// 186 
int main(int argc, char* const argv[])

// 248 将zygote标志位置为true。 
if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {    
    zygote = true; 
}

// 306 运行AndroidRuntime.cpp的start方法 
if (zygote) {    
    runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote); 
}

1-3.AndroidRuntime::start

调用startReg方法来完成jni方法的注册。

frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

//frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

// 1007 
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)

// 1051 
if (startReg(env) < 0) {
    
    

//1440 
int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)

// 1459 注册jni方法 
if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {

    


// 1283 
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env) {    
    // 循环注册jni方法    
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {        
        if (array[i].mProc(env) < 0) {            
            return -1;        
        }    
    }    
    return 0; 
}

     
    
// 1296 
static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
    
    // 1312     
    REG_JNI(register_android_os_Binder), 
    
}

2.register_android_os_Binder

//frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
    
// 1282 
int register_android_os_Binder(JNIEnv* env) {    
    if (int_register_android_os_Binder(env) < 0)        
        return -1;    
    if (int_register_android_os_BinderInternal(env) < 0)        
        return -1;    
    if (int_register_android_os_BinderProxy(env) < 0)        
        return -1;
}

2-1.int_register_android_os_Binder

//frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

// 843 
static const JNINativeMethod gBinderMethods[] = {     
    /* name, signature, funcPtr */    
    { "getCallingPid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingPid },    
    { "getCallingUid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingUid },    
    { "clearCallingIdentity", "()J", (void*)android_os_Binder_clearCallingIdentity },    
    { "restoreCallingIdentity", "(J)V", (void*)android_os_Binder_restoreCallingIdentity},
    { "setThreadStrictModePolicy", "(I)V", (void*)android_os_Binder_setThreadStrictModePolicy },    
    { "getThreadStrictModePolicy", "()I", (void*)android_os_Binder_getThreadStrictModePolicy },    
    { "flushPendingCommands", "()V", (void*)android_os_Binder_flushPendingCommands },   
    { "init", "()V", (void*)android_os_Binder_init },    
    { "destroy", "()V", (void*)android_os_Binder_destroy },    
    { "blockUntilThreadAvailable", "()V", (void*)android_os_Binder_blockUntilThreadAvailable } 
};

// 857 
const char* const kBinderPathName = "android/os/Binder";

// 859 
static int int_register_android_os_Binder(JNIEnv* env) {    
    // 查找文件 kBinderPathName = "android/os/Binder"，返回对应Class对象    
    jclass clazz = FindClassOrDie(env, kBinderPathName);
    // 通过gBinderOffsets结构体，保存Java层Binder类的信息，为JNI层访问Java层提供通道    
    gBinderOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);    
    gBinderOffsets.mExecTransact = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "execTransact", "(IJJI)Z");     
    gBinderOffsets.mObject = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mObject", "J");
    // 通过RegisterMethodsOrDie，将为gBinderMethods数组完成映射关系，从而为Java层访问 JNI层提供通道    
    return RegisterMethodsOrDie(        
        env, kBinderPathName,        
        gBinderMethods, 
        NELEM(gBinderMethods));
}

2-2.int_register_android_os_BinderInternal

//frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
    
// 925 
static const JNINativeMethod gBinderInternalMethods[] = {     
    /* name, signature, funcPtr */    
    { "getContextObject", "()Landroid/os/IBinder;", (void*)android_os_BinderInternal_getContextObject },    
    { "joinThreadPool", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_joinThreadPool },    
    { "disableBackgroundScheduling", "(Z)V", (void*)android_os_BinderInternal_disableBackgroundScheduling },    
    { "handleGc", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_handleGc } };

// 933 
const char* const kBinderInternalPathName = "com/android/internal/os/BinderInternal";

// 935 
static int int_register_android_os_BinderInternal(JNIEnv* env){    
    // 查找文件kBinderInternalPathName = "com/android/internal/os/BinderInternal"，返回Class对象    
    jclass clazz = FindClassOrDie(env, kBinderInternalPathName);
    // 通过gBinderInternalOffsets，保存Java层BinderInternal类的信息，为JNI层访问java 层提供通道    
    gBinderInternalOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);
    gBinderInternalOffsets.mForceGc = GetStaticMethodIDOrDie(env, clazz, "forceBinderGc", "()V");
    
    // 通过RegisterMethodsOrDie()，将为gBinderInternalMethods数组完成映射关系，从而为 Java层访问JNI层提供通道    
    return RegisterMethodsOrDie(        
        env, kBinderInternalPathName,        
        gBinderInternalMethods, 
        NELEM(gBinderInternalMethods));
}

2-3.int_register_android_os_BinderProxy

//frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

// 1241 
static const JNINativeMethod gBinderProxyMethods[] = {     
    /* name, signature, funcPtr */    
    {"pingBinder",          "()Z", (void*)android_os_BinderProxy_pingBinder},    
    {"isBinderAlive",       "()Z", (void*)android_os_BinderProxy_isBinderAlive},    
    {"getInterfaceDescriptor", "()Ljava/lang/String;", (void*)android_os_BinderProxy_getInterfaceDescriptor},
    {"transactNative",      "(ILandroid/os/Parcel;Landroid/os/Parcel;I)Z", (void*)android_os_BinderProxy_transact}, 
    {"linkToDeath",         "(Landroid/os/IBinder$DeathRecipient;I)V", (void*)android_os_BinderProxy_linkToDeath}, 
    {"unlinkToDeath",       "(Landroid/os/IBinder$DeathRecipient;I)Z", (void*)android_os_BinderProxy_unlinkToDeath},    
    {"destroy",             "()V", (void*)android_os_BinderProxy_destroy}, };

// 1252 
const char* const kBinderProxyPathName = "android/os/BinderProxy";

// 1254 
static int int_register_android_os_BinderProxy(JNIEnv* env) {    
    // 查找文件 kBinderProxyPathName = "android/os/BinderProxy"，返回对应Class对象    
    jclass clazz = FindClassOrDie(env, "java/lang/Error");    
    gErrorOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);

    // 通过gBinderProxyOffsets，保存Java层BinderProxy类的信息，为JNI层访问Java提供通道    
    clazz = FindClassOrDie(env, kBinderProxyPathName);    
    gBinderProxyOffsets.mClass = MakeGlobalRefOrDie(env, clazz);    
    gBinderProxyOffsets.mConstructor = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "<init>", " ()V");    
    gBinderProxyOffsets.mSendDeathNotice = GetStaticMethodIDOrDie(env, clazz, "sendDeathNotice", "(Landroid/os/IBinder$DeathRecipient;)V");
    
    gBinderProxyOffsets.mObject = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mObject", "J");    
    gBinderProxyOffsets.mSelf = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mSelf","Ljava/lang/ref/WeakReference;");  
    
    gBinderProxyOffsets.mOrgue = GetFieldIDOrDie(env, clazz, "mOrgue", "J");
    
    clazz = FindClassOrDie(env, "java/lang/Class");    
    gClassOffsets.mGetName = GetMethodIDOrDie(env, clazz, "getName", " ()Ljava/lang/String;");
    
    // 通过RegisterMethodsOrDie()，将为gBinderProxyMethods数组完成映射关系，从而为Java 层访问JNI层提供通道    
    return RegisterMethodsOrDie(        
        env, kBinderProxyPathName,        
        gBinderProxyMethods, NELEM(gBinderProxyMethods)); 
}

Binder驱动注册讲解