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Binder概述,快速了解Binder体系

前言

众所周知,Binder是Android系统中最主要的进程间通信套件,更具体一点,很多文章称之为Binder驱动,那为什么说它是一个驱动呢,驱动又是何物,让我们自底向上,从内核中的Binder来一步步揭开它的面纱。本文重点在帮助读者对于Binder系统有一个简略的了解,所以写得比较笼统,后续文章会详细分析。

Binder到底是什么

Android系统内核是Linux,每个进程有自己的虚拟地址空间,在32位系统下最大是4GB,其中3GB为用户空间,1GB为内核空间;每个进程用户空间相对独立,而内核空间是一样的,可以共享,如下图

地址空间.png

Linux驱动运行在内核空间,狭义上讲是系统用于控制硬件的中间程序,但是归根结底它只是一个程序一段代码,所以具体实现并不一定要和硬件有关。Binder就是将自己注册为一个misc类型的驱动,不涉及硬件操作,同时自身运行于内核中,所以可以当作不同进程间的桥梁实现IPC功能。

Linux最大的特点就是一切皆文件,驱动也不例外,所有驱动都会被挂载在文件系统dev目录下,Binder对应的目录是/dev/binder,注册驱动时将open release mmap等系统调用注册到Binder自己的函数,这样的话在用户空间就可以通过系统调用以访问文件的方式使用Binder。下面来粗略看一下相关代码。

device_initcall函数用于注册驱动,由系统调用

binder_init中调用misc_register注册一个名为binder的misc驱动,同时指定函数映射,将binder_open映射到系统调用open,这样就可以通过open("/dev/binder")来调用binder_open函数了

drivers/android/binder.c

// 驱动函数映射
static const struct file_operations binder_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.poll = binder_poll,
	.unlocked_ioctl = binder_ioctl,
	.compat_ioctl = binder_ioctl,
	.mmap = binder_mmap,
	.open = binder_open,
	.flush = binder_flush,
	.release = binder_release,
};

// 注册驱动参数结构体
static struct miscdevice binder_miscdev = {
	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    // 驱动名称
	.name = "binder",
	.fops = &binder_fops
};

static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp){......}
static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){......}

static int __init binder_init(void)
{
    int ret;
    // 创建名为binder的单线程的工作队列
    binder_deferred_workqueue = create_singlethread_workqueue("binder");
    if (!binder_deferred_workqueue)
            return -ENOMEM;
    ......
    // 注册驱动,misc设备其实也就是特殊的字符设备
    ret = misc_register(&binder_miscdev);
    ......
    return ret;
}
// 驱动注册函数
device_initcall(binder_init);
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Binder的简略通讯过程

一个进程如何通过binder和另一个进程通讯?最简单的流程如下

  1. 接收端进程开启一个专门的线程,通过系统调用在binder驱动(内核)中先注册此进程(创建保存一个bidner_proc),驱动为接收端进程创建一个任务队列(biner_proc.todo)
  2. 接收端线程开始无限循环,通过系统调用不停访问binder驱动,如果该进程对应的任务队列有任务则返回处理,否则阻塞该线程直到有新任务入队
  3. 发送端也通过系统调用访问,找到目标进程,将任务丢到目标进程的队列中,然后唤醒目标进程中休眠的线程处理该任务,即完成通讯

在Binder驱动中以binder_proc结构体代表一个进程,binder_thread代表一个线程,binder_proc.todo即为进程需要处理的来自其他进程的任务队列

struct binder_proc {
	// 存储所有binder_proc的链表
	struct hlist_node proc_node;
	// binder_thread红黑树
	struct rb_root threads;
	// binder_proc进程内的binder实体组成的红黑树
	struct rb_root nodes;
	......
}
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Binder的一次拷贝

众所周知Binder的优势在于一次拷贝效率高,众多博客已经说烂了,那么什么是一次拷贝,如何实现,发生在哪里,这里尽量简单地解释一下。

上面已经说过,不同进程通过在内核中的Binder驱动来进行通讯,但是用户空间和内核空间是隔离开的,无法互相访问,他们之间传递数据需要借助copy_from_user和copy_to_user两个系统调用,把用户/内核空间内存中的数据拷贝到内核/用户空间的内存中,这样的话,如果两个进程需要进行一次单向通信则需要进行两次拷贝,如下图。

2copy.png

Binder单次通信只需要进行一次拷贝,因为它使用了内存映射,将一块物理内存(若干个物理页)分别映射到接收端用户空间和内核空间,达到用户空间和内核空间共享数据的目的。

发送端要向接收端发送数据时,内核直接通过copy_from_user将数据拷贝到内核空间映射区,此时由于共享物理内存,接收进程的内存映射区也就能拿到该数据了,如下图。

binder_mmap.png

代码实现部分

用户空间通过mmap系统调用,调用到Binder驱动中binder_mmap函数进行内存映射,这部分代码比较难读,感兴趣的可以看一下。

drivers/android/binder.c

binder_mmap创建binder_buffer,记录进程内存映射相关信息(用户空间映射地址,内核空间映射地址等),binder_buffer.data中存放的就是接收端进程和内核共享的物理内存块的指针

static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    int ret;
    //内核虚拟空间
    struct vm_struct *area;
    struct binder_proc *proc = filp->private_data;
    const char *failure_string;
    // 每一次Binder传输数据时,都会先从Binder内存缓存区中分配一个binder_buffer来存储传输数据
    struct binder_buffer *buffer;

    if (proc->tsk != current)
            return -EINVAL;
    // 保证内存映射大小不超过4M
    if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
        vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
    ......
    // 采用IOREMAP方式,分配一个连续的内核虚拟空间,与用户进程虚拟空间大小一致
    // vma是从用户空间传过来的虚拟空间结构体
    area = get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP);
    if (area == NULL) {
            ret = -ENOMEM;
            failure_string = "get_vm_area";
            goto err_get_vm_area_failed;
    }
    // 指向内核虚拟空间的地址
    proc->buffer = area->addr;
    // 用户虚拟空间起始地址 - 内核虚拟空间起始地址
    proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer;
    ......
    // 分配物理页的指针数组,数组大小为vma的等效page个数
    proc->pages = kzalloc(sizeof(proc->pages[0]) * ((vma->vm_end - vma->vm_start) / PAGE_SIZE), GFP_KERNEL);
    if (proc->pages == NULL) {
            ret = -ENOMEM;
            failure_string = "alloc page array";
            goto err_alloc_pages_failed;
    }
    proc->buffer_size = vma->vm_end - vma->vm_start;

    vma->vm_ops = &binder_vm_ops;
    vma->vm_private_data = proc;
    // 分配物理页面,同时映射到内核空间和进程空间,先分配1个物理页
    if (binder_update_page_range(proc, 1, proc->buffer, proc->buffer + PAGE_SIZE, vma)) {
            ret = -ENOMEM;
            failure_string = "alloc small buf";
            goto err_alloc_small_buf_failed;
    }
    buffer = proc->buffer;
    // buffer插入链表
    INIT_LIST_HEAD(&proc->buffers);
    list_add(&buffer->entry, &proc->buffers);
    buffer->free = 1;
    binder_insert_free_buffer(proc, buffer);
    // oneway异步可用大小为总空间的一半
    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;

    /*pr_info("binder_mmap: %d %lx-%lx maps %p\n",
             proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, proc->buffer);*/
    return 0;
}
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binder_update_page_range 函数为映射地址分配物理页,这里先分配一个物理页(4KB),然后将这个物理页同时映射到用户空间地址和内存空间地址

static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int allocate,
				    void *start, void *end,
				    struct vm_area_struct *vma)
{
    // 内核映射区起始地址
    void *page_addr;
    // 用户映射区起始地址
    unsigned long user_page_addr;
    struct page **page;
    // 内存结构体
    struct mm_struct *mm;
    
    if (end <= start)
        return 0;
    ......
    // 循环分配所有物理页,并分别建立用户空间和内核空间对该物理页的映射
    for (page_addr = start; page_addr < end; page_addr += PAGE_SIZE) {
        int ret;
        page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE];

        BUG_ON(*page);
        // 分配一页物理内存
        *page = alloc_page(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO);
        if (*page == NULL) {
                pr_err("%d: binder_alloc_buf failed for page at %p\n",
                        proc->pid, page_addr);
                goto err_alloc_page_failed;
        }
        // 物理内存映射到内核虚拟空间
        ret = map_kernel_range_noflush((unsigned long)page_addr,
                                PAGE_SIZE, PAGE_KERNEL, page);
        flush_cache_vmap((unsigned long)page_addr,
        // 用户空间地址 = 内核地址+偏移
        user_page_addr =
                (uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset;
        // 物理空间映射到用户虚拟空间
        ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]);
    }
}
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binder_mmap函数中调用binder_update_page_range只为映射区分配了一个物理页的空间,在Binder开始通讯时,会再通过binder_alloc_buf函数分配更多物理页,这是后话了。

Binder套件架构

内核层的Binder驱动已经提供了IPC功能,不过还需要在framework native层提供一些对于驱动层的调用封装,使framework开发者更易于使用,由此封装出了native Binder;同时,由于framework native层是c/c++语言实现,对于应用开发者,需要更加方便的Java层的封装,衍生出Java Binder;最后在此之上,为了减少重复代码的编写和规范接口,在Java Binder的基础上又封装出了AIDL。经过层层封装,在使用者使用AIDL时对于Binder基本上是无感知的。

这里贴一张架构图。

binder架构.png

Native层

BpBinder代表服务端Binder的一个代理,内部有一个成员mHandle就是服务端Binder在驱动层的句柄,客户端通过调用BpBinder::transact传入该句柄,经过驱动层和服务端BBinder产生会话,最后服务端会调用到BBinder::onTransact。在这里两者之间通过约定好的code来标识会话内容。

前面提到过,需要用Binder进行通信的进程都需要在驱动中先注册该进程,并且每次通讯时需要一个线程死循环读写binder驱动。驱动层中一个进程对应一个binder_proc,一个线程对应binder_thread;而在framework native层中,进程对应一个ProcessState,线程对应IPCThreadStateBpBinder::transact发起通讯最终也是通过IPCThreadState.transact调用驱动进行。

实际上Android中每个应用进程都打开了Binder驱动(在驱动中注册),Zygote进程在fork出应用进程后,调用app_main.cpp中onZygoteInit函数初始化,此函数中就创建了该进程的ProcessState实例,打开Binder驱动然后分配映射区,驱动中也创建并保存一个该进程的binder_proc实例。这里借一张图来描述。

Java层

Java层是对native层相关类的封装,BBinder对应Binder,BpBinder对应BinderProxy,java层最后还是会调用到native层对应函数

AIDL

AIDL生成的代码对于Binder进行了进一步封装,<接口>.Stub对应服务端Binder,<接口>.Stub.Proxy标识客户端,内部持有一个mRemote实例(BinderProxy),aidl根据定义的接口方法生成若干个TRANSACTION_<函数名> code常量,两端Binder通过这些code标识解析参数,调用相应接口方法。换言之AIDL就是对BinderProxy.transactBinder.onTransact进行了封装,使用者不必再自己定义每次通讯的code以及参数解析

后记

本篇文章主要为不了解Binder体系的读者提供一个笼统的认识,接下来的文章会从AIDL远程服务开始层层向下分析整个IPC过程,所以如果想要更深一步了解Binder,本文作为前置知识也比较重要。

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