還不懂Binder的原理？你損失了一張騰訊offer

前言

騰訊面試官 ：談一談Binder的原理和實現一次拷貝的流程
心理分析 ：能問出該問題，面試官對binder的理解是很是深刻的。想問求職者對Android底層有沒有深刻理解
求職者:應該從linux進程通訊原理的兩次拷貝提及，而後引伸爲何binder卻只有一次拷貝 ，最後闡述內核空間 與用戶空間的定義

1. Linux 下傳統的進程間通訊原理

瞭解 Linux IPC 相關的概念和原理有助於咱們理解 Binder 通訊原理。所以，在介紹 Binder 跨進程通訊原理以前，咱們先聊聊 Linux 系統下傳統的進程間通訊是如何實現。

1.1 基本概念介紹

這裏咱們先從 Linux 中進程間通訊涉及的一些基本概念開始介紹，而後逐步展開，向你們說明傳統的進程間通訊的原理。

上圖展現了 Liunx 中跨進程通訊涉及到的一些基本概念：

• 進程隔離
• 進程空間劃分：用戶空間(User Space)/內核空間(Kernel Space)
• 系統調用：用戶態/內核態

進程隔離

簡單的說就是操做系統中，進程與進程間內存是不共享的。兩個進程就像兩個平行的世界，A 進程無法直接訪問 B 進程的數據，這就是進程隔離的通俗解釋。A 進程和 B 進程之間要進行數據交互就得采用特殊的通訊機制：進程間通訊（IPC）。進程空間劃分：用戶空間(User Space)/內核空間(Kernel Space)如今操做系統都是採用的虛擬存儲器，對於 32 位系統而言，它的尋址空間（虛擬存儲空間）就是 2 的 32 次方，也就是 4GB。操做系統的核心是內核，獨立於普通的應用程序，能夠訪問受保護的內存空間，也能夠訪問底層硬件設備的權限。爲了保護用戶進程不能直接操做內核，保證內核的安全，操做系統從邏輯上將虛擬空間劃分爲用戶空間（User Space）和內核空間（Kernel Space）。針對 Linux 操做系統而言，將最高的 1GB 字節供內核使用，稱爲內核空間；較低的 3GB 字節供各進程使用，稱爲用戶空間。

簡單的說就是，內核空間（Kernel）是系統內核運行的空間，用戶空間（User Space）是用戶程序運行的空間。爲了保證安全性，它們之間是隔離的。

系統調用：用戶態與內核態

雖然從邏輯上進行了用戶空間和內核空間的劃分，但不可避免的用戶空間須要訪問內核資源，好比文件操做、訪問網絡等等。爲了突破隔離限制，就須要藉助系統調用來實現。系統調用是用戶空間訪問內核空間的惟一方式，保證了全部的資源訪問都是在內核的控制下進行的，避免了用戶程序對系統資源的越權訪問，提高了系統安全性和穩定性。

Linux 使用兩級保護機制：0 級供系統內核使用，3 級供用戶程序使用。

當一個任務（進程）執行系統調用而陷入內核代碼中執行時，稱進程處於內核運行態（內核態）。此時處理器處於特權級最高的（0級）內核代碼中執行。當進程處於內核態時，執行的內核代碼會使用當前進程的內核棧。每一個進程都有本身的內核棧。當進程在執行用戶本身的代碼的時候，咱們稱其處於用戶運行態（用戶態）。此時處理器在特權級最低的（3級）用戶代碼中運行。系統調用主要經過以下兩個函數來實現：

1.2 Linux 下的傳統 IPC 通訊原理

理解了上面的幾個概念，咱們再來看看傳統的 IPC 方式中，進程之間是如何實現通訊的。一般的作法是消息發送方將要發送的數據存放在內存緩存區中，經過系統調用進入內核態。而後內核程序在內核空間分配內存，開闢一塊內核緩存區，調用 copyfromuser() 函數將數據從用戶空間的內存緩存區拷貝到內核空間的內核緩存區中。一樣的，接收方進程在接收數據時在本身的用戶空間開闢一塊內存緩存區，而後內核程序調用 copytouser() 函數將數據從內核緩存區拷貝到接收進程的內存緩存區。這樣數據發送方進程和數據接收方進程就完成了一次數據傳輸，咱們稱完成了一次進程間通訊。以下圖：

這種傳統的 IPC 通訊方式有兩個問題：1.性能低下，一次數據傳遞須要經歷：內存緩存區 → 內核緩存區 → 內存緩存區，須要 2 次數據拷貝；2.接收數據的緩存區由數據接收進程提供，可是接收進程並不知道須要多大的空間來存放將要傳遞過來的數據，所以只能開闢儘量大的內存空間或者先調用 API 接收消息頭來獲取消息體的大小，這兩種作法不是浪費空間就是浪費時間。2. Binder 跨進程通訊原理理解了 Linux IPC 相關概念和通訊原理，接下來咱們正式介紹下 Binder IPC 的原理。

2.1 動態內核可加載模塊 && 內存映射

正如前面所說，跨進程通訊是須要內核空間作支持的。傳統的 IPC 機制如管道、Socket 都是內核的一部分，所以經過內核支持來實現進程間通訊天然是沒問題的。可是 Binder 並非 Linux 系統內核的一部分，那怎麼辦呢？這就得益於 Linux 的動態內核可加載模塊（Loadable Kernel Module，LKM）的機制；模塊是具備獨立功能的程序，它能夠被單獨編譯，可是不能獨立運行。它在運行時被連接到內核做爲內核的一部分運行。這樣，Android 系統就能夠經過動態添加一個內核模塊運行在內核空間，用戶進程之間經過這個內核模塊做爲橋樑來實現通訊。

在 Android 系統中，這個運行在內核空間，負責各個用戶進程經過 Binder 實現通訊的內核模塊就叫 Binder 驅動（Binder Dirver）。

那麼在 Android 系統中用戶進程之間是如何經過這個內核模塊（Binder 驅動）來實現通訊的呢？難道是和前面說的傳統 IPC 機制同樣，先將數據從發送方進程拷貝到內核緩存區，而後再將數據從內核緩存區拷貝到接收方進程，經過兩次拷貝來實現嗎？顯然不是，不然也不會有開篇所說的 Binder 在性能方面的優點了。這就不得不通道 Linux 下的另外一個概念：內存映射。Binder IPC 機制中涉及到的內存映射經過 mmap() 來實現，mmap() 是操做系統中一種內存映射的方法。內存映射簡單的講就是將用戶空間的一塊內存區域映射到內核空間。映射關係創建後，用戶對這塊內存區域的修改能夠直接反應到內核空間；反以內核空間對這段區域的修改也能直接反應到用戶空間。內存映射能減小數據拷貝次數，實現用戶空間和內核空間的高效互動。兩個空間各自的修改能直接反映在映射的內存區域，從而被對方空間及時感知。也正由於如此，內存映射可以提供對進程間通訊的支持。

2.2 Binder IPC 實現原理

Binder IPC 正是基於內存映射（mmap）來實現的，可是 mmap() 一般是用在有物理介質的文件系統上的。好比進程中的用戶區域是不能直接和物理設備打交道的，若是想要把磁盤上的數據讀取到進程的用戶區域，須要兩次拷貝（磁盤→內核空間→用戶空間）；一般在這種場景下 mmap() 就能發揮做用，經過在物理介質和用戶空間之間創建映射，減小數據的拷貝次數，用內存讀寫取代I/O讀寫，提升文件讀取效率。而 Binder 並不存在物理介質，所以 Binder 驅動使用 mmap() 並非爲了在物理介質和用戶空間之間創建映射，而是用來在內核空間建立數據接收的緩存空間。一次完整的 Binder IPC 通訊過程一般是這樣：

1. 首先 Binder 驅動在內核空間建立一個數據接收緩存區；
2. 接着在內核空間開闢一塊內核緩存區，創建內核緩存區和內核中數據接收緩存區之間的映射關係，以及內核中數據接收緩存區和接收進程用戶空間地址的映射關係；
3. 發送方進程經過系統調用 copyfromuser() 將數據 copy 到內核中的內核緩存區，因爲內核緩存區和接收進程的用戶空間存在內存映射，所以也就至關於把數據發送到了接收進程的用戶空間，這樣便完成了一次進程間的通訊。
4. 以下圖：

3. Binder 通訊模型

介紹完 Binder IPC 的底層通訊原理，接下來咱們看看實現層面是如何設計的。一次完整的進程間通訊必然至少包含兩個進程，一般咱們稱通訊的雙方分別爲客戶端進程（Client）和服務端進程（Server），因爲進程隔離機制的存在，通訊雙方必然須要藉助 Binder 來實現。3.1 Client/Server/ServiceManager/驅動前面咱們介紹過，Binder 是基於 C/S 架構的。由一系列的組件組成，包括 Client、Server、ServiceManager、Binder 驅動。其中 Client、Server、Service Manager 運行在用戶空間，Binder 驅動運行在內核空間。其中 Service Manager 和 Binder 驅動由系統提供，而 Client、Server 由應用程序來實現。Client、Server 和 ServiceManager 均是經過系統調用 open、mmap 和 ioctl 來訪問設備文件 /dev/binder，從而實現與 Binder 驅動的交互來間接的實現跨進程通訊。

Client、Server、ServiceManager、Binder 驅動這幾個組件在通訊過程當中扮演的角色就如同互聯網中服務器（Server）、客戶端（Client）、DNS域名服務器（ServiceManager）以及路由器（Binder 驅動）以前的關係。一般咱們訪問一個網頁的步驟是這樣的：首先在瀏覽器輸入一個地址，如 http://www.google.com 而後按下回車鍵。可是並無辦法經過域名地址直接找到咱們要訪問的服務器，所以須要首先訪問 DNS 域名服務器，域名服務器中保存了 http://www.google.com 對應的 ip 地址 10.249.23.13，而後經過這個 ip 地址才能放到到 http://www.google.com 對應的服務器。

Android Binder 設計與實現一文中對 Client、Server、ServiceManager、Binder 驅動有很詳細的描述，如下是部分摘錄：

Binder 驅動 Binder 驅動就如同路由器同樣，是整個通訊的核心；驅動負責進程之間 Binder 通訊的創建，Binder 在進程之間的傳遞，Binder 引用計數管理，數據包在進程之間的傳遞和交互等一系列底層支持。
ServiceManager 與實名 Binder ServiceManager 和 DNS 相似，做用是將字符形式的 Binder 名字轉化成 Client 中對該 Binder 的引用，使得 Client 可以經過 Binder 的名字得到對 Binder 實體的引用。註冊了名字的 Binder 叫實名 Binder，就像網站同樣除了除了有 IP 地址意外還有本身的網址。Server 建立了 Binder，併爲它起一個字符形式，可讀易記得名字，將這個 Binder 實體連同名字一塊兒以數據包的形式經過 Binder 驅動發送給 ServiceManager ，通知 ServiceManager 註冊一個名爲「張三」的 Binder，它位於某個 Server 中。驅動爲這個穿越進程邊界的 Binder 建立位於內核中的實體節點以及 ServiceManager 對實體的引用，將名字以及新建的引用打包傳給 ServiceManager。ServiceManger 收到數據後從中取出名字和引用填入查找表。
細心的讀者可能會發現，ServierManager 是一個進程，Server 是另外一個進程，Server 向 ServiceManager 中註冊 Binder 必然涉及到進程間通訊。當前實現進程間通訊又要用到進程間通訊，這就好像蛋能夠孵出雞的前提倒是要先找只雞下蛋！Binder 的實現比較巧妙，就是預先創造一隻雞來下蛋。ServiceManager 和其餘進程一樣採用 Bidner 通訊，ServiceManager 是 Server 端，有本身的 Binder 實體，其餘進程都是 Client，須要經過這個 Binder 的引用來實現 Binder 的註冊，查詢和獲取。ServiceManager 提供的 Binder 比較特殊，它沒有名字也不須要註冊。當一個進程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令將本身註冊成 ServiceManager 時 Binder 驅動會自動爲它建立 Binder 實體（這就是那隻預先造好的那隻雞）。其次這個 Binder 實體的引用在全部 Client 中都固定爲 0 而無需經過其它手段得到。也就是說，一個 Server 想要向 ServiceManager 註冊本身的 Binder 就必須經過這個 0 號引用和 ServiceManager 的 Binder 通訊。類比互聯網，0 號引用就比如是域名服務器的地址，你必須預先動態或者手工配置好。要注意的是，這裏說的 Client 是相對於 ServiceManager 而言的，一個進程或者應用程序多是提供服務的 Server，但對於 ServiceManager 來講它仍然是個 Client。
Client 得到實名 Binder 的引用 Server 向 ServiceManager 中註冊了 Binder 之後， Client 就能經過名字得到 Binder 的引用了。Client 也利用保留的 0 號引用向 ServiceManager 請求訪問某個 Binder: 我申請訪問名字叫張三的 Binder 引用。ServiceManager 收到這個請求後從請求數據包中取出 Binder 名稱，在查找表裏找到對應的條目，取出對應的 Binder 引用做爲回覆發送給發起請求的 Client。從面向對象的角度看，Server 中的 Binder 實體如今有兩個引用：一個位於 ServiceManager 中，一個位於發起請求的 Client 中。若是接下來有更多的 Client 請求該 Binder，系統中就會有更多的引用指向該 Binder ，就像 Java 中一個對象有多個引用同樣。

3.2 Binder 通訊過程至此，咱們大體能總結出 Binder 通訊過程：首先，一個進程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令經過 Binder 驅動將本身註冊成爲 ServiceManager；Server 經過驅動向 ServiceManager 中註冊 Binder（Server 中的 Binder 實體），代表能夠對外提供服務。驅動爲這個 Binder 建立位於內核中的實體節點以及 ServiceManager 對實體的引用，將名字以及新建的引用打包傳給 ServiceManager，ServiceManger 將其填入查找表。Client 經過名字，在 Binder 驅動的幫助下從 ServiceManager 中獲取到對 Binder 實體的引用，經過這個引用就能實現和 Server 進程的通訊。咱們看到整個通訊過程都須要 Binder 驅動的接入。下圖能更加直觀的展示整個通訊過程(爲了進一步抽象通訊過程以及呈現上的方便，下圖咱們忽略了 Binder 實體及其引用的概念)：

4 Binder 通訊中的代理模式

咱們已經解釋清楚 Client、Server 藉助 Binder 驅動完成跨進程通訊的實現機制了，可是還有個問題會讓咱們困惑。A 進程想要 B 進程中某個對象（object）是如何實現的呢？畢竟它們分屬不一樣的進程，A 進程 無法直接使用 B 進程中的 object。前面咱們介紹過跨進程通訊的過程都有 Binder 驅動的參與，所以在數據流經 Binder 驅動的時候驅動會對數據作一層轉換。當 A 進程想要獲取 B 進程中的 object 時，驅動並不會真的把 object 返回給 A，而是返回了一個跟 object 看起來如出一轍的代理對象 objectProxy，這個 objectProxy 具備和 object 一摸同樣的方法，可是這些方法並無 B 進程中 object 對象那些方法的能力，這些方法只須要把把請求參數交給驅動便可。對於 A 進程來講和直接調用 object 中的方法是同樣的。當 Binder 驅動接收到 A 進程的消息後，發現這是個 objectProxy 就去查詢本身維護的表單，一查發現這是 B 進程 object 的代理對象。因而就會去通知 B 進程調用 object 的方法，並要求 B 進程把返回結果發給本身。當驅動拿到 B 進程的返回結果後就會轉發給 A 進程，一次通訊就完成了。

5 Binder 的完整定義

如今咱們能夠對 Binder 作個更加全面的定義了：

• 從進程間通訊的角度看，Binder 是一種進程間通訊的機制；
• 從 Server 進程的角度看，Binder 指的是 Server 中的 Binder 實體對象；
• 從 Client 進程的角度看，Binder 指的是對 Binder 代理對象，是 Binder 實體對象的一個遠程代理
• 從傳輸過程的角度看，Binder 是一個能夠跨進程傳輸的對象；Binder 驅動會對這個跨越進程邊界的對象對一點點特殊處理，自動完成代理對象和本地對象之間的轉換。

6. 手動編碼實現跨進程調用

一般咱們在作開發時，實現進程間通訊用的最多的就是 AIDL。當咱們定義好 AIDL 文件，在編譯時編譯器會幫咱們生成代碼實現 IPC 通訊。藉助 AIDL 編譯之後的代碼能幫助咱們進一步理解 Binder IPC 的通訊原理。可是不管是從可讀性仍是可理解性上來看，編譯器生成的代碼對開發者並不友好。好比一個 BookManager.aidl 文件對應會生成一個 BookManager.java 文件，這個 java 文件包含了一個 BookManager 接口、一個 Stub 靜態的抽象類和一個 Proxy 靜態類。Proxy 是 Stub 的靜態內部類，Stub 又是 BookManager 的靜態內部類，這就形成了可讀性和可理解性的問題。

Android 之因此這樣設計實際上是有道理的，由於當有多個 AIDL 文件的時候把 BookManager、Stub、Proxy 放在同一個文件裏能有效避免 Stub 和 Proxy 重名的問題所以便於你們理解，下面咱們來手動編寫代碼來實現跨進程調用。

6.1 各 Java 類職責描述

在正式編碼實現跨進程調用以前，先介紹下實現過程當中用到的一些類。瞭解了這些類的職責，有助於咱們更好的理解和實現跨進程通訊。

• IBinder : IBinder 是一個接口，表明了一種跨進程通訊的能力。只要實現了這個藉口，這個對象就能跨進程傳輸。
• IInterface : IInterface 表明的就是 Server 進程對象具有什麼樣的能力（能提供哪些方法，其實對應的就是 AIDL 文件中定義的接口）
• Binder: Java 層的 Binder 類，表明的其實就是 Binder 本地對象。BinderProxy 類是 Binder 類的一個內部類，它表明遠程進程的 Binder 對象的本地代理；這兩個類都繼承自 IBinder, 於是都具備跨進程傳輸的能力；實際上，在跨越進程的時候，Binder 驅動會自動完成這兩個對象的轉換。
• Stub: AIDL 的時候，編譯工具會給咱們生成一個名爲 Stub 的靜態內部類；這個類繼承了 Binder, 說明它是一個 Binder 本地對象，它實現了 IInterface 接口，代表它具備 Server 承諾給 Client 的能力；Stub 是一個抽象類，具體的 IInterface 的相關實現須要開發者本身實現。

6.2 實現過程講解

一次跨進程通訊必然會涉及到兩個進程，在這個例子中 RemoteService 做爲服務端進程，提供服務；ClientActivity 做爲客戶端進程，使用 RemoteService 提供的服務。以下圖：

那麼服務端進程具有什麼樣的能力？能爲客戶端提供什麼樣的服務呢？還記得咱們前面介紹過的 IInterface 嗎，它表明的就是服務端進程具體什麼樣的能力。所以咱們須要定義一個 BookManager 接口，BookManager 繼承自 IIterface，代表服務端具有什麼樣的能力。

只定義服務端具有什麼樣的能力是不夠的，既然是跨進程調用，那麼接下來咱們得實現一個跨進程調用對象 Stub。Stub 繼承 Binder, 說明它是一個 Binder 本地對象；實現 IInterface 接口，代表具備 Server 承諾給 Client 的能力；Stub 是一個抽象類，具體的 IInterface 的相關實現須要調用方本身實現。

Stub 類中咱們重點介紹下 asInterface 和 onTransact。先說說 asInterface，當 Client 端在建立和服務端的鏈接，調用 bindService 時須要建立一個 ServiceConnection 對象做爲入參。在 ServiceConnection 的回調方法 onServiceConnected 中 會經過這個 asInterface(IBinder binder) 拿到 BookManager 對象，這個 IBinder 類型的入參 binder 是驅動傳給咱們的，正如你在代碼中看到的同樣，方法中會去調用 binder.queryLocalInterface() 去查找 Binder 本地對象，若是找到了就說明 Client 和 Server 在同一進程，那麼這個 binder 自己就是 Binder 本地對象，能夠直接使用。不然說明是 binder 是個遠程對象，也就是 BinderProxy。所以須要咱們建立一個代理對象 Proxy，經過這個代理對象來是實現遠程訪問。接下來咱們就要實現這個代理類 Proxy 了，既然是代理類天然須要實現 BookManager 接口。

咱們看看 addBook() 的實現；在 Stub 類中，addBook(Book book) 是一個抽象方法，Server 端須要去實現它。若是 Client 和 Server 在同一個進程，那麼直接就是調用這個方法。若是是遠程調用，Client 想要調用 Server 的方法就須要經過 Binder 代理來完成，也就是上面的 Proxy。在 Proxy 中的 addBook() 方法中首先經過 Parcel 將數據序列化，而後調用 remote.transact()。正如前文所述 Proxy 是在 Stub 的 asInterface 中建立，能走到建立 Proxy 這一步就說明 Proxy 構造函數的入參是 BinderProxy，即這裏的 remote 是個 BinderProxy 對象。最終經過一系列的函數調用，Client 進程經過系統調用陷入內核態，Client 進程中執行 addBook() 的線程掛起等待返回；驅動完成一系列的操做以後喚醒 Server 進程，調用 Server 進程本地對象的 onTransact()。最終又走到了 Stub 中的 onTransact() 中，onTransact() 根據函數編號調用相關函數（在 Stub 類中爲 BookManager 接口中的每一個函數中定義了一個編號，只不過上面的源碼中咱們簡化掉了；在跨進程調用的時候，不會傳遞函數而是傳遞編號來指明要調用哪一個函數）；咱們這個例子裏面，調用了 Binder 本地對象的 addBook() 並將結果返回給驅動，驅動喚醒 Client 進程裏剛剛掛起的線程並將結果返回。這樣一次跨進程調用就完成了。
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