02.Android之IPC机制问题

摘要：中为何新增来作为主要的方式运行机制是怎样的机制有什么优势运行机制是怎样的基于通信模式，除了端和端，还有两角色一起合作完成进程间通信功能。

2.0.0.1 什么是Binder？为什么要使用Binder？Binder中是如何进行线程管理的？总结binder讲的是什么？

2.0.0.2 Android中进程和线程的关系？什么是IPC？为何需要进行IPC？多进程通信可能会出现什么问题？

2.0.0.3 Binder的工作流程是怎样的？Binder主要能提供哪些功能？Binder通信机制原理是怎样的？

2.0.0.4 Android中为何新增Binder来作为主要的IPC方式？Binder运行机制是怎样的？Binder机制有什么优势？

2.0.0.5 Android中跨进程通讯的几种方式？实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？

2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式？简单对比下？

2.0.0.7 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效？为何说Binder相比传统IPC安全性更高？

2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的？Server和Client是如何获得Service Manager接口的？

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什么是Binder？

1.直观来说，Binder是Android中的一个类，它继承了IBinder接口

2.从IPC角度来说，Binder是Android中的一种跨进程通信方式，Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder，该通信方式在linux中没有

3.从Android Framework角度来说，Binder是ServiceManager连接各种Manager（ActivityManager、WindowManager，etc）和相应ManagerService的桥梁

4.从Android应用层来说，Binder是客户端和服务端进行通信的媒介，当你bindService的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象，通过这个Binder对象，客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据，这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务。

为什么要使用Binder？技术博客大总结

在传统的Linux上，我们还是有很多选择可以用来实现进程间通信，如管道、SystemV、Socket等。那么Android为什么不使用这些原有的技术，而是要使开发一种新的叫Binder的进程间通信机制呢？

最简单的回答：性能：相比传统的Socket更高效；安全：安全性高，支持通信双方进行身份验证。

详细一点说，主要有两个方面的原因：

性能方面

在移动设备上（性能受限制的设备，比如要省电），广泛地使用跨进程通信对通信机制的性能有严格的要求，Binder相对出传统的Socket方式，更加高效。Binder数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、Socket都需要2次，共享内存方式一次内存拷贝都不需要，但实现方式又比较复杂。

安全方面

传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，比如Socket通信ip地址是客户端手动填入，很容易进行伪造，而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检，因而大大提升了安全性。

还有一些好处，如实现面象对象的调用方式，在使用Binder时就和调用一个本地实例一样。

Binder中是如何进行线程管理的？

每个Binder的Server进程会创建很多线程来处理Binder请求，可以简单的理解为创建了一个Binder的线程池吧（虽然实际上并不完全是这样简单的线程管理方式），而真正管理这些线程并不是由这个Server端来管理的，而是由Binder驱动进行管理的。

一个进程的Binder线程数默认最大是16，超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。理解这一点的话，你做进程间通信时处理并发问题就会有一个底，比如使用ContentProvider时（又一个使用Binder机制的组件），你就很清楚它的CRUD（创建、检索、更新和删除）方法只能同时有16个线程在跑。

总结binder讲的是什么？

通常意义上来说，Binder就是指Andriod的通信机制；

对于服务端进程来说，Binder指的是Binder本地对象，对于客户端进程来说，Binder指的是Binder代理对象。

对于传输过程来说，Binder是可以进行跨进程传递的对象；

Android中进程和线程的关系？

一个APP一般对应一个进程和有限个线程

一般对应一个进程，当然，可以在AndroidMenifest中给四大组件指定属性android:process开启多进程模式

有限个线程：线程是一种受限的系统资源，不可无限制的产生且线程的创建和销毁都有一定的开销。

什么是IPC？

为何需要进行IPC？

进程间通信的必要性

所有运行在不同进程的四大组件，只要它们之间需要通过内存在共享数据，都会共享失败。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。技术博客大总结

多进程造成的影响可总结为以下四方面

静态变量和单例模式失效：由独立的虚拟机造成

线程同步机制失效：由独立的虚拟机造成

SharedPreference的不可靠下降：不支持两个进程同时进行读写操作，即不支持并发读写，有一定几率导致数据丢失

Application多次创建：Android系统会为新的进程分配独立虚拟机，相当于系统又把这个应用重新启动了一次。

Binder的工作流程是怎样的？

1客户端首先获取服务器端的代理对象。所谓的代理对象实际上就是在客户端建立一个服务端的“引用”，该代理对象具有服务端的功能，使其在客户端访问服务端的方法就像访问本地方法一样。

2客户端通过调用服务器代理对象的方式向服务器端发送请求。

3代理对象将用户请求通过Binder驱动发送到服务器进程。

4服务器进程处理用户请求，并通过Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象。

5客户端收到服务端的返回结果。

binder工作流程图如下所示：

Binder主要能提供哪些功能？

用驱动程序来推进进程间的通信。

通过共享内存来提高性能。

为进程请求分配每个进程的线程池。

针对系统中的对象引入了引用计数和跨进程的对象引用映射。

进程间同步调用。

Binder通信机制原理是怎样的？

Server进程向ServiceManager注册，告诉ServiceManager我是谁，我有什么，我能做什么。就好比徐同学（Server进程）有一台笔记本（computer对象），这台笔记本有个add方法。这时映射关系表就生成了。技术博客大总结

Client进程向ServiceManager查询，我要调用Server进程的computer对象的add方法，可以看到这个过程经过Binder驱动，这时候Binder驱动就开始发挥他的作用了。当向ServiceManager查询完毕，是返回一个computer对象给Client进程吗？其实不然，Binder驱动将computer对象转换成了computerProxy对象，并转发给了Client进程，因此，Client进程拿到的并不是真实的computer对象，而是一个代理对象，即computerProxy对象。很容易理解这个computerProxy对象也是有add方法，（如果连add方法都没有，岂不是欺骗了Client？），但是这个add方法只是对参数进行一些包装而已。

当Client进程调用add方法，这个消息发送给Binder驱动，这时驱动发现，原来是computerProxy，那么Client进程应该是需要调用computer对象的add方法的，这时驱动通知Server进程，调用你的computer对象的add方法，将结果给我。然后Server进程就将计算结果发送给驱动，驱动再转发给Client进程，这时Client进程还蒙在了鼓里，他以为自己调用的是真实的computer对象的add方法，其实他只是调用了代理而已。不过Client最终还是拿到了计算结果。

Binder运行机制是怎样的？

Binder基于Client-Server通信模式，除了Client端和Server端，还有两角色一起合作完成进程间通信功能。

Binder通信的四个角色：

Client进程：使用服务的进程。

Server进程：提供服务的进程。

ServiceManager进程：ServiceManager的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。

Binder驱动：驱动负责进程之间Binder通信的建立，Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。

接触这些概念可能会觉得难于理解，读者可以把四个角色和熟悉的互联网进行类比：Server是服务器，Client是客户终端，ServiceManager是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

Binder机制有什么优势

传输效率高、可操作性强：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

技术博客大总结

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

由于共享内存操作复杂，综合来看，Binder的传输效率是最好的。

实现C/S架构方便：Linux的众IPC方式除了Socket以外都不是基于C/S架构，而Socket主要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。

安全性高：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。

Android中跨进程通讯的几种方式？

Android 跨进程通信，像intent，contentProvider,广播，service都可以跨进程通信。

intent：这种跨进程方式并不是访问内存的形式，它需要传递一个uri,比如说打电话。

contentProvider：这种形式，是使用数据共享的形式进行数据共享。

service：远程服务，aidl

广播技术博客大总结

实际开发中，有哪些场景使用Binder进行数据传输？

通过AIDL实现方式解释Binder数据传输的具体过程

服务端中的Service给与其绑定的客户端提供Binder对象，客户端通过AIDL接口中的asInterface()将这个Binder对象转换为代理Proxy，并通过它发起RPC请求。客户端发起请求时会挂起当前线程，并将参数写入data然后调用transact()，RPC请求会通过系统底层封装后由服务端的onTransact()处理，并将结果写入reply，最后返回调用结果并唤醒客户端线程。

AIDL原理是什么？如何优化多模块都使用AIDL的情况？

AIDL(Android Interface Definition Language，Android接口定义语言)：如果在一个进程中要调用另一个进程中对象的方法，可使用AIDL生成可序列化的参数，AIDL会生成一个服务端对象的代理类，通过它客户端实现间接调用服务端对象的方法。

AIDL的本质是系统提供了一套可快速实现Binder的工具。关键类和方法：

AIDL接口：继承IInterface。
Stub类：Binder的实现类，服务端通过这个类来提供服务。
Proxy类：服务器的本地代理，客户端通过这个类调用服务器的方法。
asInterface()：客户端调用，将服务端的返回的Binder对象，转换成客户端所需要的AIDL接口类型对象。返回对象：
    若客户端和服务端位于同一进程，则直接返回Stub对象本身；
    否则，返回的是系统封装后的Stub.proxy对象。
asBinder()：根据当前调用情况返回代理Proxy的Binder对象。
onTransact()：运行服务端的Binder线程池中，当客户端发起跨进程请求时，远程请求会通过系统底层封装后交由此方法来处理。
transact()：运行在客户端，当客户端发起远程请求的同时将当前线程挂起。之后调用服务端的onTransact()直到远程请求返回，当前线程才继续执行。

当有多个业务模块都需要AIDL来进行IPC，此时需要为每个模块创建特定的aidl文件，那么相应的Service就会很多。必然会现系统资源耗费严重、应用过度重量级的问题。解决办法是建立Binder连接池，即将每个业务模块的Binder请求统一转发到一个远Service中去执行，从而避免重复创建Service。

工作原理：每个业务模块创建自己的AIDL接口并实现此接口，然后向服务端提供自己的唯一标识和其对应的Binder对象。服务端只需要一个Service，服务器提供一个queryBinder接口，它会根据业务模块的特征来返回相应的Binder对像，不同的业务模块拿到所需的Binder对象后就可进行远程方法的调用了。

为何说Binder相比传统的Socket性能更高效？

跨进程通讯中，只有socket支持Client-Server的通信方式，但是socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。

消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝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缓存区，至少有两次拷贝过程。

共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。

为何说Binder相比传统IPC安全性更高？

首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID和PID（用户ID进程ID），从而无法鉴别对方身份。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。比如命名管道的名称，systemV的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。

基于以上原因，Android需要建立一套新的IPC机制来满足系统对通信方式，传输性能和安全性的要求，这就是Binder。

Binder基于Client-Server通信模式，传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份，既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高。技术博客大总结

Service Manager是如何成为一个守护进程的？

Service Manager，它是整个Binder机制的守护进程，用来管理开发者创建的各种Server，并且向Client提供查询Server远程接口的功能技术博客大总结

既然Service Manager组件是用来管理Server并且向Client提供查询Server远程接口的功能，那么，Service Manager就必然要和Server以及Client进行通信了。我们知道，Service Manger、Client和Server三者分别是运行在独立的进程当中，这样它们之间的通信也属于进程间通信了，而且也是采用Binder机制进行进程间通信，因此，Service Manager在充当Binder机制的守护进程的角色的同时，也在充当Server的角色，然而，它是一种特殊的Server，下面我们将会看到它的特殊之处

Service Manager在用户空间的源代码位于frameworks/base/cmds/servicemanager目录下，主要是由binder.h、binder.c和service_manager.c三个文件组成。Service Manager的入口位于service_manager.c文件中的main函数：

int main(int argc, char **argv){
    struct binder_state *bs;
    void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;
    bs = binder_open(128*1024);
    if (binder_become_context_manager(bs)) {
        LOGE("cannot become context manager (%s)
", strerror(errno));
        return -1;
    }
    svcmgr_handle = svcmgr;
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    return 0;
}

main函数主要有三个功能：一是打开Binder设备文件；二是告诉Binder驱动程序自己是Binder上下文管理者，即我们前面所说的守护进程；三是进入一个无穷循环，充当Server的角色，等待Client的请求

Server和Client是如何获得Service Manager接口的？

ServiceManager作为守护进程，Service Manager的职责当然就是为Server和Client服务了。那么，Server和Client如何获得Service Manager接口，进而享受它提供的服务呢？

Service Manager在Binder机制中既充当守护进程的角色，同时它也充当着Server角色，然而它又与一般的Server不一样。对于普通的Server来说，Client如果想要获得Server的远程接口，那么必须通过Service Manager远程接口提供的getService接口来获得，这本身就是一个使用Binder机制来进行进程间通信的过程。而对于Service Manager这个Server来说，Client如果想要获得Service Manager远程接口，却不必通过进程间通信机制来获得，因为Service Manager远程接口是一个特殊的Binder引用，它的引用句柄一定是0。

经过一系列的调用...

回到defaultServiceManager函数中，最终结果为：gDefaultServiceManager = new BpServiceManager(new BpBinder(0));

这样，Service Manager远程接口就创建完成了，它本质上是一个BpServiceManager，包含了一个句柄值为0的Binder引用。技术博客大总结

在Android系统的Binder机制中，Server和Client拿到这个Service Manager远程接口之后怎么用呢？

对Server来说，就是调用IServiceManager::addService这个接口来和Binder驱动程序交互了，即调用BpServiceManager::addService 。而BpServiceManager::addService又会调用通过其基类BpRefBase的成员函数remote获得原先创建的BpBinder实例，接着调用BpBinder::transact成员函数。在BpBinder::transact函数中，又会调用IPCThreadState::transact成员函数，这里就是最终与Binder驱动程序交互的地方了。回忆一下前面的类图，IPCThreadState有一个PorcessState类型的成中变量mProcess，而mProcess有一个成员变量mDriverFD，它是设备文件/dev/binder的打开文件描述符，因此，IPCThreadState就相当于间接在拥有了设备文件/dev/binder的打开文件描述符，于是，便可以与Binder驱动程序交互了。

对Client来说，就是调用IServiceManager::getService这个接口来和Binder驱动程序交互了。具体过程上述Server使用Service Manager的方法是差不多的。

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