理解Android Binder机制(2/3)：C++层
2021/8/2 1:35:46
本文主要是介绍理解Android Binder机制(2/3)：C++层，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！
1. 前言
Framework是一个中间层，它对接了底层实现，封装了复杂的内部逻辑，并提供供外部使用的接口。Framework层是应用程序开发的基础。
Binder Framework层分为C++和Java两个部分，为了达到功能的复用，中间通过JNI进行衔接。
Binder Framework的C++部分，头文件位于这个路径：
/frameworks/native/include/binder/
实现位于这个路径：
/frameworks/native/libs/binder/
Binder库最终会编译成一个动态链接库：libbinder.so，供其他进程链接使用。
为了便于说明，下文中我们将Binder Framework 的C++部分称之为libbinder。
2. 主要结构
libbinder中，将实现分为Proxy和Native两端。Proxy对应了上文提到的Client端，是服务对外提供的接口。而Native是服务实现的一端，对应了上文提到的Server端。类名中带有小写字母p的（例如BpInterface），就是指Proxy端。类名带有小写字母n的（例如BnInterface），就是指Native端。
Proxy代表了调用方，通常与服务的实现不在同一个进程，因此下文中，我们也称Proxy端为“远程”端。Native端是服务实现的自身，因此下文中，我们也称Native端为”本地“端。
这里，我们先对libbinder中的主要类做一个简要说明，了解一下它们的关系，然后再详细的讲解。
类名 说明 ---------------------------------------------------------------------------------- BpRefBase RefBase的子类，提供remote()方法获取远程Binder IInterface Binder服务接口的基类，Binder服务通常需要同时提供本地接口和远程接口 BpInterface 远程接口的基类，远程接口是供客户端调用的接口集 BnInterface 本地接口的基类，本地接口是需要服务中真正实现的接口集 IBiner Binder对象的基类，BBinder和BpBinder都是这个类的子类 BpBinder 远程Binder，这个类提供transact方法来发送请求，BpXXX实现中会用到 BBinder 本地Binder，服务实现方的基类，提供了onTransact接口来接收请求 ProcessState 代表了使用Binder的进程 IPCThreadState 代表了使用Binder的线程，这个类中封装了与Binder驱动通信的逻辑 Parcel 在Binder上传递的数据的包装器
下图描述了这些类之间的关系：
另外说明一下，Binder服务的实现类（图中紫色部分）通常都会遵守下面的命名规则：
a. 服务的接口使用I字母作为前缀
b. 远程接口使用Bp作为前缀
c. 本地接口使用Bn作为前缀
看了上面这些介绍，你可能还是不太容易理解。不过不要紧，下面我们会逐步拆分讲解这些内容。
在这幅图中，浅黄色部分的结构是最难理解的，因此我们先从它们着手。
我们先来看看IBinder这个类。这个类描述了所有在Binder上传递的对象，它既是Binder本地对象BBinder的父类，也是Binder远程对象BpBinder的父类。这个类中的主要方法说明如下：
方法名 说明 ------------------------------------------------------------------------------- localBinder 获取本地Binder对象 remoteBinder 获取远程Binder对象 transact 进行一次Binder操作 queryLocalInterface 尝试获取本地Binder，如何失败返回NULL getInterfaceDescriptor 获取Binder的服务接口描述，其实就是Binder服务的唯一标识 isBinderAlive 查询Binder服务是否还活着 pingBinder 发送PING_TRANSACTION给Binder服务
BpBinder的实例代表了远程Binder，这个类的对象将被客户端调用。其中handle方法会返回指向Binder服务实现者的句柄，这个类最重要就是提供了transact方法，这个方法会将远程调用的参数封装好发送的Binder驱动。
由于每个Binder服务通常都会提供多个服务接口，而这个方法中的uint32_t code参数就是用来对服务接口进行编号区分的。Binder服务的每个接口都需要指定一个唯一的code，这个code要在Proxy和Native端配对好。当客户端将请求发送到服务端的时候，服务端根据这个code（onTransact方法中）来区分调用哪个接口方法。
BBinder的实例代表了本地Binder，它描述了服务的提供方，所有Binder服务的实现者都要继承这个类（的子类），在继承类中，最重要的就是实现onTransact方法，因为这个方法是所有请求的入口。因此，这个方法是和BpBinder中的transact方法对应的，这个方法同样也有一个uint32_t code参数，在这个方法的实现中，由服务提供者通过code对请求的接口进行区分，然后调用具体实现服务的方法。
IBinder中定义了uint32_t code允许的范围：
FIRST_CALL_TRANSACTION = 0x00000001, LAST_CALL_TRANSACTION = 0x00ffffff,
Binder服务要保证自己提供的每个服务接口有一个唯一的code，例如某个Binder服务可以将：add接口code设为1，minus接口code设为2，multiple接口code设为3，divide接口code设为4，等等。
讲完了IBinder，BpBinder和BBinder三个类，我们再来看看BpReBase，IInterface，BpInterface和BnInterface。
每个Binder服务都是为了某个功能而实现的，因此其本身会定义一套接口集（通常是C++的一个类）来描述自己提供的所有功能。而Binder服务既有自身实现服务的类，也要有给客户端进程调用的类。为了便于开发，这两中类里面的服务接口应当是一致的，例如：假设服务实现方提供了一个接口为add(int a, int b)的服务方法，那么其远程接口中也应当有一个add(int a, int b)方法。因此为了实现方便，本地实现类和远程接口类需要有一个公共的描述服务接口的基类（即上图中的IXXXService）来继承。而这个基类通常是IInterface的子类，IInterface的定义如下：
class IInterface : public virtual RefBase
{
public:
IInterface();
static sp<IBinder> asBinder(const IInterface*);
static sp<IBinder> asBinder(const sp<IInterface>&);
protected:
virtual ~IInterface();
virtual IBinder* onAsBinder() = 0;
};
之所以要继承自IInterface类是因为这个类中定义了onAsBinder让子类实现。onAsBinder在本地对象的实现类中返回的是本地对象，在远程对象的实现类中返回的是远程对象。onAsBinder方法被两个静态方法asBinder方法调用。有了这些接口之后，在代码中便可以直接通过IXXX::asBinder方法获取到不用区分本地还是远程的IBinder对象。这个在跨进程传递Binder对象的时候有很大的作用（因为不用区分具体细节，只要直接调用和传递就好）。
下面，我们来看一下BpInterface和BnInterface的定义：
template<typename INTERFACE>
class BnInterface : public INTERFACE, public BBinder
{
public:
virtual sp<IInterface> queryLocalInterface(const String16& _descriptor);
virtual const String16& getInterfaceDescriptor() const;
protected:
virtual IBinder* onAsBinder();
};
// ----------------------------------------------------------------------
template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
{
public:
BpInterface(const sp<IBinder>& remote);
protected:
virtual IBinder* onAsBinder();
};
这两个类都是模板类，它们在继承自INTERFACE的基础上各自继承了另外一个类。这里的INTERFACE便是我们Binder服务接口的基类。另外，BnInterface继承了BBinder类，由此可以通过复写onTransact方法来提供实现。BpInterface继承了BpRefBase，通过这个类的 remote 方法可以获取到指向服务实现方的句柄。在客户端接口的实现类中，每个接口在组装好参数之后，都会调用remote()->transact来发送请求，而这里其实就是调用的BpBinder的transact方法，这样请求便通过Binder到达了服务实现方的onTransact中。这个过程如下图所示：
基于Binder框架开发的服务，除了满足上文提到的类名规则之外，还需要遵守其他一些共同的规约：
(1) 为了进行服务的区分，每个Binder服务需要指定一个唯一的标识，这个标识通过 getInterfaceDescriptor 返回，类型是一个字符串。通常，Binder服务会在类中定义 static const android::String16 descriptor; 这样一个常量来描述这个标识符，然后在 getInterfaceDescriptor 方法中返回这个常量。
(2) 为了便于调用者获取到调用接口，服务接口的公共基类需要提供一个 android::sp<IXXX> asInterface 方法来返回基类对象指针。
由于上面提到的这两点对于所有Binder服务的实现逻辑都是类似的。为了简化开发者的重复工作，在libbinder中，定义了两个宏来简化这些重复工作，它们是：
#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE) \
static const android::String16 descriptor; \
static android::sp<I##INTERFACE> asInterface( \
const android::sp<android::IBinder>& obj); \
virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const; \
I##INTERFACE(); \
virtual ~I##INTERFACE(); \
#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME) \
const android::String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME); \
const android::String16& \
I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const { \
return I##INTERFACE::descriptor; \
} \
android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface( \
const android::sp<android::IBinder>& obj) \
{ \
android::sp<I##INTERFACE> intr; \
if (obj != NULL) { \
intr = static_cast<I##INTERFACE*>( \
obj->queryLocalInterface( \
I##INTERFACE::descriptor).get()); \
if (intr == NULL) { \
intr = new Bp##INTERFACE(obj); \
} \
} \
return intr; \
} \
I##INTERFACE::I##INTERFACE() { } \
I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { } \
有了这两个宏之后，开发者只要在接口基类（IXXX）头文件中，使用 DECLARE_META_INTERFACE 宏便完成了需要的组件的声明。然后在cpp文件中使用 IMPLEMENT_META_INTERFACE 便完成了这些组件的实现。
3. Binder的初始化
在讲解Binder驱动的时候我们就提到：任何使用Binder机制的进程都必须要对/dev/binder设备进行open以及mmap之后才能使用，这部分逻辑是所有使用Binder机制进程共同的。对于这种共同逻辑的封装便是Framework层的职责之一。libbinder中，ProcessState类封装了这个逻辑，相关代码见下文。
这里是ProcessState构造函数，在这个函数中，初始化mDriverFD的时候调用了open_driver方法打开binder设备，然后又在函数体中，通过mmap进行内存映射。
ProcessState::ProcessState()
: mDriverFD(open_driver())
, mVMStart(MAP_FAILED)
, mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
, mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
, mExecutingThreadsCount(0)
, mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
, mStarvationStartTimeMs(0)
, mManagesContexts(false)
, mBinderContextCheckFunc(NULL)
, mBinderContextUserData(NULL)
, mThreadPoolStarted(false)
, mThreadPoolSeq(1)
{
if (mDriverFD >= 0) {
mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
if (mVMStart == MAP_FAILED) {
// *sigh*
ALOGE("Using /dev/binder failed: unable to mmap transaction memory.\n");
close(mDriverFD);
mDriverFD = -1;
}
}
LOG_ALWAYS_FATAL_IF(mDriverFD < 0, "Binder driver could not be opened. Terminating.");
}
open_driver的函数实现如下所示。在这个函数中完成了三个工作：
a. 首先通过open系统调用打开了dev/binder设备
b. 然后通过ioctl获取Binder实现的版本号，并检查是否匹配
c. 最后通过ioctl设置进程支持的最大线程数量
关于这部分逻辑背后的处理，在讲解Binder驱动的时候，我们已经讲解过了。
static int open_driver()
{
int fd = open("/dev/binder", O_RDWR | O_CLOEXEC); //open
if (fd >= 0) {
int vers = 0;
status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers); //获取binder驱动版本号
if (result == -1) {
ALOGE("Binder ioctl to obtain version failed: %s", strerror(errno));
close(fd);
fd = -1;
}
if (result != 0 || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {
ALOGE("Binder driver protocol does not match user space protocol!");
close(fd);
fd = -1;
}
size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;
result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads); //设置max threads
if (result == -1) {
ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(errno));
}
} else {
ALOGW("Opening '/dev/binder' failed: %s\n", strerror(errno));
}
return fd;
}
ProcessState是一个Singleton（单例）类型的类，在一个进程中，只会存在一个实例。通过ProcessState::self()接口获取这个实例。一旦获取这个实例，便会执行其构造函数，由此完成了对于Binder设备的初始化工作。
4. 关于Binder传递数据的大小限制
由于Binder的数据需要跨进程传递，并且还需要在内核上开辟空间，因此允许在Binder上传递的数据并不是无无限大的。mmap中指定的大小便是对数据传递的大小限制：
#define BINDER_VM_SIZE ((1*1024*1024) - (4096 *2)) // 1M - 8k mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
这里我们看到，在进行mmap的时候，指定了最大size为BINDER_VM_SIZE，即 1M - 8k的大小。 因此我们在开发过程中，一次Binder调用的数据总和不能超过这个大小。
对于这个区域的大小，我们也可以在设备上进行确认。这里我们还之前提到的 system_server 为例。上面我们讲解了通过procfs来获取映射的内存地址，除此之外，我们也可以通过 showmap 命令，来确定这块区域的大小，相关命令如下：
angler:/ # ps | grep system_server
system 1889 526 2353404 135968 SyS_epoll_ 72972eeaf4 S system_server
angler:/ # showmap 1889 | grep "/dev/binder"
1016 4 4 0 0 4 0 0 1 /dev/binder
这里可以看到，这块区域的大小正是 1M - 8K = 1016k。
注: 通过showmap命令可以看到进程的详细内存占用情况。在实际的开发过程中，当我们要对某个进程做内存占用分析的时候，这个命令是相当有用的。建议读者尝试通过showmap命令查看system_server或其他感兴趣进程的完整map，看看这些进程都依赖了哪些库或者模块，以及内存占用情况是怎样的。
5. 与驱动的通信
上文提到 ProcessState 是一个单例类，一个进程只有一个实例。而负责与Binder驱动通信的 IPCThreadState 也是一个单例类。但这个类不是一个进程只有一个实例，而是一个线程有一个实例。
IPCThreadState 负责了与驱动通信的细节处理。这个类中的关键几个方法说明如下：
方法 说明 ----------------------------------------------------------------------- transact 公开接口。供Proxy发送数据到驱动，并读取返回结果 sendReply 供Server端写回请求的返回结果 waitForResponse 发送请求后等待响应结果 talkWithDriver 通过ioctl BINDER_WRITE_READ来与驱动通信 writeTransactionData 写入一次事务的数据 executeCommand 处理binder_driver_return_protocol协议命令 freeBuffer 通过BC_FREE_BUFFER命令释放Buffer
BpBinder::transact 方法在发送请求的时候，其实就是直接调用了 IPCThreadState 对应的方法来发送请求到Binder驱动的，相关代码如下：
status_t BpBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
if (mAlive) {
status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
mHandle, code, data, reply, flags);
if (status == DEAD_OBJECT) mAlive = 0;
return status;
}
return DEAD_OBJECT;
}
而IPCThreadState::transact方法主要逻辑如下：
status_t IPCThreadState::transact(int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags)
{
status_t err = data.errorCheck();
flags |= TF_ACCEPT_FDS;
if (err == NO_ERROR) {
err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, NULL);
}
if (err != NO_ERROR) {
if (reply) reply->setError(err);
return (mLastError = err);
}
if ((flags & TF_ONE_WAY) == 0) {
if (reply) {
err = waitForResponse(reply);
} else {
Parcel fakeReply;
err = waitForResponse(&fakeReply);
}
} else {
err = waitForResponse(NULL, NULL);
}
return err;
}
这段代码应该还是比较好理解的：首先通过 writeTransactionData 写入数据，然后通过 waitForResponse 等待返回结果。TF_ONE_WAY 表示此次请求是单向的，即：不用真正等待结果即可返回。
而 writeTransactionData 方法其实就是在组装 binder_transaction_data 数据，并没有与驱动进行交互进行发送：
status_t IPCThreadState::writeTransactionData(int32_t cmd, uint32_t binderFlags,
int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, status_t* statusBuffer)
{
binder_transaction_data tr;
tr.target.ptr = 0; /* Don't pass uninitialized stack data to a remote process */
tr.target.handle = handle;
tr.code = code;
tr.flags = binderFlags;
tr.cookie = 0;
tr.sender_pid = 0;
tr.sender_euid = 0;
const status_t err = data.errorCheck();
if (err == NO_ERROR) {
tr.data_size = data.ipcDataSize();
tr.data.ptr.buffer = data.ipcData();
tr.offsets_size = data.ipcObjectsCount()*sizeof(binder_size_t);
tr.data.ptr.offsets = data.ipcObjects();
} else if (statusBuffer) {
tr.flags |= TF_STATUS_CODE;
*statusBuffer = err;
tr.data_size = sizeof(status_t);
tr.data.ptr.buffer = reinterpret_cast<uintptr_t>(statusBuffer);
tr.offsets_size = 0;
tr.data.ptr.offsets = 0;
} else {
return (mLastError = err);
}
mOut.writeInt32(cmd);
mOut.write(&tr, sizeof(tr));
return NO_ERROR;
}
对于binder_transaction_data在讲解Binder驱动的时候我们已经详细讲解过了。而这里的Parcel我们还不了解，那么接下来我们马上就来看一下这个类。
6. 数据包装器：Parcel
Binder上提供的是跨进程的服务，每个服务包含了不同的接口，每个接口的参数数量和类型都不一样。那么当客户端想要调用服务端的接口，参数是如何跨进程传递给服务端的呢？除此之外，服务端想要给客户端返回结果，结果又是如何传递回来的呢？
这些问题的答案就是：Parcel。Parcel就像一个包装器，调用者可以以任意顺序往里面放入需要的数据，所有写入的数据就像是被打成一个整体的包，然后可以直接在Binde上传输。
Parcel提供了所有基本类型的写入和读出接口，下面是其中的一部分：
... status_t writeInt32(int32_t val); status_t writeUint32(uint32_t val); status_t writeInt64(int64_t val); status_t writeUint64(uint64_t val); status_t writeFloat(float val); status_t writeDouble(double val); status_t writeCString(const char* str); status_t writeString8(const String8& str); status_t readInt32(int32_t *pArg) const; uint32_t readUint32() const; status_t readUint32(uint32_t *pArg) const; int64_t readInt64() const; status_t readInt64(int64_t *pArg) const; uint64_t readUint64() const; status_t readUint64(uint64_t *pArg) const; float readFloat() const; status_t readFloat(float *pArg) const; double readDouble() const; status_t readDouble(double *pArg) const; intptr_t readIntPtr() const; status_t readIntPtr(intptr_t *pArg) const; bool readBool() const; status_t readBool(bool *pArg) const; char16_t readChar() const; status_t readChar(char16_t *pArg) const; int8_t readByte() const; status_t readByte(int8_t *pArg) const; // Read a UTF16 encoded string, convert to UTF8 status_t readUtf8FromUtf16(std::string* str) const; status_t readUtf8FromUtf16(std::unique_ptr<std::string>* str) const; const char* readCString() const; ...
因此对于基本类型，开发者可以直接调用接口写入和读出。而对于非基本类型，需要由开发者将其拆分成基本类型然后写入到Parcel中（读出的时候也是一样）。 Parcel会将所有写入的数据进行打包，Parcel本身可以作为一个整体在进程间传递。接收方在收到Parcel之后，只要按写入同样的顺序读出即可。
这个过程，和我们现实生活中寄送包裹做法是一样的：我们将需要寄送的包裹放到硬纸盒中交给快递公司。快递公司将所有的包裹进行打包，然后集中放到运输车中送到目的地，到了目的地之后然后再进行拆分。
Parcel既包含C++部分的实现，也同时提供了Java的接口，中间通过JNI衔接。Java层的接口其实仅仅是一层包装，真正的实现都是位于C++部分中，它们的关系如下图所示：
特别需要说明一下的是，Parcel类除了可以传递基本数据类型，还可以传递Binder对象：
status_t Parcel::writeStrongBinder(const sp<IBinder>& val)
{
return flatten_binder(ProcessState::self(), val, this);
}
这个方法写入的是sp<IBinder>类型的对象，而IBinder既可能是本地Binder，也可能是远程Binder，这样我们就不可以不用关心具体细节直接进行Binder对象的传递。
这也是为什么IInterface中定义了两个asBinder的static方法，如果你不记得了，请回忆一下这两个方法：
static sp<IBinder> asBinder(const IInterface*); static sp<IBinder> asBinder(const sp<IInterface>&);
而对于Binder驱动，我们前面已经讲解过：Binder驱动并不是真的将对象在进程间序列化传递，而是由Binder驱动完成了对于Binder对象指针的解释和翻译，使调用者看起来就像在进程间传递对象一样。
7. Framework层的线程管理
在讲解Binder驱动的时候，我们就讲解过驱动中对应线程的管理。这里我们再来看看，Framework层是如何与驱动层对接进行线程管理的。
ProcessState::setThreadPoolMaxThreadCount 方法中，会通过 BINDER_SET_MAX_THREADS 命令设置进程支持的最大线程数量：
#define DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS 15
status_t ProcessState::setThreadPoolMaxThreadCount(size_t maxThreads) { //open binder时已经set过一次了
status_t result = NO_ERROR;
if (ioctl(mDriverFD, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads) != -1) {
mMaxThreads = maxThreads;
} else {
result = -errno;
ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(-result));
}
return result;
}
由此驱动便知道了该Binder服务支持的最大线程数。驱动在运行过程中，会根据需要，并在没有超过上限的情况下，通过 BR_SPAWN_LOOPER 命令通知进程创建线程：
IPCThreadState 在收到 BR_SPAWN_LOOPER 请求之后，便会调用 ProcessState::spawnPooledThread 来创建线程，此方法负责为线程设定名称并创建线程：
status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
...
case BR_SPAWN_LOOPER:
mProcess->spawnPooledThread(false);
break;
...
}
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
if (mThreadPoolStarted) {
String8 name = makeBinderThreadName();
ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string());
sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
t->run(name.string());
}
}
线程在run之后，会调用threadLoop将自身添加的线程池中：
virtual bool threadLoop()
{
IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
return false;
}
而 IPCThreadState::joinThreadPool 方法中，会根据当前线程是否是主线程发送 BC_ENTER_LOOPER 或者 BC_REGISTER_LOOPER 命令告知驱动线程已经创建完毕。整个调用流程如下图所示：
8. C++ Binder服务举例
单纯的理论知识也许并不能让我们非常好的理解，下面我们以一个具体的Binder服务例子来结合上文的知识进行讲解。
下面以PowerManager为例，来看看C++的Binder服务是如何实现的。
下图是PowerManager C++部分的实现类图（PowerManager也有Java层的接口，但我们这里就不讨论了）。
图中Binder Framework中的类我们在上文中已经介绍过了，而PowerManager相关的四个类，便是在Framework的基础上开发的。
IPowerManager 定义了 PowerManager 所有对外提供的功能接口，其子类都继承了这些接口。
a. BpPowerManager是提供给客户端调用的远程接口
b. BnPowerManager中只有一个onTransact方法，该方法根据请求的code来对接每个请求，并直接调用PowerManager中对应的方法
c. PowerManager是服务真正的实现
在 IPowerManager.h 中，通过 DECLARE_META_INTERFACE(PowerManager);声明一些Binder必要的组件。在 IPowerManager.cpp 中，通过 IMPLEMENT_META_INTERFACE(PowerManager, "android.os.IPowerManager");宏来进行实现。
9. 本地实现：Native端
服务的本地实现主要就是实现 BnPowerManager 和 PowerManager 两个类，PowerManager 是 BnPowerManager 的子类，因此在 BnPowerManager 中调用自身的virtual方法其实都是在子类PowerManager类中实现的。
BnPowerManager 类要做的就是复写 onTransact 方法，这个方法的职责是：根据请求的code区分具体调用的是那个接口，然后按顺序从Parcel中读出打包好的参数，接着调用留待子类实现的虚函数。 需要注意的是：这里从Parcel读出参数的顺序需要和BpPowerManager中写入的顺序完全一致，否则读出的数据将是无效的。
电源服务包含了好几个接口。虽然每个接口的实现逻辑各不一样，但从Binder框架的角度来看，它们的实现结构是一样。而这里我们并不关心电源服务的实现细节，因此我们取其中一个方法看其实现方式即可。
首先我们来看一下 BnPowerManager::onTransact 中的代码片段：
status_t BnPowerManager::onTransact(uint32_t code,
const Parcel& data,
Parcel* reply,
uint32_t flags) {
switch (code) {
...
case IPowerManager::REBOOT: {
CHECK_INTERFACE(IPowerManager, data, reply);
bool confirm = data.readInt32();
String16 reason = data.readString16();
bool wait = data.readInt32();
return reboot(confirm, reason, wait);
}
...
}
}
这段代码中我们看到了实现中是如何根据code区分接口，并通过Parcel读出调用参数，然后调用具体服务方的函数。
而PowerManager这个类才真正是服务实现的本体，reboot方法真正实现了重启的逻辑：
status_t PowerManager::reboot(bool confirm, const String16& reason, bool wait) {
const std::string reason_str(String8(reason).string());
if (!(reason_str.empty() || reason_str == kRebootReasonRecovery)) {
LOG(WARNING) << "Ignoring reboot request with invalid reason \""
<< reason_str << "\"";
return BAD_VALUE;
}
LOG(INFO) << "Rebooting with reason \"" << reason_str << "\"";
if (!property_setter_->SetProperty(ANDROID_RB_PROPERTY,
kRebootPrefix + reason_str)) {
return UNKNOWN_ERROR;
}
return OK;
}
通过这样结构的设计，将框架相关的逻辑（BnPowerManager中的实现）和业务本身的逻辑（PowerManager中的实现）彻底分离开了，保证每一个类都非常的“干净”(框架相关的放在父类中，逻辑功能放在子类中)，这一点是很值得我们在做软件设计时学习的。
10. 服务的发布
服务实现完成之后，并不是立即就能让别人使用的。上文中，我们就说到过：所有在Binder上发布的服务必须要注册到 ServiceManager 中才能被其他模块获取和使用。而在 BinderService 类中，提供了 publishAndJoinThreadPool 方法来简化服务的发布，其代码如下：
static void publishAndJoinThreadPool(bool allowIsolated = false) {
publish(allowIsolated);
joinThreadPool();
}
static status_t publish(bool allowIsolated = false) {
sp<IServiceManager> sm(defaultServiceManager());
return sm->addService(String16(SERVICE::getServiceName()), new SERVICE(), allowIsolated);
}
...
static void joinThreadPool() {
sp<ProcessState> ps(ProcessState::self());
ps->startThreadPool(); //TODO: 做了啥？
ps->giveThreadPoolName();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
}
由此可见，Binder服务的发布其实有三个步骤：
(1) 通过 IServiceManager::addService 在 ServiceManager 中进行服务的注册
(2) 通过 ProcessState::startThreadPool 启动线程池
(3) 通过 IPCThreadState::joinThreadPool 将主线程加入的Binder中
11. 远程接口：Proxy端
Proxy 类是供客户端使用的。BpPowerManager 需要实现 IPowerManager 中的所有接口。
我们还是以上文提到的reboot接口为例，来看看 BpPowerManager::reboot 方法是如何实现的：
virtual status_t reboot(bool confirm, const String16& reason, bool wait)
{
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IPowerManager::getInterfaceDescriptor());
data.writeInt32(confirm);
data.writeString16(reason);
data.writeInt32(wait);
return remote()->transact(REBOOT, data, &reply, 0);
}
这段代码很简单，逻辑就是：通过Parcel写入调用参数进行打包，然后调用remote()->transact将请求发送出去。
其实 BpPowerManager 中其他方法，甚至所有其他 BpXXX 中所有的方法，实现都是和这个方法一样的套路。就是：通过 Parcel 打包数据，通过 remote()->transact 发送数据。而这里的 remote() 返回的其实就是 BpBinder 对象，由此经由 IPCThreadState 将数据发送到了驱动层。如果你已经不记得，请重新看一下下面这幅图：
另外，需要一下的是，这里的 REBOOT 就是请求的 code，而这个 code 是在 IPowerManager 中定义好的，这样子类可以直接使用，并保证是一致的：
enum {
ACQUIRE_WAKE_LOCK = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION,
ACQUIRE_WAKE_LOCK_UID = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 1,
RELEASE_WAKE_LOCK = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 2,
UPDATE_WAKE_LOCK_UIDS = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 3,
POWER_HINT = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 4,
UPDATE_WAKE_LOCK_SOURCE = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 5,
IS_WAKE_LOCK_LEVEL_SUPPORTED = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 6,
USER_ACTIVITY = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 7,
WAKE_UP = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 8,
GO_TO_SLEEP = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 9,
NAP = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 10,
IS_INTERACTIVE = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 11,
IS_POWER_SAVE_MODE = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 12,
SET_POWER_SAVE_MODE = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 13,
REBOOT = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 14,
SHUTDOWN = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 15,
CRASH = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION + 16,
};
12. 服务的获取
在服务已经发布之后，客户端该如何获取其服务接口然后对其发出请求调用呢？
很显然，客户端应该通过BpPowerManager的对象来请求其服务。但看一眼BpPowerManager的构造函数，我们会发现，似乎没法直接创建一个这类的对象，因为这里需要一个sp<IBinder>类型的参数。
BpPowerManager(const sp<IBinder>& impl) : BpInterface<IPowerManager>(impl)
{
}
那么这个sp<IBinder>参数我们该从哪里获取呢？
回忆一下前面的内容：Proxy其实是包含了一个指向Server的句柄，所有的请求发送出去的时候都需要包含这个句柄作为一个标识。而想要拿到这个句柄，我们自然应当想到ServiceManager。我们再看一下ServiceManager的接口自然就知道这个sp<IBinder>该如何获取了：。
/** * Retrieve an existing service, blocking for a few seconds * if it doesn't yet exist. */ virtual sp<IBinder> getService( const String16& name) const = 0; /** * Retrieve an existing service, non-blocking. */ virtual sp<IBinder> checkService( const String16& name) const = 0;
这里的两个方法都可以获取服务对应的sp<IBinder>对象，一个是阻塞式的，另外一个不是。传递的参数是一个字符串，这个就是服务在addServer时对应的字符串，而对于PowerManager来说，这个字符串就是”power”。因此，我们可以通过下面这行代码创建出BpPowerManager的对象。
sp<IBinder> bs = defaultServiceManager()->checkService(serviceName); sp<IPowerManager> pm = new BpPowerManager(bs);
但这样做还会存在一个问题：BpPowerManager中的方法调用是经由驱动然后跨进程调用的。通常情况下，当我们的客户端与PowerManager服务所在的进程不是同一个进程的时候，这样调用是没有问题的。那假设我们的客户端又刚好和PowerManager服务在同一个进程该如何处理呢？
针对这个问题，Binder Framework提供的解决方法是：通过interface_cast这个方法来获取服务的接口对象，由这个方法本身根据是否是在同一个进程，来自动确定返回一个本地Binder还是远程Binder。interface_cast是一个模板方法，其源码如下：
template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
return INTERFACE::asInterface(obj);
}
调用这个方法的时候我们需要指定Binder服务的IInterface，因此对于PowerManager，我们需要这样获取其Binder接口对象：
const String16 serviceName("power");
sp<IBinder> bs = defaultServiceManager()->checkService(serviceName);
if (bs == NULL) {
return NAME_NOT_FOUND;
}
sp<IPowerManager> pm = interface_cast<IPowerManager>(bs);
我们再回头看一下 interface_cast 这个方法体，这里是在调用 INTERFACE::asInterface(obj)，而对于 IPowerManager 来说，其实就是 IPowerManager::asInterface(obj)。那么 IPowerManager::asInterface 这个方法是哪里定义的呢？
这个正是上文提到的 DECLARE_META_INTERFACE 和 IMPLEMENT_META_INTERFACE 两个宏所起的作用。IMPLEMENT_META_INTERFACE 宏包含了下面这段代码：
android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface( \
const android::sp<android::IBinder>& obj) \
{ \
android::sp<I##INTERFACE> intr; \
if (obj != NULL) { \
intr = static_cast<I##INTERFACE*>( \
obj->queryLocalInterface( \
I##INTERFACE::descriptor).get()); \
if (intr == NULL) { \
intr = new Bp##INTERFACE(obj); \
} \
} \
return intr; \
} \
这里我们将“##INTERFACE”通过“PowerManager”代替，得到的结果就是：
android::sp<IPowerManager> IPowerManager::asInterface(
const android::sp<android::IBinder>& obj)
{
android::sp<IPowerManager> intr;
if (obj != NULL) {
intr = static_cast<IPowerManager*>(
obj->queryLocalInterface(
IPowerManager::descriptor).get());
if (intr == NULL) {
intr = new BpPowerManager(obj);
}
}
return intr;
}
这个便是 IPowerManager::asInterface 方法的实现，这段逻辑的含义就是：
a. 先尝试通过 queryLocalInterface 看看能够获得本地Binder，如果是在服务所在进程调用，自然能获取本地Binder，否则将返回NULL
b. 如果获取不到本地Binder，则创建并返回一个远程Binder。
由此保证了：我们在进程内部的调用，是直接通过方法调用的形式。而不在同一个进程的时候，才通过Binder进行跨进程的调用。
13. C++层的ServiceManager
前文已经两次介绍过 ServiceManager 了，我们知道这个模块负责了所有Binder服务的管理，并且也看到了Binder驱动中对于这个模块的实现。可以说 ServiceManager 是整个 Binder IPC 的控制中心和交通枢纽。这里我们就来看一下这个模块的具体实现。
ServiceManager 是一个独立的可执行文件，在设备中的进程名称是 /system/bin/servicemanager，这个也是其可执行文件的路径。
ServiceManager 实现源码的位于这个路径：frameworks/native/cmds/servicemanager/，其main函数的主要内容如下：
int main()
{
struct binder_state *bs;
bs = binder_open(128*1024);
if (!bs) {
ALOGE("failed to open binder driver\n");
return -1;
}
if (binder_become_context_manager(bs)) {
ALOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
return -1;
}
...
binder_loop(bs, svcmgr_handler);
return 0;
}
这段代码很简单，主要做了三件事情：
a. binder_open(128*1024); 是打开Binder，并指定缓存大小为128k，由于ServiceManager提供的接口很简单（下文会讲到），因此并不需要普通进程那么多（1M - 8K）的缓存。
b. binder_become_context_manager(bs) 使自己成为Context Manager。这里的Context Manager是Binder驱动里面的名称，等同于ServiceManager。binder_become_context_manager的方法实现只有一行代码：ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0); 看过Binder驱动部分解析的内容，这行代码应该很容易理解了。
c. binder_loop(bs, svcmgr_handler); 是在Looper上循环，等待其他模块请求服务。
service_manager.c中的实现与普通Binder服务的实现有些不一样：并没有通过继承接口类来实现，而是通过几个c语言的函数来完成了实现。这个文件中的主要方法如下：
方法名称 方法说明 ------------------------------------------------------ main 可执行文件入口函数，刚刚已经做过说明 svcmgr_handler 请求的入口函数，类似于普通Binder服务的onTransact do_add_service 注册一个Binder服务 do_find_service 通过名称查找一个已经注册的Binder服务
ServiceManager中，通过svcinfo结构体来描述已经注册的Binder服务(Android11及以后就不是了)：
struct svcinfo
{
struct svcinfo *next;
uint32_t handle;
struct binder_death death;
int allow_isolated;
size_t len;
uint16_t name[0];
};
next是一个指针，指向下一个服务，通过这个指针将所有服务串成了链表。handle是指向Binder服务的句柄，这个句柄是由Binder驱动翻译，指向了Binder服务的实体（参见驱动中：Binder中的“面向对象”），name是服务的名称。
ServiceManager的实现逻辑并不复杂，这个模块就好像在整个系统上提供了一个全局的HashMap而已：通过服务名称进行服务注册，然后再通过服务名称来查找。而真正复杂的逻辑其实都是在Binder驱动中实现了。
14. ServiceManager的接口
源码路径：
frameworks/native/include/binder/IServiceManager.h frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp
ServiceManager的C++接口定义如下：
class IServiceManager : public IInterface
{
public:
DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager);
virtual sp<IBinder> getService( const String16& name) const = 0;
virtual sp<IBinder> checkService( const String16& name) const = 0;
virtual status_t addService( const String16& name,
const sp<IBinder>& service,
bool allowIsolated = false) = 0;
virtual Vector<String16> listServices() = 0;
enum {
GET_SERVICE_TRANSACTION = IBinder::FIRST_CALL_TRANSACTION,
CHECK_SERVICE_TRANSACTION,
ADD_SERVICE_TRANSACTION,
LIST_SERVICES_TRANSACTION,
};
};
这里我们看到，ServiceManager 提供的接口只有四个，这四个接口说明如下：
接口名称 接口说明 ------------------------------------------------------ addService 向ServiceManager中注册一个新的Service getService 查询Service。如果服务不存在，将阻塞数秒 checkService 查询Service，但是不会阻塞 listServices 列出所有的服务
这其中，最后一个接口是为了调试而提供的。通过adb shell连接到设备上之后，可以通过输入 service list 输出所有注册的服务列表。这里”service”可执行文件其实就是通过调用 listServices 接口获取到服务列表的。
service命令的源码路径在这里：frameworks/native/cmds/service
service list的输出看起来像下面这样(一次输出可能有一百多个服务，这里省略了)：
255|angler:/ # service list Found 125 services: 0 sip: [android.net.sip.ISipService] 1 nfc: [android.nfc.INfcAdapter] 2 carrier_config: [com.android.internal.telephony.ICarrierConfigLoader] 3 phone: [com.android.internal.telephony.ITelephony] 4 isms: [com.android.internal.telephony.ISms] ...
普通的Binder服务我们需要通过 ServiceManager 来获取接口才能调用，那么 ServiceManager 的接口有如何获得呢？在 libbinder 中，提供了一个 defaultServiceManager 方法来获取 ServiceManager 的Proxy，并且这个方法不需要传入参数。原因我们在驱动篇中也已经讲过了：Binder的实现中，为 ServiceManager 留了一个特殊的位置，不需要像普通服务那样通过标识去查找。defaultServiceManager 代码如下：
sp<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
if (gDefaultServiceManager != NULL) return gDefaultServiceManager;
{
AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock);
while (gDefaultServiceManager == NULL) {
gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(ProcessState::self()->getContextObject(NULL));
if (gDefaultServiceManager == NULL)
sleep(1);
}
}
return gDefaultServiceManager;
}
15. 结束语
本文我们详细讲解了Binder Framework C++层的实现。
但对于Android App开发者来说，绝大部分情况下都是在用Java语言开发。那么，在下一篇文章中，我就来详细讲解Binder Framework Java层的实现。并且也会讲解AIDL与Binder的关系，敬请期待。
参考：https://paul.pub/android-binder-cpp/
这篇关于理解Android Binder机制(2/3)：C++层的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对大家有所帮助，也希望大家多多支持为之网！
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