Android之Binder機制

1. 簡介

Binder，中文即粘合劑，意思是粘合了兩個不同的程序。從IPC角度來說，Binder是Android中的一種跨程序通信方式。

2. 基礎概念介紹

2.1 程序隔離&跨程序通信

• 程序隔離：為了保證安全性和獨立性，一般情況下，一個程序不能直接操作或通路另外一個程序。即Android中的程序是互相隔離，獨立的
• 程序通信：即IPC，不同程序需要進行資料的互動和通信

2.2 核心空間&使用者空間

• 一個程序空間分為核心空間和使用者空間，即核心空間和使用者空間相隔離
• 核心空間：即Karnel Space，是Linux核心的運作空間。可以執行任何指令， 調用系統的一切資源。與使用者空間隔離，即使使用者的程式崩潰了，核心也不會受到影響。核心空間可進行程序間，程序内的互動。核心空間的資料是共享的，故核心空間=可共享空間
• 使用者空間：即User Space，是使用者程式的運作空間。隻能進行簡單的操作，在使用者空間的程序不能直接互動，可以通過核心空間來進行間接互動，但是又不能直接調用系統的資源，必須通過系統接口（System Call），向核心發出指令。使用者空間的資料不共享，給使用者空間=不可共享空間

2.3 記憶體映射

• 定義：關聯一個虛拟記憶體區域和一個磁盤上的共享對象，使兩者存在映射關系
• 實作過程：通過Linux系統調用函數：mmap（），這個函數的作用就是建立虛拟記憶體區域，并與共享對象建立映射關系
• 特點：減少了資料拷貝的次數，并通過映射區域實作使用者空間和核心空間的互動

傳統跨程序通信需要拷貝資料兩次，Binder機制隻需要1次，主要是因為Binder機制使用到了記憶體映射

3. 四大角色

• Client：使用服務的程序
• Server：提供服務的程序
• ServiceManager：管理系統的Server的注冊和查詢（将字元形式的Binder名字轉化成Client對該Binder的引用）
• Binder驅動：虛拟裝置驅動，連接配接Client，Server，ServiceManager的橋梁

3.1 Binder驅動

Binder驅動是Binder通信的核心，它工作于核心空間，提供open，mmap,ioctl等标準檔案操作。驅動負責程序間Binder通信的建立。分别管理着Server端的Binder實體核Client端的引用。

4. Binder架構

• Binder通信采用C/S模式，包括四個元件：Client,Server,ServiceManager,Binder驅動。其中Client，Server，ServiceManager運作在使用者空間，Binder驅動運作在核心空間。
• Binder在Framework層進行封裝，通過JNI技術調用Native層的Binder架構
• 在Native層的Binder以ioctl，open等操作與Binder驅動通訊。

5. Binder原理及步驟

5.1 注冊服務

• Server建立Binder實體，取一個可讀易記的名字，将Binder實體連同名字以資料包的形式通過Binder驅動發送給ServiceManager，通知ServiceManger注冊這個Binder實體。在這裡Server需要通過0号引用與ServiceManager的Binder進行通訊
• Binder驅動為這個穿越邊界的Binder實體在核心空間建立節點和ServiceManager的引用，并将名字和引用打包傳遞給ServiceManager
• ServiceManager收到資料包後，從中取出名字和引用填入查找表中

5.2 擷取服務

• Client利用保留的0号引用向ServiceManager請求通路某個Binder
• ServiceManager根據請求的資料包擷取Binder名字，在查找表中找到該名字對應的Binder引用
• 将該引用作為回複傳回給發起請求的Client

5.2 使用服務

• Client将程序參數發送到Server程序
• Binder驅動為跨程序通信做準備，實作記憶體映射
• Server根據Client的參數，執行目标方法
• Server程序将目标方法的結果傳回給Client程序

6. Binder機制的優點

6.1 高效

消息隊列和管道采用的是存儲-轉發方式，至少需要兩次資料拷貝過程，效率比較低。共享記憶體雖然無需拷貝，但控制複雜，難以使用。而Binder由于使用了記憶體映射，隻需進行一次資料拷貝，效率高

6.2 安全性高

Binder機制為每個程序配置設定了UID／PID來鑒别身份的辨別，并且在Binder通信時會根據UID/PID進行有效性檢測

6.3 使用簡單，可操作性高

Binder機制采用Client/Server的通信方式，對于管道，共享記憶體，消息隊列以及Socket來說隻有Socket采用了Client/Server的通信方式，但是Socket主要用于跨網絡的程序通信，開銷大，效率低。另外Binder機制還實作了面向對象的調用方式。

7. Android中的IPC方式

7.1 Bundle

兩個使用場景：一是直接利用傳遞資料，在Bundle中附加資訊，通過Intent發送出去。二是轉移目标跨程序通信，将需要在A程序計算的任務轉移到B程序的背景Service中執行。

7.2 檔案共享

兩個程序通過讀/寫同一個檔案實作交換資料。在這裡需注意的是SharePreferences,它的底層是使用Xml檔案來存儲鍵值對，當使用SharePreferences時，記憶體中會有一份緩存，故在多程序讀寫時，就會出現資料過期的狀況，另外在高并發讀取時，很大幾率會出現資料丢失，故不建議在程序通信使用Share Preferences

7.4 Messenger

輕量級IPC，其底層的實作其實是AIDL。首先來看看其工作原理圖

根據工作原理圖來分析其實作過程：

服務程序

1. 建立一個Service來處理用戶端的連接配接請求
2. Service中建立一個Handler來接受用戶端發送過來的消息，并通過這個Handler來建立一個Messenger對象，在onBind中傳回Messenger對象的底層binder

客戶程序

1. 首先綁定Service，綁定成功後利用Service傳回的Binder對象建立一個Messenger對象
2. 通過這個Messenger對象向服務端發送消息，消息類型為Message

服務程序回複客戶程序

1. 當服務程序收到客戶程序的消息後，進行回複時，則用戶端需在上面的基礎上建立一個Handler來接受服務端的回複資訊，并利用這個Handler對象建立Messenger對象，并把這個對象通過message的reply參數在發送資訊時傳遞給服務端。
2. 服務端在接受到用戶端的資訊時，利用攜帶的reply參數得到Messenger對象，然後利用這個對象就可以向用戶端發送message消息類型的消息。

7.5 AIDL

大緻流程

首先建立一個Service和AIDL接口，接着建立一個類并繼承AIDL接口中Stub，重寫Stub的抽象方法，在Service中的onBind傳回這個類的對象，然後用戶端綁定服務端的Service，綁定成功後将傳回的Binder對象轉化成AIDL接口所屬的類型，然後就可以調用接口中的方法。

難點

1. 支援的資料類型

• 基本資料類型
• String和CharSequence
• List:隻支援ArrayList，裡面的元素必須能夠被AIDL支援
• map：隻支援HashMap，鍵值都必須能夠被AIDL支援
• Parcelable
• AIDL

1. AIDL檔案中使用到自定義的Parcelable對象都要建立一個和它同名的AIDL檔案，隻要在檔案中聲明那個類為Parcelable即可
2. 自定義的Parcelable對象和AIDL對象必須都要顯示import進來
3. 除基本類型外，其他類型需标上方向，in、out、inout
4. AIDL接口隻支援方法，不支援聲明靜态常量

7.6 ContentProvider

ContentProvider是Android中提供的專門用于不同應用間進行資料共享的方式，故它天生就适合程序間的通訊，和Messenger一樣，它的底層實作也是Binder

7.7 Socket

又稱套接字，網絡通信中的概念。主要分為流式套接字（TCP）和使用者資料報套接字（UDP）

7.8 Android中各種IPC方式的優缺點

名稱	優點	缺點	适用場景
Bundle	簡單易用	隻能傳輸Bundle支援的資料類型	四大元件的程序間的通信
檔案共享	簡單易用	不适合高并發場景，無法做到即時通信	無并發通路情況，交換簡單的資料實時性不高的場景
AIDL	功能強大，支援一對多并發通信，支援實時通信	操作較複雜，需處理好線程同步	一對多通信，有RPC需求
Messenger	支援一對多的串行通信，支援實時通信	不能很好處理高并發情形，不支援RPC，資料通過Message傳遞，故隻能傳輸Bundle支援的資料類型	低并發的一對多及時需求，無RPC需求，或者無傳回結果的RPC需求
ContentProvider	資料通路功能強大，支援一對多并發資料共享	受限制的AIDL	一對多的程序間的資料共享
Socket	功能強大，可以通過網絡傳遞位元組流，支援一對多實時通信	實作細節繁瑣，不支援直接的RPC	網絡資料交換

參考資料

圖文詳解 Android Binder跨程序通信的原理

作業系統：圖文詳解 記憶體映射

Android Bander設計與實作

一篇文章了解相見恨晚的 Android Binder 程序間通訊機制

《Android開發藝術探索》