进程间通信-Binder

Binder框架概述

Binder是一种架构，这种架构提供了服务端接口、Binder驱动、客户端接口三个模块，如图所示。

服务端

首先来看服务端。一个Binder服务端实际上就是一个Binder类的对象，该对象一旦创建，内部就启动一个隐藏线程。

该线程接下来会接收Binder驱动发送的消息，收到消息后，会执行到Binder对象中的onTransact()函数，并按照该函数的参数执行不同的服务函数。因此，要实现一个Binder服务，就必须重载onTransact()方法。

重载onTransact()函数的主要内容是把onTransact()函数的参数转换为服务函数的参数，而onTransact()函数的参数来源是客户端调用transact()函数时输入的，因此，如果transact()有固定格式的输入，那么onTransact()就会有固定格式的输出。

Binder驱动

任意一个服务端Binder对象被创建时，同时会在Binder驱动中创建一个mRemote对象，该对象的类型也是Binder类。客户端要访问远程服务时，都是通过mRemote对象。

客户端

客户端要想访问远程服务，必须获取远程服务在Binder驱动中对应的mRemote引用。获得该mRemote对象后，就可以调用其transact()方法，而在Binder驱动中，mRemote对象也重载了transact()方法，重载的内容主要包括以下几项。

• 以线程间消息通信的模式，向服务端发送客户端传递过来的参数。

• 挂起当前线程，当前线程正是客户端线程，并等待服务端线程执行完指定服务函数后通知(notify)。

• 接收到服务端线程的通知，然后继续执行客户端线程，并返回到客户端代码区。

从这里可以看出，对应用程序开发员来讲，客户端似乎是直接调用远程服务对应的Binder，而事实上则是通过Binder驱动进行了中转。即存在两个Binder对象，一个是服务端的Binder对象，另一个则是Binder驱动中的Binder对象，所不同的是Binder驱动中的对象不会再额外产生一个线程。

客户端如何获取到Binder驱动中对应的mRemote引用？
Binder驱动如何发送消息到服务端？

设计服务端和客户端

设计服务端

服务端是一个Binder类对象，只要基于Binder类新建一个Server类即可。以下以设计一个MusicPlayerService类为例。

假设该Service仅提供两个方法：start(String filePath)和stop()，那么该类的代码可以如下：

public class MusicPlayerService extends Binder {@Overrideprotected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {switch (code) {case 1000:data.enforceInterface("MusicPlayerService");String filePath = data.readString();start(filePath);// replay.writeXXX();break;}return super.onTransact(code, data, reply, flags);}public void start(String filePath) {}public void stop() {}
}

code变量是客户端和服务端约定好的，用于标识客户端期望调用服务端的哪个函数，

这里假定1000是双方约定要调用start()函数的值。

enforceInterface()是为了某种校验，它与客户端的writeInterfaceToken()对应。

readString()用于从包裹中取出一个字符串。取出filePath变量后，就可以调用服务端的start()函数了。

如果该客户端期望服务端返回一些结果，则可以在返回包裹reply中调用Parcel提供的相关函数写入相应的结果。

当要启动该服务时，只需要初始化一个MusicPlayerService对象即可。比如可以在主Activity里面初始化一个MusicPlayerService，然后运行，此时可以发现多运行了一个线程，Binder-Thread3。

如果不创建MusicPlayerService，则只有2个Binder对象对应的线程。即Binder-Thread1 和 Binder-Thread2。

这两个进程是怎么来的？

客户端设计

要想使用服务端，首先要获取服务端在Binder驱动中对应的mRemote变量的引用。获得该变量的引用后，就可以调用该变量的transact()方法。该方法的函数原型如下：

public final boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply,int flags) 

其中data表示的是要传递给远程Binder服务的包裹(Parcel)，远程服务函数所需要的参数必须放入这个包裹中。包裹中只能放入特定类型的变量，这些类型包括常用的原子类型，比如String、int、long等。除了一般的原子变量外，Parcel还提供了一个writeParcel()方法，可以在包裹中包含一个小包裹。因此，要进行Binder远程服务调用时，服务函数的参数要么是一个原子类，要么必须继承于Parcel类，否则，是不能传递的。

因此，对于MusicPlayerService的客户端而言，可以如下调用transact()方法。

        IBinder mRemote = null;String filePath = "/sdcard/music/heal_the_world.mp3";int code = 1000;Parcel data = Parcel.obtain();Parcel reply = Parcel.obtain();data.writeInterfaceToken("MusicPlayerService");data.writeString(filePath);mRemote.transact(code, data, reply, 0);IBinder binder = reply.readStrongBinder();reply.recycle();data.recycle();

首先，包裹不是客户端自己创建的，而是调用Parcel.obtain()申请的。
data和reply变量都由客户端提供，reply变量用户服务端把返回的结果放入其中。

writeInterfaceToken()方法标注远程服务名称，理论上讲，这个名称不是必需的，因为客户端既然已经获取指定远程服务的Binder引用，那么就不会调用到其他远程服务。该名称将作为Binder驱动确保客户端的确想调用指定的服务端。

writeString()方法用于向包裹中添加一个String变量。注意，包裹中添加的内容是有序的，这个顺序必须是客户端和服务端事先约定好的，在服务端的onTransact()方法中会按照约定的顺序取出变量。

接着调用transact()方法。调用该方法后，

客户端线程进入Binder驱动，Binder驱动就会挂起当前线程，并向远程服务发送一个消息，消息中包含了客户端传进来的包裹。服务端拿到包裹后，会对包裹进行拆解，然后执行指定的服务函数，执行完毕后，再把执行结果放入客户端提供的reply包裹中。然后服务端向Binder驱动发送一个notify的消息，从而使得客户端线程从Binder驱动代码区返回到客户端代码区。

transact()的最后一个参数的含义是执行IPC调用的模式，分为两种：一种是双向，用常量0表示，其含义是服务端执行完指定服务后会返回一定的数据；另一种是单向，用常量1表示，其含义是不返回任何数据。

最后，客户端就可以从reply中解析返回的数据了，同样，返回包裹中包含的数据也必须是有序的，而且这个顺序也必须是服务端和客户端事先约定好的。

Binder与Service

以上手工编写Binder服务端和客户端的过程存在两个重要问题。
第一，客户端如何获得服务端的Binder对象引用。

第二，客户端和服务端必须事先约定好两件事情：

• 服务端函数的参数在包裹中的顺序。

• 服务端不同函数的int型标识。也就是transact方法中的code参数的值。

Service

那么，Service类是如何解决本节开头所提出的两个重要问题的呢？

首先，AmS提供了startService()函数用于启动客户服务，而对于客户端来讲，可以使用以下两个函数来和一个服务建立连接，其原型在android.app. ContextImpl类中。

    @Overridepublic ComponentName startService(Intent service) {try {ComponentName cn = ActivityManagerNative.getDefault().startService(mMainThread.getApplicationThread(), service,service.resolveTypeIfNeeded(getContentResolver()));if (cn != null && cn.getPackageName().equals("!")) {throw new SecurityException("Not allowed to start service " + service+ " without permission " + cn.getClassName());}return cn;} catch (RemoteException e) {return null;}}

该函数用于启动intent指定的服务，而启动后，客户端暂时还没有服务端的Binder引用，因此，暂时还不能调用任何服务功能。

    @Overridepublic boolean bindService(Intent service, ServiceConnection conn,int flags) {IServiceConnection sd;if (mPackageInfo != null) {sd = mPackageInfo.getServiceDispatcher(conn, getOuterContext(),mMainThread.getHandler(), flags);} else {throw new RuntimeException("Not supported in system context");}try {int res = ActivityManagerNative.getDefault().bindService(mMainThread.getApplicationThread(), getActivityToken(),service, service.resolveTypeIfNeeded(getContentResolver()),sd, flags);if (res < 0) {throw new SecurityException("Not allowed to bind to service " + service);}return res != 0;} catch (RemoteException e) {return false;}}

该函数用于绑定一个服务，这就是第一个重要问题的关键所在。其中第二个参数是一个interface类，该interface的定义如以下代码所示：

/*** Interface for monitoring the state of an application service.  See* {@link android.app.Service} and* {@link Context#bindService Context.bindService()} for more information.* <p>Like many callbacks from the system, the methods on this class are called* from the main thread of your process.*/
public interface ServiceConnection {/*** Called when a connection to the Service has been established, with* the {@link android.os.IBinder} of the communication channel to the* Service.** @param name The concrete component name of the service that has* been connected.** @param service The IBinder of the Service's communication channel,* which you can now make calls on.*/public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service);public void onServiceDisconnected(ComponentName name);
}

请注意该interface中的onServiceConnected()方法的第二个变量Service。当客户端请求AmS启动某个Service后，该Service如果正常启动，那么AmS就会远程调用ActivityThread类中的ApplicationThread对象，调用的参数中会包含Service的Binder引用，然后在ApplicationThread中会回调bindService中的conn接口。因此，在客户端中，可以在onServiceConnected()方法中将其参数Service保存为一个全局变量，从而在客户端的任何地方都可以随时调用该远程服务。这就解决了第一个重要问题，即客户端如何获取远程服务的Binder引用。

AIDL 保证包裹内参数顺序

关于第二个问题，Android的SDK中提供了一个aidl工具，该工具可以吧一个aidl文件转换为一个Java类文件，在该Java类文件，同时重载了transact和onTransact()方法，统一了存入包裹和读取包裹参数，从而使设计者可以把注意力放到服务代码本身上。

接下来看aidl工具都做了什么。如本章第一节示例，此处依然假设要编写一个MusicPlayerService服务，服务中包含两个服务函数，分别是start()和stop()。那么，可以首先编写一个IMusicPlayerService.aidl文件。如以下代码所示：

    package com.haiii.android.client;  interface IMusicPlayerService{  boolean start(String filePath);  void stop();  }  

该文件的名称必须遵循一定的规范，第一个字母"I"不是必需的，但是，为了程序风格的统一，"I"的含义是IInterface类，即这是一个可以提供访问远程服务的类。后面的命名–MusicPlayerService对应的是服务的类名，可以是任意的，但是，aidl工具会以该名称命名输出的Java类。

aidl文件的语法基本类似于Java，package指定输出后的Java文件对应的包名。如果该文件需要引用其他Java类，则可以使用import关键字，但需要注意的是，包裹内只能写入以下三个类型的内容：

• Java原子类型，如int、long、String等变量。
• Binder引用。
• 实现了Parcelable的对象。

因此，基本上来讲，import所引用的Java类也只能是以上三个类型。

interface为关键字，有时会在interface前面加一个oneway，代表该service提供的方法都是没有返回值的，即都是void类型。

下面看看该aidl生成的IMusicPlayerService.java文件的代码。如下所示：

package com.haiii.client;public interface IMusicPlayerService extends android.os.IInterface {/*** Local-side IPC implementation stub class.*/public static abstract class Stub extends android.os.Binderimplements com.haiii.client.IMusicPlayerService {private static final java.lang.String DESCRIPTOR ="com.haiii.client.IMusicPlayerService";/*** Construct the stub at attach it to the interface.*/public Stub() {this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);}/*** Cast an IBinder object into an com.haiii.client.IMusicPlayerService interface,* generating a proxy if needed.*/public static com.haiii.client.IMusicPlayerServiceasInterface(android.os.IBinder obj) {if ((obj == null)) {return null;}android.os.IInterface iin =(android.os.IInterface) obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);if (((iin != null) && (iin instanceof com.haiii.client.IMusicPlayerService))) {return ((com.haiii.client.IMusicPlayerService) iin);}return new com.haiii.client.IMusicPlayerService.Stub.Proxy(obj);}public android.os.IBinder asBinder() {return this;}@Overridepublic boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data,android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {switch (code) {case INTERFACE_TRANSACTION: {reply.writeString(DESCRIPTOR);return true;}case TRANSACTION_start: {data.enforceInterface(DESCRIPTOR);java.lang.String _arg0;_arg0 = data.readString();boolean _result = this.start(_arg0);reply.writeNoException();reply.writeInt(((_result) ? (1) : (0)));return true;}case TRANSACTION_stop: {data.enforceInterface(DESCRIPTOR);this.stop();reply.writeNoException();return true;}}return super.onTransact(code, data, reply, flags);}private static class Proxy implements com.haiii.client.IMusicPlayerService {private android.os.IBinder mRemote;Proxy(android.os.IBinder remote) {mRemote = remote;}public android.os.IBinder asBinder() {return mRemote;}public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {return DESCRIPTOR;}public boolean start(java.lang.String filePath) throws android.os.RemoteException {android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();boolean _result;try {_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);_data.writeString(filePath);mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_start, _data, _reply, 0);_reply.readException();_result = (0 != _reply.readInt());} finally {_reply.recycle();_data.recycle();}return _result;}public void stop() throws android.os.RemoteException {android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();try {_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_stop, _data, _reply, 0);_reply.readException();} finally {_reply.recycle();_data.recycle();}}}static final int TRANSACTION_start = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);static final int TRANSACTION_stop = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);}public boolean start(java.lang.String filePath) throws android.os.RemoteException;public void stop() throws android.os.RemoteException;
}  

这些代码主要完成以下三个任务。

IMusicPlayerService

定义一个Java interface，内部包含aidl文件所声明的服务函数，类名称为IMusicPlayerService，并且该类基于IInterface接口，即需要提供一个asBinder()函数。

Proxy

定义一个Proxy类，该类将作为客户端程序访问服务端的代理。所谓的代理主要就是为了前面所提到的第二个重要问题–统一包裹内写入参数的顺序。

Stub

定义一个Stub类，这是一个abstract类，基于Binder类，并且实现了IMusicPlayerService接口，主要由服务端来使用。该类之所以要定义为一个abstract类，是因为具体的服务函数必须由程序员实现，因此，IMusicPlayerService接口中定义的函数在Stub类中可以没有具体实现。同时，在Stub类中重载了onTransact()方法，由于transact()方法内部给包裹内写入参数的顺序是由aidl工具定义的，因此，在onTransact()方法中，aidl工具自然知道应该按照何种顺序从包裹中取出相应参数。

在Stub类中还定义了一些int常量，比如TRANSACTION_start，这些常量与服务函数对应，transact()和onTransact()方法的第一个参数code的值即来源于此。

在Stub类中，除了以上所述的任务外，Stub还提供了一个asInterface()函数。提供这个函数的作用是这样的：

提供这个函数的原因是服务端提供的服务除了其他进程可以使用外，在服务进程内部的其他类也可以使用该服务，对于后者，显然是不需要经过IPC调用，而可以直接在进程内部调用的，而Binder内部有一个queryLocalInterface（String description）函数，该函数是根据输入的字符串判断该Binder对象是否是一个本地的Binder引用。

创建服务时，服务端进程内部创建一个Binder对象，Binder驱动中也会创建一个Binder对象。如果从客户端进程获取服务端进程的Binder，则只会返回Binder驱动中的Binder对象，而如果从服务端进程内部获取Binder对象，则会获取服务端本身的Binder对象。

因此，asInterface()函数正是利用了queryLocalInterface()方法，提供了一个统一的接口。无论是远程客户端还是服务端内部进程，当获取Binder对象后，可以把获取的Binder对象作为asInterface()的参数，从而返回一个IMusicPlayerService接口，该接口要么使用Proxy类，要么直接使用Stub所实现的相应服务函数。

系统服务中的Binder对象

在应用程序中，经常使用getSystemService（String serviceName）方法获取一个系统服务，那么，这些系统服务的Binder引用是如何传递给客户端的呢？

须知系统服务并不是通过startService()启动的。getSystemService()函数的实现是在ContextImpl类中，该函数所返回的Service比较多，具体可参照源码。这些Service一般都由ServiceManager管理。

ServiceManger管理的服务

ServiceManager是一个独立进程，其作用如名称所示，管理各种系统服务，管理的逻辑如下：

ServiceManager本身也是一个Service，Framework提供了一个系统函数，可以获取该Service对应的Binder引用，那就是BinderInternal.getContextObject()。

该静态函数返回ServiceManager后，就可以通过ServiceManager提供的方法获取其他系统Service的Binder引用。

其他系统服务在启动时，首先把自己的Binder对象传递给ServiceManager，即所谓的注册（addService）。

下面查看获取一个Service{IMPUT_METHOD_SERVICE}：

if (INPUT_METHOD_SERVICE.equals(name)) {return InputMethodManager.getInstance(this);

static public InputMethodManager getInstance(Looper mainLooper) {synchronized (mInstanceSync) {if (mInstance != null) {return mInstance;}IBinder b = ServiceManager.getService(Context.INPUT_METHOD_SERVICE);IInputMethodManager service = IInputMethodManager.Stub.asInterface(b);mInstance = new InputMethodManager(service, mainLooper);}return mInstance;}

即通过ServiceManager获取InputMethod Service对应的Binder对象b，然后再将该Binder对象作为IInputMethodManager.Stub.asInterface()的参数，返回一个IInputMethodManager的统一接口。

ServiceManager.getService()的代码如下：

public static IBinder getService(String name) {try {IBinder service = sCache.get(name);if (service != null) {return service;} else {return getIServiceManager().getService(name);}} catch (RemoteException e) {Log.e(TAG, "error in getService", e);}return null;}

即首先从sCache 缓存中查看是否有对应的Binder 对象，有则返回，没有则调用getIServiceManager().getService(name)，函数getIServiceManager()即用于返回系统中唯一的ServiceManager对应的Binder，其代码如下：

private static IServiceManager getIServiceManager() {if (sServiceManager != null) {return sServiceManager;}// Find the service managersServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());return sServiceManager;}

BinderInternal.getContextObject()静态函数即用于返回ServiceManager对应的全局Binder对象，该函数不需要任何参数，因为它的作用是固定的。其他所有通过ServiceManager获取的系统服务的过程与以上基本类似，所不同的就是传递给ServiceManager的服务名称不同，因为ServiceManager正是按照服务的名称（String类型）来保存不同的Binder对象的。

使用addService()向ServiceManager中添加一个服务一般是在SystemService进程启动时完成的。

理解Manger

ServiceManager所管理的所有Service都是以相应的Manager返回给客户端，因此，这里简述一下Framework中关于Manager的语义。

在Android中，Manager的含义更应该翻译为经纪人，Manager所manage的对象是服务本身，因为每个具体的服务一般都会提供多个API接口 ，而Manager所manage的正是这些API。

客户端一般不能直接通过Binder引用去访问具体的服务，它需要先通过ServiceManager获取远程服务的Binder引用，然后使用这个Binder引用构造一个客户端本地可以访问的经纪人，比如前面的IInputMethodManager，然后客户端就可以通过该经纪人访问远程的服务。

通过本地Manger访问远程服务的模型图如下：

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• 关于 甘特图 语法，参考 这儿,

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这将产生一个流程图。:

• 关于 Mermaid 语法，参考 这儿,

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我们依旧会支持flowchart的流程图：

• 关于 Flowchart流程图 语法，参考 这儿.

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1. mermaid语法说明 ↩︎

2. 注脚的解释 ↩︎