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Android的IPC机制Binder的各个部分

2018年06月10日 移动开发 ⁄ 共 11629字 ⁄ 字号 评论关闭
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1. Binder的组成

1.1. 驱动程序部分

驱动程序的部分在以下的文件夹中:

binder驱动程序是一个miscdevice,主设备号为10,此设备号使用动态获得(MISC_DYNAMIC_MINOR),其设备的节点为:

binder驱动程序会在proc文件系统中建立自己的信息,其文件夹为/proc/binde,其中包含如下内容:

  • proc目录:调用Binder各个进程的内容
  • state文件:使用函数binder_read_proc_state
  • stats文件:使用函数binder_read_proc_stats
  • transactions文件:使用函数binder_read_proc_transactions
  • transaction_log文件:使用函数binder_read_proc_transaction_log,其参数为binder_transaction_log (类型为struct binder_transaction_log)
  • failed_transaction_log文件:使用函数binder_read_proc_transaction_log 其参数为
  • binder_transaction_log_failed (类型为struct binder_transaction_log)

在binder文件被打开后,其私有数据(private_data)的类型:

在这个数据结构中,主要包含了当前进程、进程ID、内存映射信息、Binder的统计信息和线程信息等。

在用户空间对Binder驱动程序进行控制主要使用的接口是mmap、poll和ioctl,ioctl主要使用的ID为:

1 #define BINDER_WRITE_READ _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
2 #define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT _IOW('b', 3, int64_t)
3 #define BINDER_SET_MAX_THREADS _IOW('b', 5, size_t)
4 #define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, int)
5 #define BINDER_SET_CONTEXT_MGR _IOW('b', 7, int)
6 #define BINDER_THREAD_EXIT _IOW('b', 8, int)
7 #define BINDER_VERSION _IOWR('b', 9, struct binder_version)

BR_XXX等宏为BinderDriverReturnProtocol,表示Binder驱动返回协议。

BC_XXX等宏为BinderDriverCommandProtocol,表示Binder驱动命令协议。

binder_thread是Binder驱动程序中使用的另外一个重要的数据结构,数据结构的定义如下所示:

01 struct
binder_thread {
02 struct
binder_proc *proc;
03 struct
rb_node rb_node;
04 int
pid;
05 int
looper;
06 struct
binder_transaction *transaction_stack;
07 struct
list_head todo;
08 uint32_t return_error;
09 uint32_t return_error2;
10 wait_queue_head_t wait;
11 struct
binder_stats stats;
12 };

binder_thread 的各个成员信息是从rb_node中得出。

BINDER_WRITE_READ是最重要的ioctl,它使用一个数据结构binder_write_read定义读写的数据。

1.2. ServiceManager部分

servicemanager是一个守护进程,用于这个进程的和/dev/binder通讯,从而达到管理系统中各个服务的作用。

可执行程序的路径:

开源版本文件的路径:

程序执行的流程:

open():打开binder驱动

mmap():映射一个128*1024字节的内存

    ioctl(BINDER_SET_CONTEXT_MGR):设置上下文为mgr

        进入主循环binder_loop()

            ioctl(BINDER_WRITE_READ),读取

                binder_parse()进入binder处理过程循环处理

                binder_parse()的处理,调用返回值

当处理BR_TRANSACTION的时候,调用svcmgr_handler()处理增加服务、检查服务等工作。各种服务存放在一个链表(svclist)中。其中调用binder_等开头的函数,又会调用ioctl的各种命令。

处理BR_REPLY的时候,填充binder_io类型的数据接收。

1.3. Binder的库的部分

binder相关的文件作为Android的uitls库的一部分,这个库编译后的名称为libutils.so,是Android系统中的一个公共库。

主要文件的路径如下所示:

主要的类为:

  • RefBase.h :引用计数,定义类RefBase。
  • Parcel.h :为在IPC中传输的数据定义容器,定义类Parcel
  • IBinder.h:Binder对象的抽象接口, 定义类IBinder
  • Binder.h:Binder对象的基本功能, 定义类Binder和BpRefBase
  • BpBinder.h:BpBinder的功能,定义类BpBinder
  • IInterface.h:为抽象经过Binder的接口定义通用类,定义类IInterface,类模板BnInterface,类模板BpInterface
  • ProcessState.h:表示进程状态的类,定义类ProcessState
  • IPCThreadState.h:表示IPC线程的状态,定义类IPCThreadState

各个类之间的关系如下所示:

clip_image002[4]

在IInterface.h中定义的BnInterface和BpInterface是两个重要的模版,这是为各种程序中使用的。

BnInterface模版的定义如下所示:

BnInterface模版的定义如下所示:

这两个模版在使用的时候,起到得作用实际上都是双继承:使用者定义一个接口INTERFACE,然后使用BnInterface和BpInterface两个模版结合自己的接口,构建自己的BnXXX和BpXXX两个类。

DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE两个宏用于帮助BpXXX类的实现:

在定义自己的类的时候,只需要使用DECLARE_META_INTERFACE和IMPLEMENT_META_INTERFACE两个接口,并

结合类的名称,就可以实现BpInterface中的asInterface()和getInterfaceDescriptor()两个函数。

2. Binder的运作

2.1. Binder的工作机制

Service Manager是一个守护进程,它负责启动各个进程之间的服务,对于相关的两个需要通讯的进程,它们通过调用libutil.so库实现通讯,而真正通讯的机制,是内核空间中的一块共享内存。

2.2. 从应用程序的角度看Binder

从应用程序的角度看Binder一共有三个方面:

  • Native 本地:例如BnABC,这是一个需要被继承和实现的类。
  • Proxy 代理:例如BpABC,这是一个在接口框架中被实现,但是在接口中没有体现的类。
  • 客户端:例如客户端得到一个接口ABC,在调用的时候实际上被调用的是BpABC

1. 本地功能(Bn)部分做的:

  • 实现BnABC:: BnTransact()
  • 注册服务:IServiceManager::AddService

2. 代理部分(Bp)做的:

  • 实现几个功能函数,调用BpABC::remote()->transact()

3. 客户端做的:

  • 获得ABC接口,然后调用接口(实际上调用了BpABC,继而通过IPC调用了BnABC,然后调用了具体的功能)

在程序的实现过程中BnABC和BpABC是双继承了接口ABC。一般来说BpABC是一个实现类,这个实现类不需要在接口中体现,它实际上负责的
只是通讯功能,不执行具体的功能;BnABC则是一个接口类,需要一个真正工作的类来继承、实现它,这个类才是真正执行具体功能的类。

在客户端中,从ISeriviceManager中获得一个ABC的接口,客户端调用这个接口,实际上是在调用BpABC,而BpABC又通过Binder的IPC机制和BnABC通讯,BnABC的实现类在后面执行。

事实上,服务器的具体实现和客户端是两个不同的进程,如果不考虑进程间通讯的过程,从调用者的角度,似乎客户端在直接调用另外一个进程间的函数——当然这个函数必须是接口ABC中定义的。

2.3. ISericeManager的作用

ISericeManager涉及的两个文件是ISericeManager.h和ISericeManager.cpp。这两个文件基本上是
ISericeManager。ISericeManager是系统最先被启动的服务。非常值得注意的是:ISericeManager本地功能并没有使
现,它实际上由ServiceManager守护进程执行,而用户程序通过调用BpServiceManager来获得其他的服务。

在ISericeManager.h中定义了一个接口,用于得到默认的ISericeManager:

1 sp defaultServiceManager();

这时得到的ISericeManager实际上是一个全局的ISericeManager。

3. 程序中Binder的具体实现

3.1. 一个利用接口的具体实现

PermissionController也是libutils中定义的一个有关权限控制的接口,它一共包含两个文件:IPermissionController.h和IPermissionController.cpp这个结构在所有类的实现中都是类似的。

头文件IPermissionController.h的主要内容是定义IPermissionController接口和类BnPermissionController:

IPermissionController是一个接口类,只有checkPermission()一个纯虚函数。

BnPermissionController继承了以BnPermissionController实例化模版类BnInterface。因

此,BnPermissionController,事实上BnPermissionController双继承了BBinder和

IPermissionController。

实现文件IPermissionController.cpp中,首先实现了一个BpPermissionController。

BpPermissionController继承了BpInterface,它本身是一个已经实现的类,而且并没有在接口中体现。这个类按照格式
写就可以,在实现checkPermission()函数的过程中,使用Parcel作为传输数据的容器,传输中时候transact()函数,其参数需
要包含枚举值CHECK_PERMISSION_TRANSACTION。

IMPLEMENT_META_INTERFACE用于扶助生成。

BnPermissionController中实现的onTransact()函数如下所示:

在onTransact()函数中根据枚举值判断数据使用的方式。注意,由于BnPermissionController也是继承了类
IPermissionController,但是纯虚函数checkPermission()依然没有实现。因此这个
BnPermissionController类并不能实例化,它其实也还是一个接口,需要一个实现类来继承它,那才是实现具体功能的类。

3.2. BnABC的实现

本地服务启动后将形成一个守护进程,具体的本地服务是由一个实现类继承BnABC来实现的,这个服务的名称通常叫做ABC。

在其中,通常包含了一个instantiate()函数,这个函数一般按照如下的方式实现:

按照这种方式,通过调用defaultServiceManager()函数,将增加一个名为"XXX.ABC"的服务。

在这个defaultServiceManager()函数中调用了:

1 ProcessState::self()->getContextObject(NULL));
2 IPCThreadState* ipc = IPCThreadState::self();
3 IPCThreadState::talkWithDriver()

在ProcessState 类建立的过程中调用open_driver()打开驱动程序,在talkWithDriver()的执行过程中。

3.3. BpABC调用的实现

BpABC调用的过程主要通过mRemote()->transact() 来传输数据,mRemote()是BpRefBase的成员,它是一个IBinder。这个调用过程如下所示:

1 mRemote()->transact()
2 Process::self()
3 IPCThreadState::self()->transact()
4 writeTransactionData()
5 waitForResponse()
6 talkWithDriver()
7 ioctl(fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr)

在IPCThreadState::executeCommand()函数中,实现传输操作。

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