特别声明：本系列文章LiAnLab.org著作权所有，转载请注明出处。作者系LiAnLab.org资深Android技术顾问吴赫老师。本系列文章交流与讨论:@宋宝华Barry

分多次连载，讲述Android Service（JAVA Service、Native Service等）背后的实现原理，透析基于Binder的RPC以及Linux Binder驱动。

Service与Android系统实现（1）-- 应用程序里的Service

Service与Android系统设计（2）-- Parcel

Service与Android系统设计（3）-- ActivityManager的实现

Service与Android系统设计（4）-- ServiceManager

Service与Android系统设计（5）-- libbinder

Service与Android系统设计（6）--- Native Service

Service与Android系统设计（7）--- Binder驱动

Service

Service在Android应用程序里四大实体之一。Android的应用程序不光是需要有图形界面来进行交互，有时也会需要在没有交互的情况下进行的操作，比如下载、更新、监听等。比如目前对我们网络生存影响如此之大的社交网络、或是更老一些聊天工具，总需要这类应用程序可以一直在后台运行，以等待可能过来的消息。：

Service拥有一部分Activity所无法完成的能力。一是后台运行，有时我们并不希望有过多对话框来影响用户体验，开机自动启动，便可默默地在后台运行。另一特性，就是不被Activity生命周期所管理，Activity处于完全活跃的周期是onResume()与onPause()之间，如果这周期之外发生了事件，实际上Activity构成的执行部分也不会被执行到，从而无法响应处理，但Service由于本身过于简单，则会通过一定的辅助手段来达到这个目标。

从Android应用程序的设计原理来看，Service同样也是主线程里执行的（这点尤为重要，Service由于在主线程里执行，于是也会因为执行耗时操作而触发ANR）。一个应用程序既然可以通过拓展Activity得到可交互的代码逻辑，同样也可以通过拓展Service来得到不交互在后台执行的逻辑。如下图加强部分所示：

Activity对应用程序来说是最重要的组件，但从Android系统设计的角度来看，Service对系统层实现来说才最重要的。Service是构建系统的根本，支持整个系统运营的环境framework，本身就是由大量Service来构成的。也就是说，Service反而是构建Activity的基础环境。

Android与其他系统设计最大的不同之处在于，它并不是一种传统的系统环境，而是一种更加开放的系统。传统的图形操作系统里，会有基本环境，会有系统管理组件，应用程序只是作为补充性功能实现。但Android并不如此，Android系统是没有应用程序的，达到了“无边界”系统设计的最高境界，“手里无剑，心中有剑”。整个Android系统的设计使自己扮演着支撑系统的运行环境的角色，不再有基本系统的概念，而变成了一种“有或者无”的应用程序的支撑环境，没有系统组件的概念。而我们所谓的系统应用程序，我们只能称它们为“内置”应用程序，只是服务于黑心移动运营商的一种方式而已。

这种设计的精髓在于，系统本身不会处理交互，而只是提供交互的手段。从前面我们对于应用程序运行环境的分析中，我们可以看到，Android的Framework，提供一部分功能供应用程序调用，而除了这些应用程序直接使用的API实现，其他代码逻辑就会全是由Service构成。当然作为系统实现角度的Service，与应用程序编程里实现的Service是有差别的，更强调共享，但基本构架一样。在过渡到Android系统的解析之前，我们先从应用程序的Service概念入手。

本地简单Service

我们先来在应用程序里写一个简单的Service。打开Eclipse，新建一个Android工程，然后再创建一个新的基于Service基类的类。与Activity的编程方式类似，Service在编程上也是基于回调方式实现的，我们继承基类Service之后所需要做的，就是通过IoC模式替换原来的Service回调的实现：

[java]
view plaincopy

1. import android.app.Service;  
2. import android.content.Intent;  
3. import android.os.IBinder;  
4. import android.util.Log;  
5. public class LianlabServiceextends Service  
6. {  
7.     private staticfinal String TAG ="LianlabService";  
8.    @Override  
9.     public void onCreate() {  
10.        super.onCreate();  
11.        Log.v(TAG, "inonCreate()");  
12.     }  
13.    @Override  
14.     public int onStartCommand(Intent intent,int flags,int startId) {  
15.        super.onStartCommand(intent, flags, startId);  
16.        Log.v(TAG, "inonStartCommand()");  
17.        return START_STICKY;  
18.     }  
19.    @Override  
20.     public void onDestroy()  
21.     {  
22.        Log.v(TAG, "inonDestroy().");  
23.        super.onDestroy();  
24.     }  
25. }  

有了Service的具体实现之后，系统并不会自动地识别到这一实现，在Android世界里，一切都通过AndroidManifest.xml来驱动，于是，我们还需要修改AndroidManifest.xml文件，加入Service的定义：

[html]
view plaincopy

1. <applicationandroid:labelapplicationandroid:label="@string/app_name">  
2.   
3.    <serviceandroid:nameserviceandroid:name=".LianLabService"/>  
4. ;/application>   

在上面这种方式里实现的Service，可被执行的方式很有限，就是提供一个可执行的线程环境，可以被Intent所驱动，执行onStartCommand()回调。功能有限并不代表无能，在Android系统里，我们可能还经常会碰到这样的需求：比如我们使用GPS里来记录我们行动轨迹时，这时我们很可能需要通过后台的执行的代码来定时检查GPS的定位信息；杀毒或是监控软件可能希望驻留在后台，并可被Intent来驱动开始进行杀毒；我们的聊天或是社交应用，需要在后台定时地与服务发送“心跳”（Heart beat），用来标识自己的在线状态等。这样的例子，大家可以回头到我们画的GPS轨迹跟踪的构成示意图，这样的跟踪软件，必须是通过一个接收启动完成信息的Broadcast
Receiver来监听自己是否应该被执行，而接收到到启动完成的Broadcast Intent之后，则必须触发一直在后台运行的TrackerService的执行。

既然我们在上述方式里实现的Service是由Intent驱动的，于是我们的使用这一Service部分的代码也会很简单。在任何可被执行到的代码里使用startService(Intent)就可以完成，我们可以给某个控件注册点击事件支持onClickListener对象，然后覆盖onClick()回调方法：

我们这里既然使用到了Intent，也就是说我们还可以通过extras这个Bundle对象给我们这里实现的LianLabService来传递运行的参数。于是，这时我们的代码貌似有了pthread多线程执行效果，通过传参，然后我们会执行一个在另一线程里运行的函数，只是函数是固定的onStartCommand()回调方法。但这只是貌似，并非实际情况，Service的执行与后台线程方式极大不同，Service只是一种代码逻辑的抽象，实际上它还是运行在Activity同一线程上下文环境。

于是，我们并不能用Service来进行任何耗时操作，否则会阻塞主线程而造成应用程序的无法响应错误，也就是臭名昭著的ANR错误。Service仅能用于不需要界面交互的代码逻辑。

本地 Bounded Service

这种使用Intent来驱动执行的Service，可用性有限，并不能完全满足我们对于后台服务的需求。对于后台执行的代码，我们更多的应用情境不光是希望进行后台操作，我们可能还希望能进行交互，可以随时检查后台操作的结果，并能暂停或是重启后台执行的服务，可以在使用某一Service时保证它并不会退出执行，甚至一些提交一些参数到后台来进行复杂的处理。这时，我们可以使用Service的另一个访问方式，使用Binder接口来访问。我们的Service基类还提供这类应用的回调方式，onBind()、onUnbind()和onRebind()。使用Binder来访问Service的方式比Intent驱动的应用情境更底层，onBind()回调主要用于返回一个IBinder对象，而这一IBinder对象是Service的引用，将会被调用端用于直接调用这一Service里实现的某些方法。

同样的Service实现，如果通过IBinder来驱动，则会变成下面的样子：

[java]
view plaincopy

1. import android.app.Service;  
2. import android.content.Intent;  
3. import android.os.IBinder;  
4. import android.util.Log;  
5. public class LianlabServiceextends Service  
6. {  
7.     private staticfinal String TAG ="LianlabService";  
8.    
9.    @Override  
10.     public void onCreate() {  
11.        super.onCreate();  
12.        Log.v(TAG, "inonCreate()");  
13.     }  
14.    @Override  
15.     public intonStartCommand(Intent intent,int flags,int startId) {  
16.        super.onStartCommand(intent, flags, startId);  
17.        Log.v(TAG, "in onStartCommand()");  
18.        return START_STICKY;  
19.     }  
20.    @Override  
21.     public void onDestroy()  
22.     {  
23.        Log.v(TAG, "inonDestroy().");  
24.       super.onDestroy();  
25. }  
26.    finalIService.Stub m_binder =newIService.Stub() {  
27.         ...  
28.    }  
29.    @Override  
30.     public IBinderonBind(Intent intent) {  
31.        Log.v(TAG, "inonBind().");  
32.        return mBinder;  
33.     }  
34.    @Override  
35.     public booleanonUnbind(Intent intent) {  
36.        Log.v(TAG, "inonUnbind().");        
37.        return mAllowRebind;  
38.     }  
39.    @Override  
40.     public void onRebind(Intentintent) {  
41.        Log.v(TAG, "inonRebind().");  
42.     }  
43. }  

使用IBinder对象来触发的Service，在访问时的代码实现则变得完全不样了。比如我们同样通过onClick()来操作后台的某些操作，但这时并非通过Intent来完成，而是直接使用某个引用这一Service的IBinder对象来直接调用Service里实现的方法。

如果Service里实现了某些方法，比如kill()，在上述代码之后，我们对Service的驱动则会变成代码上的直接调用。在onServiceConnected()回调方法被触发之后，我们始终都可以通过m_service.kill()来访问Service里的kill()方法。而bindService()这方法的调用，则会触发onServiceConnected()事件。

       这样就要让人抓狂了，既然如此麻烦，何不直接调用呢？所以，事实上，这里列举的这种代码实现方式，在现实编程里确实不常用。一般而言，如果Service通过IBinder对象来触发，那只会出于一个理由，提供一种可能性，将来可以更灵活地提供给另一进程来访问，这就是我们稍后会说明的Remote Service。

这两种不同的Service的实现方式，将决定Service的不同被调用方式，或者准确地说，将决定Service的不同生命周期。

如图所示，Service的进程存活期是处理onCreate()与onDestroy()回调方法之间。onStartCommand()回调是不受控的，每次Intent都将触发执行一次， onStartCommand()执行完则会退出；而使用onBind()来驱动的Service，其活跃区间是onBind()与onUnbind()之间，其活跃周期始终在控制范围内。

Remote Service

得益于Android的进程间模型，无论是系统实现端的开发，还是应用程序的开发者，可认为自己的代码都将在一种安全的环境下执行。但对于在需要共享的场合，又带来了不方便之处，我们不再可以在一个进程里很方便地调用到另一进程里的实现。在上面两种Service实现里，基本上只能自已服务自己，而不能将功能共享给更多地使用者。于是，Android在设计初期，便引入了另一个概念，Remote Service。

Remote Service定义了如何从一个进程，直接访问到另一个进程里实现的方法，这样的机制在通用编程领域被称为RPC，Remote Procedure Call，在Android环境里，因为这样的RPC与Service的概念揉合到了一起，所以被称为Remote Service。

如下图所示，Remote Service基本上算是在Bounded Service实现上的一种拓展。调用端（一般是与用户交互的Activity）会通过bindService()发一个Intent到Service进程，而Service进程会在onBind()回调方法里返回自己的Service处理接口。当调用端得到相应的处理接口，也就是下图所示的Stub.Proxy对象之后，就可以调用远端Stub对象里实现的方法。

当然，由于这种方式需要在每一次调用时都进行一次远程调用，于是实现起来并不简单，甚至可以说是会很麻烦。在上图逻辑里要实现一个Remote Service，在这一Remote Service里实现一个方法，就需要加入多个对象。于是，在Android里引入了AIDL，可以通过AIDL来简化通用代码的处理，在上图中Stub对象、Stub.Proxy对象都将由aidl自动管理。

实现一个Remote Service，基本上可以分三步完成：

1.  定义aidl
2.  实现被调用的Remote Service（提供可实例化的Stub对象）
3.  调用Remote Service

定义AIDL

实现Remote Service

有了AIDL定义之后，我们便可实现这这一接口类的定义，主要是提供一个Stub类的实现，在这个Stub对象里，提供getPid(void)的具体实现。

于是，当应用程序通过某种方式可以取得ITaskServiceStub所对应的IBinder对象之后，就可以在自己的进程里调用IBinder对象的getPid()，但这一方法实际上会是在别一个进程里执行。虽然我们对于执行IBinder的Stub端代码的执行环境并没有严格要求，可以在一个运行中的进程或是线程里创建一个Stub对象就可以了，但出于通用性设计的角度考虑，实际上我们会使用Service类来承载这个Stub对象，通过这样的方式，Stub的运行周期便被Service的生存周期所管理起来。这样实现的原因，我们可以回顾我们前面所描述的功耗控制部分。当然，使用Service带来的另一个好处是代码的通用性更好，我们在后面将感受到这种统一化设计的好处。

于是，对应于.aidl的具体实现，我们一般会使用一个Service对象把这个Stub对象的存活周期“包”起来。我们可以通过在Service里使用一个 final类型的Stub对象，也可以通过在onBind()接口里进行创建。这两种不同实现的结果是，使final类型的Stub对象，类似于我们的Singleton设计模式，客户端访问过来的总会是由同一个Stub对象来处理；而在onBind()接口里创建新的Stub，可以让我们对每个客户端的访问都新建一个Stub对象。出于简化设计的考虑，我们一般会使用final的唯一Stub对象，于是我们得到的完整的Service实现如下：

1. 由于实现上的灵活性，我们一般使用Service来承载一个AIDL的Stub对象，于是这个Stub的存活周期，会由Service的编写方式决定。当我们的Stub对象是在onBind()里返回时，Stub对象的存活周期是Service处于Bounded的周期内；如果使用final限定，则Stub对象的存活周期是Service在onCreate()到onDestroy()之间
2. 用于处理bindService()发出Intent请求时的Action匹配，这一行一般会在AndroidManifest.xml文件里对Service对Intent filter设置时使用。我们这种写法，则使这一Service只会对Intent里Action属性是“org.lianlab.services.ITaskService”的bindService()请求作出响应。这一部分我们在后面的使用这一Service的Activity里可以看到
3. 创建ITaskService.Stub对象，并实现Stub对象所要求的方法，也就是AIDL的实现。Stub对象可以像我们这样静态创建，也可以在onBind()里动态创建，但必须保证创建在onBind()返回之前完成。在onBind()回调之后，实际上在客户端则已经发生了onServiceConnected()回调，会造成执行出错。
4. 实现，这时我们最终给客户端提供的远程调用，就可以在Stub对象里实现。我们可以实现超出AIDL定义的部分，但只有AIDL里定义过的方法才会通过Binder暴露出来，而AIDL里定义的接口方法，则必须完整实现。

       有了这样的定义之后，我们还需要在AndroidManifest.xml文件里将Service声明出来，让系统里其他部分可以调用到：

在AndroidManifest.xml文件里，会在<application>标签里通过<service>标签来申明这一应用程序存在某个Service实现，在service命名里，如果service的名称与application名称的包名不符，我们还可以使用完整的“包名+类名”这样命名方式来向系统里注册特殊的Service。在<service>标签里，我们也可以注册<intent-filter>来标明自己仅接收某一类的Intent请求，比如我们例子里的action会匹配“org.lianlab.services.ITaskService”，如果没有这样的intent-filter，则任何以TaskService（ComponentName的值是”org.lianlab.services.ITaskService”）为目标的Intent请求会触发TaskService的onBind()回调。当然，我们在<service>标签内还可以定义一些权限，像我们例子里的这个TaskService是没有任何权限限制的。有了这个AndroidManifest.xml文件，我们再来看看客户端的写法。

访问Remote Service

在客户端进行访问时，由于它必须也使用同一接口类的定义，于是我们可以直接将同一.aidl文件拷贝到客户端应用程序的源代码里，让这些接口类的定义在客户端代码里也可以被自动生成，然后客户端便可以自动得到Proxy端的代码。因为我们这里使用了Service，又是通过onBind()返回IBinder的对象引用，这时客户端在使用IBinder之前，需要通过bindService()来触发Service端的onBind()回调事件，这时会通过客户端的onServiceConnected()回调将Stub所对应的Binder对象返回。我们在稍后看AIDL的底层实现时会发现，在此时客户端的Binder对象只是底层Binder
IPC的引用，此时我们还需要创建一个基于这一Stub接口的Proxy，于是在客户端会需要调用asInterface()创建Proxy对象，这一Proxy对象被转义成具体的Service，在我们的例子里，客户端此时就得到了ITaskService对象。从这时开始，在客户端里通过ITaskService.getPid()的调用，都会通过Binder IPC将操作请求发送到Service端的Stub实现。于是，我们可以得到客户端的代码，在Android里我们一般用Activity来完成这样的操作，如下代码所示：

1. 必须导入远端接口类的定义。我们必须先导入类或者函数定义，然后才能使用，对于任何编程语言都是这样。但我们在AIDL编程的环境下，实际这一步骤变得更加简单，我们并非需要将Service实现的源文件拷贝到应用程序源代码里，也是只需要一个AIDL文件即可，这一文件会自动生成我们所需要的接口类定义。所以可以注意，我们导入的并非Service实现的”org.lianlab.services.TaskService”，而AIDL接口类的”org.lianlab.services.ITaskService”。这种方式更灵活，同时我们在AIDL环境下还得到了另一个好处，那就是可以隐藏实现。
2. 对于客户端来说，它并不知道TaskService的实现，于是我们统一使用ITaskService来处理对远程对象的引用。跟步骤1对应，这时我们会使用ITaskService来访问远程对象，就是我们的mTaskService。
3. 我们必须先创建对象，才能调用对象里的方法，对于AIDL编程而言，所谓的创建对象，就是通过bindService()来触发另一个进程空间的Stub对象被创建。bindService()的第一参数是一个Intent，这一Intent里可以通过ComponentName来指定使用哪个Service，但此时我们会需要Service的定义，于是在AIDL编程里这一Intent会变通为使用ITaskService作为Action值，这种小技巧将使bindService()操作会通过IntentFilter，帮我们找到合适的目标Service并将其绑定。bindService()的第二个参数的类型是ServiceConnection对象，bindService()成功将使用这样一个ServiceConnection对象来管理onServiceConnected()与onServiceDisconnected()两个回调，于是一般我们会定义一个私有的ServiceConnection对象来作为这一参数，见5。最后的第三个参数是一个整形的标志，说明如何处理bindService()请求，我们这里使用Context.BIND_AUTO_CREATE，则发生bindService()操作时，如果目标Service不存在，会触发Service的onCreate()方法创建。
4. 我们这里使用onClickListener对象来触发远程操作，当用户点击时，就会尝试去执行mTaskService.getPid()方法。正如我们看到的，getPid()是一个RPC方法，会在另一个进程里执行，而Exception是无法跨进程捕捉的，如果我们希望在进行方法调用时捕捉执行过程里的异常，我们就可以通过一个RemoteException来完成。RemoteException实际上跟方法的执行上下文没有关系，也并非完整的Exception栈，但还是能帮助我们分析出错现场，所以一般在进行远端调用的部分，我们都会try来执行远程方法然后捕捉RemoteException。
5. 如3所述，bindService()会使用一个ServiceConnection对象来判断和处理是否连接正常，于是我们创建这么一个对象。因为这个私有ServiceConnection对象是作为属性存在的，所以实际上在HelloActivity对象的初始化方法里便会被创建。
6. 在onServiceConnected()这一回调方法里，将返回引用到远程对象的IBinder引用。在Android官方的介绍里，说是这一IBinder对象需要通过asInterface()来进行类型转换，将IBinder再转换成ITaskService。但在实现上并非如此，我们的Proxy在内部是被拆分成Proxy实现与Stub实现的，这两个实现都使用同一IBinder接口，我们在onServiceConnected()里取回的就是这一对象IBinder引用，asInterface()实际上的操作是通过IBinder对象，得到其对应的Proxy实现。
7. 通过bindService()方法来访问Service，则Service的生存周期位于bindService()与unbindService()之间的Bounded区域，所以在bindService()之后，如果不调用unbindService()则会造成内存泄漏，Binder相关的资源无法得到回收。所以在合适的点调用unbindService()是一种好习惯。

通过这样的方式，我们就得到了耦合度很低的Service方案，我们的这个Activity它即可以与Service处于同一应用程序进程，也可以从另一个进程进行跨进程调用来访问这一Service里暴露出来的方法。而在这种执行环境的变动过程中，代码完全不需要作Service处理上的变动，或者说Activity本身并不知道AIDL实现上的细节，在同一个进程里还是不在同一进程里。

这种方式很简单易行，实际上在编程上，AIDL在编程上带来的额外编码上的开销非常小，但得到了灵活性设计的RPC调用。

双向Remote Service

在AIDL编程环境里实际上是支持反向调用的，原理跟我们实现一个Remote Service一样，就是通过把Proxy与Stub反过来，就得到了这样的回调式的aidl编程。唯一的区别是，当我们的Stub在Activity时实现时，我们实际上跟后台线程执行也没有区别，Callback并非是在主线程里执行的，于是不能进行重绘界面的工作。于是，我们必须像后台线程编程一样，使用Handler来处理界面显示处理。

定义AIDL

前面我们说过aidl是可以互相引用的，于是我们可以借用这样的机制，通过引用另一个新增的aidl文件来加强我们前面的单向的TaskService版本。我们先增加一个新的ITaskServiceCallback.aidl文件，与ITaskService保持同一目录：

在这一定义里，我们新增加了一个ITaskServiceCallback的接口类，基本上与我们前面的ITaskService.aidl一样，在这个接口类里，我们新加了一个valueCounted()方法，这一方法将会被Service所使用。

在这个文件里，唯一与ITaskService.aidl不同之处在于，我们使用了一个oneway的标识符，oneway可以使aidl调用具有异步调用的效果。在默认情况下，基于aidl的调用都会等待远端调用完成之后再继续往下执行，但有时我们可能希望在跨进程调用会有异步执行的能力，我们在发出调用请求后会立即返回继续执行，调用请求的结果会通过其他的callback返回，或是我们干脆并不在乎成功与否，此时就可以使用oneway。当然，从我们前面分析aidl底层进行的工作，我们可以知道，所谓的远程调用，只不过是通过Binder发送出去一个命令而已，所以在aidl里面如果使用了oneway限定符，也就是发送了命令就收工。

然后，我们修改一下我们的ITaskService.aidl，使我们可以使用上这个新加入的回调接口：

在Service端调用回调方法

我们会引用前面定义好的ITaskServiceCallback.aidl文件，通过包名+接口的方式进行引用。为了省事，我们直接在原来的getPid()方法里进行修改，将新定义的ITaskServiceCallback接口类作为参数传递给getPid()接口。于是，在Service端Stub对象里实现的getPid()方法，将可以使用这一回调对象：

加入了回调之后的代码结构并没有大变，只增加了3部分的内容，通过这三部分的内容，我们此时便可以记录我们的getPid()总共被调用了多少次。

1. getPid()方法，是通过aidl定义来实现的，否则会报错。所以我们这里新的getPid()会按照aidl里的定义加入ITaskServiceCallback对象作为参数，与ITaskService对象相反，这一对象实际上是由客户端提供给Service端调用的。
2. 为了记录下getPid()被调用了多少次，我们使用了一个mCount来进行计数，这一int为static类型，于是在Service生存周期里会始终有效。但这部分的改动与我们的回调改进并无直接关系。
3. 在使用回调接口ITaskServiceCall之前，因为这是一个远程引用，我们会需要捕捉Remote Exception，由客户端抛出的异常将在这里被捕获处理。
4. 调用ITaskServiceCall里定义的回调方法，将处理发送给客户端。此时，因为是oneway，这时很多就会从回调方法里返回，继续执行原来的getPid()，再将处理结果以返回值的形式发送回客户端。

加入了回调之后，对Service端的实现并没有增加多大的工作量，因为作为回调，实现是放在客户端上来完成的。

在Client端加入回调实现

因为我们的aidl接口已经发生了变动，于是需要将新加的ITaskServiceCall.aidl与改变过的ITaskService.aidl文件拷贝到应用程序工程里。我们再来看一下客户端实现代码需要作怎样的调整：