理解Binder机制

**注意：**基于Android 6.0源码

@(源码系列)

##摘要
Binder是一种通信方式，必有它的通信形式和通信消息，然后为什么Android要采用Binder作为IPC机制？Android的内核也是基于Linux内核，为何不直接采用Linux现有的进程IPC方案呢，难道Linux社区那么多优秀人员都没有考虑到有Binder这样一个更优秀的方案，是google太过于牛B了？

然后并非google不想采用现有的IPC方案，从5个角度来展开对Binder的分析：

1. 从性能的角度

数据拷贝次数：Binder数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、Socket都需要2次，但共享内存方式一次内存拷贝都不需要；从性能角度看，Binder性能仅次于共享内存。

2. 从稳定性的角度

Binder是基于C/S架构的，简单解释下C/S架构，是指客户端(Client)和服务端(Server)组成的架构，Client端有什么需求，直接发送给Server端去完成，架构清晰明朗，Server端与Client端相对独立，稳定性较好；而共享内存实现方式复杂，没有客户与服务端之别， 需要充分考虑到访问临界资源的并发同步问题，否则可能会出现死锁等问题；从这稳定性角度看，Binder架构优越于共享内存。

3. 从安全的角度

传统Linux IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID，从而无法鉴别对方身份；而Android作为一个开放的开源体系，拥有非常多的开发平台，App来源甚广，因此手机的安全显得额外重要；对于普通用户，绝不希望从App商店下载偷窥隐射数据、后台造成手机耗电等等问题，传统Linux IPC无任何保护措施，完全由上层协议来确保。

Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志，前面提到C/S架构，Android系统中对外只暴露Client端，Client端将任务发送给Server端，Server端会根据权限控制策略，判断UID/PID是否满足访问权限，目前权限控制很多时候是通过弹出权限询问对话框，让用户选择是否运行。

传统IPC只能由用户在数据包里填入UID/PID；另外，可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。从安全角度，Binder的安全性更高。说到这，可能有人要反驳，Android就算用了Binder架构，而现如今Android手机的各种流氓软件，不就是干着这种偷窥隐射，后台偷偷跑流量的事吗？没错，确实存在，但这不能说Binder的安全性不好，因为Android系统仍然是掌握主控权，可以控制这类App的流氓行为，只是对于该采用何种策略来控制，在这方面android的确存在很多有待进步的空间，这也是google以及各大手机厂商一直努力改善的地方之一。

4. 从语言层面的角度

大家都知道Linux是基于C语言(面向过程的语言)，而Android是基于Java语言(面向对象的语句)，而对于Binder恰恰也符合面向对象的思想，将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法，而其独特之处在于Binder对象是一个可以跨进程引用的对象，它的实体位于一个进程中，而它的引用却遍布于系统的各个进程之中。可以从一个进程传给其它进程，让大家都能访问同一Server，就像将一个对象或引用赋值给另一个引用一样。Binder模糊了进程边界，淡化了进程间通信过程，整个系统仿佛运行于同一个面向对象的程序之中。从语言层面，Binder更适合基于面向对象语言的Android系统，对于Linux系统可能会有点“水土不服”。另外，Binder是为Android这类系统而生，而并非Linux社区没有想到Binder IPC机制的存在，对于Linux社区的广大开发人员，我还是表示深深佩服，让世界有了如此精湛而美妙的开源系统。也并非Linux现有的IPC机制不够好，相反地，经过这么多优秀工程师的不断打磨，依然非常优秀，每种Linux的IPC机制都有存在的价值，同时在Android系统中也依然采用了大量Linux现有的IPC机制，根据每类IPC的原理特性，因时制宜，不同场景特性往往会采用其下最适宜的。比如在Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket（套接字）机制，Android中的Kill Process采用的signal（信号）机制等等。而Binder更多则用在system_server进程与上层App层的IPC交互。

5. 从公司战略的角

众所周知，Linux内核是开源的系统，所开放源代码许可协议GPL保护，该协议具有“病毒式感染”的能力，怎么理解这句话呢？受GPL保护的Linux Kernel是运行在内核空间，对于上层的任何类库、服务、应用等运行在用户空间，一旦进行SysCall（系统调用），调用到底层Kernel，那么也必须遵循GPL协议。 而Android 之父 Andy Rubin对于GPL显然是不能接受的，为此，Google巧妙地将GPL协议控制在内核空间，将用户空间的协议采用Apache-2.0协议（允许基于Android的开发商不向社区反馈源码），同时在GPL协议与Apache-2.0之间的Lib库中采用BSD证授权方法，有效隔断了GPL的传染性，仍有较大争议，但至少目前缓解Android，让GPL止步于内核空间，这是Google在GPL Linux下 开源与商业化共存的一个成功典范。

有了这些铺垫，我们再说说Binder的今世前缘，Binder是基于开源的OpenBinder实现的，OpenBinder是一个开源的系统IPC机制，最初是由 Be Inc. 开发，接着由Palm, Inc.公司负责开发，现在OpenBinder的作者在Google工作，既然作者在Google公司，在用户空间采用Binder 作为核心的IPC机制，再用Apache-2.0协议保护，自然而然是没什么问题，减少法律风险，以及对开发成本也大有裨益的，那么从公司战略角度，Binder也是不错的选择。另外，再说一点关于OpenBinder，在2015年OpenBinder以及合入到Linux Kernel主线 3.19版本，这也算是Google对Linux的一点回馈吧。综合上述5点，可知Binder是Android系统上层进程间通信的不二选择。

Binder在Android系统中江湖地位非常之高。在Zygote孵化出

system_server

进程后，在

system_server

进程中出初始化支持整个Android framework的各种各样的Service，而这些Service从大的方向来划分，分为Java层Framework和Native Framework层(C++)的Service，几乎都是基于BInder IPC机制。

**Java framework层：**作为Server端继承(或间接继承)于Binder类，Client端继承(或间接继承)于BinderProxy类。例如 ActivityManagerService(用于控制Activity、Service、进程等) 这个服务作为Server端，间接继承Binder类，而相应的ActivityManager作为Client端，间接继承于BinderProxy类。当然还有PackageManagerService、WindowManagerService等等很多系统服务都是采用C/S架构；

**Native Framework层：**这是C++层，作为Server端继承(或间接继承)于BBinder类，Client端继承(或间接继承)于BpBinder。例如MediaPlayService(用于多媒体相关)作为Server端，继承于BBinder类，而相应的MediaPlay作为Client端，间接继承于BpBinder类。

##1.Binder通信机制
无论是Android系统，还是各种Linux衍生系统，各个组件、模块往往运行在各种不同的进程和线程内，这里就必然涉及进程/线程之间的通信。对于IPC(Inter-Process Communication, 进程间通信)，Linux现有管道、消息队列、共享内存、套接字、信号量、信号这些IPC机制，Android额外还有Binder IPC机制，Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket机制，在上层system server、media server以及上层App之间更多的是采用Binder IPC方式来完成跨进程间的通信。对于Android上层架构中，很多时候是在同一个进程的线程之间需要相互通信，例如同一个进程的主线程与工作线程之间的通信，往往采用的Handler消息机制。

想深入理解Android内核层架构，必须先深入理解Linux现有的IPC机制；对于Android上层架构，则最常用的通信方式是Binder、Socket、Handler，当然也有少量其他的IPC方式，比如杀进程Process.killProcess()采用的是signal方式。Socket、Handler机制相信大部分人都接触过，也了解其原理，这里主要说说Binder。
###1.1 Binder
Binder作为Android系统提供的一种IPC机制，无论从系统开发还是应用开发，都是Android系统中最重要的组成，也是最难理解的一块知识点。深入了解Binder机制，最好的方法便是阅读源码，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾说过的一句话：Read The Fucking Source Code。下面简要说说Binder IPC原理。

Binder通信采用c/s架构，从组件视角来说，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动，其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。



图1.1 Binder通信c/s架构

如图1.1，Binder在Linux中的地位非常重要，无论是在

Java framework

层还是在

Native Framework

层，在

Java framework

层Client需要某一个服务，譬如是AMS(ActivityManagerService)首先要从Service Manager中获取到AMS服务，前提是AMS已经在Service Manager中注册，然后Client可以使用AMS服务，过程中的信息交流都采用的是Binder驱动设备提供的Binder服务。

在图1.1中，可以看出无论是注册服务和获取服务的过程都需要ServiceManager，需要注意的是此处的Service Manager是指Native层的ServiceManager（C++），并非指framework层的ServiceManager(Java)。ServiceManager是整个Binder通信机制的大管家，是Android进程间通信机制Binder的守护进程，要掌握Binder机制，首先需要了解系统是如何首次启动Service Manager。当Service Manager启动之后，Client端和Server端通信时都需要先获取Service Manager接口，才能开始通信服务。

图中的Client,Server,Service Manager之间交互都是虚线表示，是由于它们彼此之间不是直接交互的，而是都通过与Binder驱动进行交互的，从而实现IPC通信方式。其中Binder驱动位于内核空间，Client,Server,Service Manager位于用户空间。Binder驱动和Service Manager可以看做是Android平台的基础架构，而Client和Server是Android的应用层，开发人员只需自定义实现client、Server端，借助Android的基本平台架构便可以直接进行IPC通信。

###1.2 Binder机制在Android上的应用
Android系统中，每个应用程序是由Android的

Activity

，

Service

，

Broadcast

，

ContentProvider

这四剑客的中一个或多个组合而成，这四剑客所涉及的多进程间的通信底层都是依赖于Binder IPC机制。例如当进程A中的Activity要向进程B通信，这便需要依赖于Binder IPC。不仅于此，整个Android系统架构中，大量采用了Binder机制作为IPC（进程间通信）方案，当然也存在部分其他的IPC方式，比如Zygote通信便是采用socket。
####1.2.1 Binder在Java framework层
Binder在Android上采用CS架构，通过BpBinder(客户端)和BBinder(服务端)都是Android中Binder通信相关的代表，它们都从IBinder类中派生而来，关系图如下：



图1.2 Binder在Java framework层的CS架构

client端：BpBinder.transact()来发送事务请求；

server端：BBinder.onTransact()会接收到相应事务。

源码路径如下：

/framework/base/core/java/android/os/
- IInterface.java
- IBinder.java
- Parcel.java
- IServiceManager.java
- ServiceManager.java
- ServiceManagerNative.java
- Binder.java

/framework/base/core/jni/
- android_os_Parcel.cpp
- AndroidRuntime.cpp
- android_util_Binder.cpp (核心类)

####1.2.1 Binder在Native Framework层
源码路径如下：

/framework/native/libs/binder
- IServiceManager.cpp
- BpBinder.cpp
- Binder.cpp
- IPCThreadState.cpp (核心类)
- ProcessState.cpp  (核心类)

/framework/native/include/binder/
- IServiceManager.h
- IInterface.h

/framework/native/cmds/servicemanager/
- service_manager.c
- binder.c

##2 Binder目录安排
Binder系列内容非常多，从源码角度出发来，讲述Driver、Native、Framework、App四个层面的整个完整流程。这个binder涉及的层次跨度比较大，知识量比较广， 建议大家先知道binder是用于进程间通信。有个大致概念就可以先去学习系统基本知识，等后面有一定功力再进一步深入研究Binder。

Binder服务-底层驱动

Binder服务-serviceManager

Binder服务-Java framework层

Binder服务-Native Framework层

Binder服务-使用Binder和AIDL

Binder服务-总结

参考

知乎：为什么Android要采用Binder作为IPC机制？

Android系统开篇