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Android Binder——Java层介绍（三）

时间：2024-04-01 13:29:35浏览次数：21  
标签：IServiceManager Java Stub Binder reply Android data 服务端 客户端

一、简介

        对于 Android 系统，一般是从 java 层到 native 层，再到 kernel 驱动层，形成一个完整的软件架构。Android 系统中的 Binder IPC 通信机制的整体架构也是如此，Java 和 C++ 层都定义有同样功能的供应用程序使用的 Binder 接口。然而 Java 层中 Framework 层的 ServiceManager 类与 Native 层的功能并不完全对应，Framework 层的 ServiceManager 类的实现最终是通过 BinderProxy 传递给 Native 层来完成的。

ServiceManager：通过 getIServiceManager 方法获取的是 ServiceManagerProxy 对象，ServiceManager 的 addService 和 getService 实际工作都交由 ServiceManagerProxy的相应方法来处理。
ServiceManagerProxy：其成员变量 mRemote 指向 BinderProxy 对象，ServiceManagerProxy 的 addService 和 getService 方法最终是交由 mRemote 来完成。
ServiceManagerNative：其方法 asInterface() 返回的是 ServiceManagerProxy 对象，ServiceManager 便是借助 ServiceManagerNative 类来找到 ServiceManagerProxy。
Binder：其成员变量 mObject 和方法 execTransact() 用于 native 方法。
BinderInternal：内部有一个 GcWatcher 类，用于处理和调试与 Binder 相关的垃圾回收。
IBinder：接口中常量 FLAG_ONEWAY，客户端利用 Binder 跟服务端通信是阻塞式的，但如果设置了 FLAG_ONEWAY，这成为非阻塞的调用方式，客户端能立即返回，服务端采用回调方式来通知客户端完成情况。另外 IBinder 接口有一个内部接口 DeathDecipient（死亡通告）。

1、Stub与Proxy机制

        在 Android 系统中，Binder 机制通过 Stub 和 Proxy 来实现跨进程通信（IPC）。Stub 和 Proxy 是 Binder IPC 的核心组件，它们分别代表服务端和客户端的接口。这种机制允许客户端远程调用服务端的方法，而无需知道底层的通信细节。

Stub（服务端）

        Stub 是服务端的一个本地对象，它实现了服务端暴露给客户端的接口。当客户端想要调用服务端的方法时，它实际上是调用了 Stub 对象上的方法。Stub 对象内部会处理通信的细节，包括将方法调用转换为跨进程通信的请求，并将其发送到客户端进程。

        Stub 通常是通过 aidl（Android Interface Definition Language）文件生成的。aidl文件定义了服务端暴露给客户端的接口，包括方法签名和参数类型等信息。编译 aidl 文件时，Android SDK 会生成相应的 Stub 类，这个类包含了服务端需要实现的方法。

Proxy（客户端）

        Proxy 是客户端的一个本地对象，它代表了服务端对象。客户端通过Proxy来调用服务端的方法，而 Proxy 会将方法调用转换为跨进程通信的请求，并将其发送到服务端进程。

        当客户端调用 Proxy 对象上的方法时，Binder 驱动会捕获这个调用，并将其转换为一个跨进程通信的请求。这个请求会被发送到服务端进程，由服务端的 Stub 对象接收并处理。处理完成后，服务端将结果发送回客户端进程，客户端通过 Proxy 对象接收并处理这个结果。

        Proxy 也是通过 aidl 文件生成的。编译 aidl 文件时，Android SDK 会生成相应的 Proxy 类，这个类包含了客户端用来调用服务端方法的接口。

工作流程

  • 服务端注册服务：服务端创建一个实现了特定接口的 Stub 对象，并将其注册到 Binder驱动程序中，使其可以被其他进程访问。
  • 客户端获取代理：客户端通过 bindService() 方法或其他方式获取服务端 Stub 对象的 Proxy。
  • 客户端调用方法：客户端通过 Proxy 对象调用服务端的方法。这个调用实际上被转换为跨进程通信的请求，并被发送到服务端进程。
  • 服务端处理请求：服务端的 Stub 对象接收到请求后，会将其分发到相应的线程进行处理。处理完成后，服务端将结果发送回客户端进程。
  • 客户端接收结果：客户端通过 Proxy 对象接收并处理服务端返回的结果。

        通过这种方式，Stub 和 Proxy 机制实现了客户端和服务端之间的透明通信，使得客户端可以像调用本地方法一样调用服务端的方法。

2、ServiceManager

        ServiceManager 是 Binder 机制的大管家，管理着 android 系统的各种 Service。Service 向 ServiceManager 注册，当 Client 需要调用 Service 时，先通过 ServiceManager 查询到该 Service，Client 接着再与 Service 通信。这些 Service 有 Java 层也有 Native 层的。Native 层通过 BpServiceManager/BnServiceManager 实现的 Service 与 ServiceManager 的交互。

3、Client和Service通信机制

        Binder 通信的实现同 Native 层类似，Java 层 AIDL 脚本依据 IServiceManager.aidl 生成 IServiceManager 接口类，包含子类 IServiceManager.Stub 和 IServiceManager.Stub.Proxy，两者都实现了 IServiceManager 接口，前者代表 Server 端，后者代表 Client 端。

public interface IServiceManager extends android.os.IInterface {
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements android.os.IServiceManager {
        public static android.os.IServiceManager asInterface(android.os.IBinder obj) {
            if (obj == null){
                return null;
            }
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
            if (iin != null && iin instanceof IServiceManager){
                return (IServiceManager)iin;
            }
            return new IServiceManager.Stub.Proxy(obj);
        }
           
        public boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException
        {
            String descriptor = DESCRIPTOR;
            ……
            switch (code){
                case TRANSACTION_getService: {
                    String _arg0;
                    _arg0 = data.readString();
                    data.enforceNoDataAvail();
                    IBinder _result = getService(_agr0);
                    reply.writeNoException();
                    reply.writeStrongBinder(_result);
                    break;
                }
                ……
            }
        }
    }
        
    private static class Proxy implements IServiceManager {
        private IBinder mRemote;
        Proxy(IBinder remote) {
            mRemote = remote;
        }
            
        @Override
        public IBinder getService(String name) throws RemoteException {
            Parcel _data = Parcel.obtain();
            Parcel _reply = Parcel.obtain();
            IBinder _result;
            try {
                _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                _data.writeString(name);
                boolean _status = mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getService, _data, _reply, 0);
                _reply.readException();
                _result = _reply.readStrongBinder();
             } finally {
                _reply.recycle();
                _data.recycle();
            }
            return _result;
        }
            
        @Override
        public IBinder checkService(String name) throws RemoteException {
            Parcel _data = Parcel.obtain();
            Parcel _reply = Parcel.obtain();
            IBinder _result;
            try {
                _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                _data.writeString(name);
                boolean _status = mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_checkService, _data, _reply, 0);
                _reply.readException();
                _result = _reply.readStrongBinder();
            } finally {
                _reply.recycle();
                _data.recycle();
            }
            return _result;
        }
    }
}

ServiceManager

源码位置：/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java

        Java 层使用 ServiceManager 类实现 servicemanager 的 Client 端，通过getIServiceManager() 获取 servicemanager 的代理类，其中 BinderInternal.getContextObject() 通过 JNI 创建一个 BinderProxy 对象。

        这里 BinderProxy 本来就是 Java 类，通过 JNI 创建目的是创建 BinderPrxoy 对象的同时，也创建一个 BpBinder 对象，BinderProxy 和 BpBinder 是一一对应的关系。同理，创建 Java 层 Binder 对象时，也会通过 Jni 创建一个 BBinder 对象。我们可以理解为 BinderProxy/Binder 封装了 BpBinder/BBinder，实际工作的是后者。

public final class ServiceManager {
    private static IServiceManager sServiceManager;
    
    private static IServiceManager getIServiceManager(){
        if (sServiceManager != null){
            return sServiceManager;
        }
        // 找到服务管理器
        sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(Binder.allowBlocing(BinderInternal.getContextObject()));
        return sServiceManager;
    }
    
    // 返回对具有给定名称的服务的引用
    public static IBinder getService(String name){
        try {
            IBinder service = sCache.get(name);
            if (service != null){
                return service;
            } else {
                return Binder.allowBlocking(rawGetServices(name));
            }
        } catch (RemoteException e){
            Log.e(TAG, "error in getService", e);
        }
        return null;
    }
    
    private static IBinder rawGetService(String name) throws RemoteException  {
        final IBinder binder = getIServiceManager().getService(name);
        ……
        return binder;
    }
}

        这里，获取到的 servicemanager 的代理类 IServiceManagerProxy(BinderProxy)。

ServiceManagerNative

源码位置：/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java

public final class ServiceManagerNative {
    private ServiceManagerNative(){}
    
    public static IServiceManager asInterface(IBinder obj){
        if (obj == null){
            return null;
        }
        // ServiceManager永远不是本地的
        return new ServiceManagerProxy(obj);
    }
    
    // 当mRemote不再被使用时，该类应该被删除并替换为IServiceManager.Stub
    class ServiceManagerProxy implements IServiceManager {
        public ServiceManagerProxy(IBinder remote){
            mRemote = remote;
            // servicemanager实际的代理类
            mServiceManager = IServiceManager.Stub.asInterface(remote);
        }
        
        public IBinder getService(String name) throws RemoteException {
            // 与checkService相同(旧版本的servicemanager有这两种方法)。
            return mServiceManager.checkService(name);
        }
        ……
        // 和mServiceManager一样，但被应用使用。
        // 一旦这个可以删除，ServiceManagerProxy应该被完全删除
        private IBinder mRemote;
        private IServiceManager mServiceManager;
    }
}

        这样，我们使用 ServiceManager.addService()/getService() 等方法时，会走到 BinderProxy的 transact() -> transactNative()。

BinderProxy

源码位置：/frameworks/base/core/java/android/os/BinderProxy.java

public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
    ……
    try {
        return transactNative(code, data, reply, flags);
    } finally {
        ……
    }
}

public native boolean transactNative(int code, Parcel data, Parecl reply, int flags) throws RemoteException;

        最终通过 Jni 进入 Native 层，通过 BpBinder.transact() -> IPCThreadState.transact() -> writeTransactionData() -> waitForResponse() 进入 binder 驱动层，与 servicemanager 进程通信，等待返回结果。

        这里的 servicemanager 的服务端，使用的是 Native 层的 BnServiceManager，并没有使用到Java 层的 IServiceManager.Stub。servicemanager 接收到请求后，执行相应的操作IPCThreadState::executeCommand() -> BBinder::transact() -> BnServiceManager::onTransact()，具体的实现方法在 ServiceManager.cpp 中，这里不详细开展了。

::android::status_t BnServiceManager::onTransact(uint32_t _aidl_code, const ::android::Parcel& _aidl_data, ::android::Parcel* _aidl_reply, uint32_t _aidl_flags){
    ::android::status_t _aidl_ret_status = ::android::OK;
    switch(_aidl_code){
    case BnServiceManager::TRANSACTION_getService:
        ::std::string in_name;
        ::android::sp<::android::IBinder> _aidl_return;
        ...
        _aidl_ret_status = _aidl_data.readUtf8FromUtf16(&in_name);
        ...
        ::android::binder::Status _aidl_status(getService(in_name, &_aidl_return));
        ...
        _aidl_ret_status = _aidl_reply->writeStrongBinder(_aidl_return);
        break;
     case BnServiceManager::TRANSACTION_checkService:
     ...
    }
}

        数据组装完毕后，回到 IPCThreadState::executeCommand()，执行 sendReply()。

IPCThreadState.cpp 

源码位置：/system/libhwbinder/IPCThreadState.cpp

sendReply
status_t IPCThreadState::sendReply(const Parcel& reply, uint32_t flags){
    status_t err;
    status_t statusBuffer;
    err = writeTransactionData(BC_REPLY, flags, -1, 0, reply, &statusBuffer);
    if (err < NO_ERROR) return err;
    
    return waitForResponse(nullptr, nullptr);
}

        通过 Binder 驱动，将请求的结果返回给 Client 端，如下所示，返回的结果写入了 Parcel 中。

waitForResponse
status_t IPCThreadState::waitForResponse(Parcel *reply, status_t *acquireResult){
    ……
    while(1){
        if ((err=talkWithDriver()) < NO_ERROR) break;
        ……
        cmd = (uint32_t)mIn.readInt32();
        switch(cmd){
        ……
        case BR_REPLY:
            binder_transaction_data tr;
            err = mIn.read(&tr, sizeof(tr));
            ……
            if(reply){
                if((tr.flags & TF_STATUS_CODE) == 0){
                    reply->ipcSetDataReference(reinterpret_cast<const uint8_t*>(tr.data.ptr.buffer), tr.data_size, reinterpret_cast<const binder_size_t*>(tr.data.ptr.offsets), tr.offsets_size/sizeof(binder_size_t), freeBuffer, this);
                } else {
                    ……
                }
            }else{
                ……
            }
            goto finish;
        }
    }
  finish:
      if (err != NO_ERROR){
          ……
      }
      return err;
}

        接着进入 IServiceManager.Stub.Proxy 类的方法中，通过 Parcel.readStrongBinder() 获取到与 servicemanager 通信的结果。

        总结：servicemanager 在管理 Java 层 Service 时，目前只使用了 IServiceManager.Stub.Proxy 作为代理类，并没有使用 IServiceManager.Stub 作为服务类，服务类使用的依然是 Native 层 BnServiceManager。

标签：IServiceManager,Java,Stub,Binder,reply,Android,data,服务端,客户端
From： https://blog.csdn.net/c19344881x/article/details/137217931

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