Android Binder概述

背景知识

为了更好的理解binder，我们要先澄清一下概念，因为Android 基于Linux内核，我们有必要了解相关知识。

进程隔离

进程隔离是为了保护操作系统进程之间互不干扰而设计的，这个技术是为了避免进程A写入进程B准备的，进程隔离的实现，使用了虚拟地址空间，进程A的虚拟地址和进程B的虚拟地址不同，这样就防止进程A的数据写入进程B，操作系统之间不同进程之间，数据不共享，对于每一个进程来说，都天真的以为自己独享了整个系统，不知道其他进程的存在，因此一个进程与其他进程进行通信，需要一种特殊的方式才可以

用户空间/内核空间

Linux Kernel 是操作系统的核心，独立于普通应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。

对于Kernel这么一个高安全级别的东西，显然是不允许其他应用程序随便调用或访问的，所以需要对Kernel提供一定的保护机制，这个保护机制用来告诉那些应用程序，你只可以访问某些许可的资源，不可以访问不许可的资源，于是就把Kernel和上层应用程序抽象的隔离开，分别称之为 Kernel Space 和 User Space

系统调用/内核态/用户态

虽然在逻辑上抽离了用户空间、内核空间，但不可避免的是，仍有用户空间需要访问内核空间的资源，比如程序访问文件。该怎么办？

用户空间访问内核空间的唯一方式就是系统调用 ，通过这一统一入口，所有资源访问都是在内核控制下进行，以免导致用户程序对系统资源的越权访问，从而保障了系统的安全，稳定

当一个任务进程进行系统代码调用而陷入内核代码执行时，我们就称进程处于内核运行状态，简称内核态，此时处理器处于特权级别最高的（0）状态，内核代码中执行，当进程在执行用户自己的代码时，称其处于用户状态，简称用户态，此时处理器在特权最低（3）状态，处理器正在特权高的时候才能执行那些特权cpu指令

内核模块/驱动

通过系统调用可使用户空间访问内核空间，如果一个用户空间访问另一个用户空间该怎么办？我们首先想到的是通过内核添加支持，因为内核是共享的，传统的Linux机制比如Socket ，管道，都可以支持的，但是Binder并不是Linux内核的一部分，他是怎么做到访问内核空间的？Linux的动态可加载内核模块机制解决了这个问题，模块是具有独立功能的程序，他可以被单独编译，但不能独立运行，它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行，这样，Android 系统通过添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间通过这个模块作为桥梁，就可以完成通信。

在Android 系统中，这个运行在内核空间的，负责各个用户进程通过Binder通信的内核模块叫做Binder驱动

驱动程序一般指的是设备驱动程序，是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序，相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口才能操作硬件设备

驱动就是操作硬件的接口，为了支持Binder通信过程，binder使用了一种硬件，因此这个模块称之为驱动。

为什么使用Binder

Android 使用的Linux内核有很多种的跨进程通信的方式，那么为什么还要单独搞出一个Binder出来呢？主要有俩点，性能和安全，在移动设备上，广泛的使用跨进程通信肯定对通信体制本身提出了严格的要求；Binder相对于传统的Socket方式，更加高效，另外，传统 的进程通信方式对通信双方身份并没有做出严格的验证，只要在上层协议上进行架设，，比如Socket通信的ip地址是客户端手动输入的，可以进行伪造，而binder机制从协议本身就支持对通信双方的身份验证，从而大大提高了安全性，这个也是Android权限模型的基础。

Binder通信模型

Android 系统 Binder机制中的四个组件，Client，Server，ServerManager，和Binder驱动关系如下

1 Client ，Server，ServerManager，实现用户空间，Binder驱动程序实现在内核空间中

2 Binder驱动和ServerManager 在Android 平台已经实现，开发者只需要在用户空间实现自己的Client和Server

3 Binder驱动程序提供设备文件/dev/binder与用户空间交互，Client ，Server，ServerManager 通过open和ioctl文件操作函数与binder驱动程序进行通信。

4 Client和Server 进程通信通过binder驱动程序间接实现

5 ServerManager 是一个守护进程，用来管理Server，并像Client提供查询Server能力

6 ServerManager 建立，首先要有一个进程向驱动提出成为SM。驱动同意后，SM负责管理Server，不过现在是空的

7 各个Server向SM注册，每个Server端进程启动后，向SM报告，比如我是zhangsan，要找我请返回0X1234，其他Server亦是如此，这样SM就建立一张表，对应着Server的名字和地址

8 Client 要与Server通信，首先询问SM ，请告诉我如何联系zhangsan，SM收到后返回一地址0X1234，Client收到后就可以和Server通信

那么Binder驱动在干什么呢，Client和SM通信，Client和Server通信，Server和SM通信都是通过Binder驱动，驱动默默无闻，但做着最重要的工作，驱动是整个通信的核心，因此完成跨进程通信的秘密全部隐藏在驱动里面，这个稍后讨论

Binder机制跨进程原理

上文给出了Binder的通信模型，指出了通信过程的四个角色: Client, Server, SM, driver; 但是我们仍然不清楚Client到底是如何与Server完成通信的。

两个运行在用户空间的进程A和进程B如何完成通信呢？内核可以访问A和B的所有数据；所以，最简单的方式是通过内核做中转；假设进程A要给进程B发送数据，那么就先把A的数据copy到内核空间，然后把内核空间对应的数据copy到B就完成了；用户空间要操作内核空间，需要通过系统调用；刚好，这里就有两个系统调用：copy_from_user, copy_to_user。

但是，Binder机制并不是这么干的。讲这么一段，是说明进程间通信并不是什么神秘的东西。那么，Binder机制是如何实现跨进程通信的呢？

Binder驱动为我们做了一切。

假设Client进程想要调用Server进程的object对象的一个方法add;对于这个跨进程通信过程，我们来看看Binder机制是如何做的。 （通信是一个广泛的概念，只要一个进程能调用另外一个进程里面某对象的方法，那么具体要完成什么通信内容就很容易了。）

首先，Server进程要向SM注册；告诉自己是谁，自己有什么能力；在这个场景就是Server告诉SM，它叫zhangsan，它有一个object对象，可以执行add 操作；于是SM建立了一张表：zhangsan这个名字对应进程Server;

然后Client向SM查询：我需要联系一个名字叫做zhangsan的进程里面的object对象；这时候关键来了：进程之间通信的数据都会经过运行在内核空间里面的驱动，驱动在数据流过的时候做了一点手脚，它并不会给Client进程返回一个真正的object对象，而是返回一个看起来跟object一模一样的代理对象objectProxy，这个objectProxy也有一个add方法，但是这个add方法没有Server进程里面object对象的add方法那个能力；objectProxy的add只是一个傀儡，它唯一做的事情就是把参数包装然后交给驱动。(这里我们简化了SM的流程，见下文)

但是Client进程并不知道驱动返回给它的对象动过手脚，毕竟伪装的太像了，如假包换。Client开开心心地拿着objectProxy对象然后调用add方法；我们说过，这个add什么也不做，直接把参数做一些包装然后直接转发给Binder驱动。

驱动收到这个消息，发现是这个objectProxy；一查表就明白了：我之前用objectProxy替换了object发送给Client了，它真正应该要访问的是object对象的add方法；于是Binder驱动通知Server进程，调用你的object对象的add方法，然后把结果发给我，Sever进程收到这个消息，照做之后将结果返回驱动，驱动然后把结果返回给Client进程；于是整个过程就完成了。

由于驱动返回的objectProxy与Server进程里面原始的object是如此相似，给人感觉好像是直接把Server进程里面的对象object传递到了Client进程；因此，我们可以说Binder对象是可以进行跨进程传递的对象

但事实上我们知道，Binder跨进程传输并不是真的把一个对象传输到了另外一个进程；传输过程好像是Binder跨进程穿越的时候，它在一个进程留下了一个真身，在另外一个进程幻化出一个影子（这个影子可以很多个）；Client进程的操作其实是对于影子的操作，影子利用Binder驱动最终让真身完成操作。

理解这一点非常重要；务必仔细体会。另外，Android系统实现这种机制使用的是代理模式, 对于Binder的访问，如果是在同一个进程（不需要跨进程），那么直接返回原始的Binder实体；如果在不同进程，那么就给他一个代理对象（影子）；我们在系统源码以及AIDL的生成代码里面可以看到很多这种实现。

另外我们为了简化整个流程，隐藏了SM这一部分驱动进行的操作；实际上，由于SM与Server通常不在一个进程，Server进程向SM注册的过程也是跨进程通信，驱动也会对这个过程进行暗箱操作：SM中存在的Server端的对象实际上也是代理对象，后面Client向SM查询的时候，驱动会给Client返回另外一个代理对象。Sever进程的本地对象仅有一个，其他进程所拥有的全部都是它的代理。

一句话总结就是：Client进程只不过是持有了Server端的代理；代理对象协助驱动完成了跨进程通信。

Binder到底是什么？

Binder对于使用者来言，Server端的Binder和Client端的Binder 没有任何区别，一个Binder对象就代表了所有，不用关心实现的细节，甚至不用关心Binder驱动和SM的存在，这就是抽象

1 通常意义上讲，Binder是指的一种通信机制，我们说的aidl使用Binder进行通信，指的就是这种Binder的IPC机制

2 对于Server进程来说，Binder指的是Binder本地对象

3 对于Client进程来说，Binder指的是Binder代理对象，他只是Binder本地对象的一个远程代理，对这个Binder代理对象进行操作，会通过驱动最终发送到Binder本地对象去完成，对一个拥有Binder对象使用者来说，它无需关心Binder是代理还是本地，对于代理对象和本地对象操作并没有区别。

4 对于传输过程来言，Binder是可以进行跨进程传递的对象，Binder驱动会对具有跨进程传递的能力的对象进行处理，自动完成代理对象和本地对象的转换。

驱动里的Binder

我们现在知道，Server里的Binder指的是Binder本地对象，Client里的Binder指的是Binder代理对象，Binder在进行跨进程传递的时候，Binder驱动自动完成这俩种类型的转换，因此，Binder驱动必然保存了每一个，跨进程Binder对象的信息，在驱动中，Binder本地对象的代表是

深入理解Java层的Binder

IBinder/IInterface/Binder/BinderProxy/Stub

我们使用AIDL接口的时候，经常会接触到这些类，那么这每个类代表的是什么呢？

1 IBinder是一个接口 ，他代表的是一种跨进程通信的能力，只要实现了这个接口，就能让这个对象进行跨进程传递，这是驱动底层支持的，跨进程数据流经驱动的时候，驱动会识别IBinder类型的数据，从而完成本地Binder和代理Binder的转换

2 IBinder负责数据传输，那么Client和Server的调用契约是什么呢？这里的IInterface代表的就是远程Server有什么能力，具体来说就是aidl里面的接口。

3 java层的Binder其实就是代表的本地Binder，BinderProxy是Binder的内部类，它代表远程进程的Binder的本地代理，俩个都继承IBinder，所以都具有跨进程通信的能力。在跨越进程的时候，Binder驱动会自动完成俩个对象的装换。在Client进程

onServiceConnected 这个方法返回的Binder指的是BinderProxy。复制代码

4 在使用aidl的时候，编译工具会给我们生成一个Stub的静态内部类，这个类继承了Binder，说明他是一个Binder本地对象，他实现了IInterface接口，说明他远程Server的能力，具体的IInterface相关需要我们自己去实现。

aidl的过程分析

现在我们通过一个aidl的使用，来分析整个通信过程中，各个角色到底做了什么，aidl到底是如何完成通信的。

首先定一个一个简单的aidl接口：

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// ICompute.aidl
package com.example.test.app;
interface ICompute {int add(int a, int b);
}
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然后用编译工具编译之后，可以得到对应的ICompute.java类，看看系统给我们生成的代码：

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package com.example.test.app;public interface ICompute extends android.os.IInterface {/*** Local-side IPC implementation stub class.*/public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.example.test.app.ICompute {private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.example.test.app.ICompute";/*** Construct the stub at attach it to the interface.*/public Stub() {this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);}/*** Cast an IBinder object into an com.example.test.app.ICompute interface,* generating a proxy if needed.*/public static com.example.test.app.ICompute asInterface(android.os.IBinder obj) {if ((obj == null)) {return null;}android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.test.app.ICompute))) {return ((com.example.test.app.ICompute) iin);}return new com.example.test.app.ICompute.Stub.Proxy(obj);}@Overridepublic 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_add: {data.enforceInterface(DESCRIPTOR);int _arg0;_arg0 = data.readInt();int _arg1;_arg1 = data.readInt();int _result = this.add(_arg0, _arg1);reply.writeNoException();reply.writeInt(_result);return true;}}return super.onTransact(code, data, reply, flags);}private static class Proxy implements com.example.test.app.ICompute {private android.os.IBinder mRemote;Proxy(android.os.IBinder remote) {mRemote = remote;}@Overridepublic android.os.IBinder asBinder() {return mRemote;}public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {return DESCRIPTOR;}/*** Demonstrates some basic types that you can use as parameters* and return values in AIDL.*/@Overridepublic int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException {android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();int _result;try {_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);_data.writeInt(a);_data.writeInt(b);mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);_reply.readException();_result = _reply.readInt();} finally {_reply.recycle();_data.recycle();}return _result;}}static final int TRANSACTION_add = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);}/*** Demonstrates some basic types that you can use as parameters* and return values in AIDL.*/public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException;
}
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系统帮我们生成了这个文件之后，我们只需要继承ICompute.Stub这个抽象类，实现它的方法，然后在Service 的onBind方法里面返回就实现了AIDL。这个Stub类非常重要，具体看看它做了什么。

Stub继承自Binder，这就表明这个Stub是Binder本地对象，然后实现了ICompute接口，IComputer实现了IInterface，因此他携带Client需要的功能（这里是add），此类每部有一个proxy，也就是BinderProxy。

然后看看asInterface方法，看一下这个方法做了什么

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/*** Cast an IBinder object into an com.example.test.app.ICompute interface,* generating a proxy if needed.*/
public static com.example.test.app.ICompute asInterface(android.os.IBinder obj) {if ((obj == null)) {return null;}android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.test.app.ICompute))) {return ((com.example.test.app.ICompute) iin);}return new com.example.test.app.ICompute.Stub.Proxy(obj);
}复制代码

先看函数的参数 IBinder obj 这个是驱动给我们的，就是我们bind 一个service后onServiceConnected方法给我们的Binder，

我们在来看看add方法的实现，在stub里面add是一个抽象方法，我么那些需要继承这个类去实现他，如果Client和Server是同一个进程，就直接调用这个方法，如果不是一个进程，这中间发生了什么 ，Client是如何调用Server方法的。

我们知道，远程调用需要用BinderProxy去完成的，这里面的Proxy就是，Proxy里的add如下

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Override
public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException {android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();int _result;try {_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);_data.writeInt(a);_data.writeInt(b);mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);_reply.readException();_result = _reply.readInt();} finally {_reply.recycle();_data.recycle();}return _result;
}复制代码

它首先用Parcel把数据序列化了，然后调用了transact方法；这个transact到底做了什么呢？这个Proxy类在asInterface方法里面被创建，前面提到过，如果是Binder代理那么说明驱动返回的IBinder实际是BinderProxy, 因此我们的Proxy类里面的mRemote实际类型应该是BinderProxy；通过BinderProxy的transcact方法，把需要调用的方法，方法需要参数，方法的返回值都一同传给驱动，这时通信就交给驱动来完成了，这时Client就陷入内核态，Client进程add方法挂起等待返回，驱动经过一系列操作后唤醒Server进程，调用Server进程本地对象的onTranscact方法(由Server端线程池完成)，我们再看Binder本地对象的onTranscact方法：

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@Override
public 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_add: {data.enforceInterface(DESCRIPTOR);int _arg0;_arg0 = data.readInt();int _arg1;_arg1 = data.readInt();int _result = this.add(_arg0, _arg1);reply.writeNoException();reply.writeInt(_result);return true;}}return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}
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在Server进程里面，onTransact根据调用号（每个aidl都有一个编号，在跨进程的时候，不会传递函数，而是传递函数编号代表调用的是哪个函数）调用相关函数，在这个例子里面，调用了Binder本地对象的add方法，这个方法把结果返回给驱动，驱动唤起Client进程里面的线程，并把结果返回，于是一次进程调用就完成了。

至此，你应该对aidl里面，各个类和各个角色有一定的了解，他总是一种固定的模式，一个需要跨进程传递的对象，一定继承自Binder，如果是IBinder本地对象，一定实现了IInterface接口，如果是代理对象，一定是实现了IInterface接口，并持有IBinder对象引用.

Proxy和Stub不同，虽然都即是IInterface有是IBinder，不同的是stub采用继承（is IBinder），Proxy采用是组合（has IBinder），他们均实现了IInterface所有函数，不同的是，stub使用了策略模式虚函数，让子类实现函数，而Proxy使用了组合模式，为什么stub采用继承，而Proxy采用组合？事实上stub本身就是一个Binder，它本身就是一个能跨越进程边界传输的对象，所以它得继承IBinder实现transact这个函数从而得到跨越进程的能力（这个能力由驱动赋予）。Proxy类使用组合，是因为他不关心自己是什么，它也不需要跨越进程传输，它只需要拥有这个能力即可，要拥有这个能力，只需要保留一个对IBinder的引用。如果把这个过程做一个类比，在封建社会，Stub好比皇帝，可以号令天下，他生而具有这个权利（不要说宣扬封建迷信。。）如果一个人也想号令天下，可以，“挟天子以令诸侯”。为什么不自己去当皇帝，其一，一般情况没必要，当了皇帝其实限制也蛮多的是不是？我现在既能掌管天下，又能不受约束（Java单继承）；其二，名不正言不顺啊，我本来特么就不是（Binder），你非要我是说不过去，搞不好还会造反。最后呢，如果想当皇帝也可以，那就是asBinder了。在Stub类里面，asBinder返回this，在Proxy里面返回的是持有的组合类IBinder的引用。

再去翻阅系统的ActivityManagerServer的源码，就知道哪一个类是什么角色了：IActivityManager是一个IInterface，它代表远程Service具有什么能力，ActivityManagerNative指的是Binder本地对象（类似AIDL工具生成的Stub类），这个类是抽象类，它的实现是ActivityManagerService；因此对于AMS的最终操作都会进入ActivityManagerService这个真正实现；同时如果仔细观察，ActivityManagerNative.java里面有一个非公开类ActivityManagerProxy, 它代表的就是Binder代理对象；是不是跟AIDL模型一模一样呢？那么ActivityManager是什么？他不过是一个管理类而已，可以看到真正的操作都是转发给ActivityManagerNative进而交给他的实现ActivityManagerService 完成的。，

参考 ：Binder学习指南

Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划