02.Android之IPC机制问题

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02.Android之IPC机制问题

潇湘剑雨 2019-01-07 13:11:41 浏览2551
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目录介绍

  • 2.0.0.1 什么是Binder?为什么要使用Binder?Binder中是如何进行线程管理的?总结binder讲的是什么?
  • 2.0.0.2 Android中进程和线程的关系?什么是IPC?为何需要进行IPC?多进程通信可能会出现什么问题?
  • 2.0.0.3 Binder的工作流程是怎样的?Binder主要能提供哪些功能?Binder通信机制原理是怎样的?
  • 2.0.0.4 Android中为何新增Binder来作为主要的IPC方式?Binder运行机制是怎样的?Binder机制有什么优势?
  • 2.0.0.5 Android中跨进程通讯的几种方式?实际开发中,有哪些场景使用Binder进行数据传输?
  • 2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式?简单对比下?
  • 2.0.0.7 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效?为何说Binder相比传统IPC安全性更高?
  • 2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的?Server和Client是如何获得Service Manager接口的?

好消息

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2.0.0.1 什么是Binder?为什么要使用Binder?Binder中是如何进行线程管理的?总结binder讲的是什么?

  • 什么是Binder?

    • 1.直观来说,Binder是Android中的一个类,它继承了IBinder接口
    • 2.从IPC角度来说,Binder是Android中的一种跨进程通信方式,Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备,它的设备驱动是/dev/binder,该通信方式在linux中没有
    • 3.从Android Framework角度来说,Binder是ServiceManager连接各种Manager(ActivityManager、WindowManager,etc)和相应ManagerService的桥梁
    • 4.从Android应用层来说,Binder是客户端和服务端进行通信的媒介,当你bindService的时候,服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象,通过这个Binder对象,客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据,这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务。
  • 为什么要使用Binder?技术博客大总结

    • 在传统的Linux上,我们还是有很多选择可以用来实现进程间通信,如管道、SystemV、Socket等。那么Android为什么不使用这些原有的技术,而是要使开发一种新的叫Binder的进程间通信机制呢?
    • 最简单的回答:性能:相比传统的Socket更高效;安全:安全性高,支持通信双方进行身份验证。
    • 详细一点说,主要有两个方面的原因:

      • 性能方面

        • 在移动设备上(性能受限制的设备,比如要省电),广泛地使用跨进程通信对通信机制的性能有严格的要求,Binder相对出传统的Socket方式,更加高效。Binder数据拷贝只需要一次,而管道、消息队列、Socket都需要2次,共享内存方式一次内存拷贝都不需要,但实现方式又比较复杂。
      • 安全方面

        • 传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证,比如Socket通信ip地址是客户端手动填入,很容易进行伪造,而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检,因而大大提升了安全性。
      • 还有一些好处,如实现面象对象的调用方式,在使用Binder时就和调用一个本地实例一样。
  • Binder中是如何进行线程管理的?

    • 每个Binder的Server进程会创建很多线程来处理Binder请求,可以简单的理解为创建了一个Binder的线程池吧(虽然实际上并不完全是这样简单的线程管理方式),而真正管理这些线程并不是由这个Server端来管理的,而是由Binder驱动进行管理的。
    • 一个进程的Binder线程数默认最大是16,超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。理解这一点的话,你做进程间通信时处理并发问题就会有一个底,比如使用ContentProvider时(又一个使用Binder机制的组件),你就很清楚它的CRUD(创建、检索、更新和删除)方法只能同时有16个线程在跑。
  • 总结binder讲的是什么?

    • 通常意义上来说,Binder就是指Andriod的通信机制;
    • 对于服务端进程来说,Binder指的是Binder本地对象,对于客户端进程来说,Binder指的是Binder代理对象。
    • 对于传输过程来说,Binder是可以进行跨进程传递的对象;

2.0.0.2 Android中进程和线程的关系?什么是IPC?为何需要进行IPC?多进程通信可能会出现什么问题?

  • Android中进程和线程的关系?

    • 一个APP一般对应一个进程和有限个线程

      • 一般对应一个进程,当然,可以在AndroidMenifest中给四大组件指定属性android:process开启多进程模式
      • 有限个线程:线程是一种受限的系统资源,不可无限制的产生且线程的创建和销毁都有一定的开销。
  • 什么是IPC?
  • 为何需要进行IPC?

    • 进程间通信的必要性
    • 所有运行在不同进程的四大组件,只要它们之间需要通过内存在共享数据,都会共享失败。这是由于Android为每个应用分配了独立的虚拟机,不同的虚拟机在内存分配上有不同的地址空间,这会导致在不同的虚拟机中访问同一个类的对象会产生多份副本。技术博客大总结
  • 多进程造成的影响可总结为以下四方面

    • 静态变量和单例模式失效:由独立的虚拟机造成
    • 线程同步机制失效:由独立的虚拟机造成
    • SharedPreference的不可靠下降:不支持两个进程同时进行读写操作,即不支持并发读写,有一定几率导致数据丢失
    • Application多次创建:Android系统会为新的进程分配独立虚拟机,相当于系统又把这个应用重新启动了一次。

2.0.0.3 Binder的工作流程是怎样的?Binder主要能提供哪些功能?Binder通信机制原理是怎样的?

  • Binder的工作流程是怎样的?

    • 1客户端首先获取服务器端的代理对象。所谓的代理对象实际上就是在客户端建立一个服务端的“引用”,该代理对象具有服务端的功能,使其在客户端访问服务端的方法就像访问本地方法一样。
    • 2客户端通过调用服务器代理对象的方式向服务器端发送请求。
    • 3代理对象将用户请求通过Binder驱动发送到服务器进程。
    • 4服务器进程处理用户请求,并通过Binder驱动返回处理结果给客户端的服务器代理对象。
    • 5客户端收到服务端的返回结果。
  • binder工作流程图如下所示:

    • image
  • Binder主要能提供哪些功能?

    • 用驱动程序来推进进程间的通信。
    • 通过共享内存来提高性能。
    • 为进程请求分配每个进程的线程池。
    • 针对系统中的对象引入了引用计数和跨进程的对象引用映射。
    • 进程间同步调用。
  • Binder通信机制原理是怎样的?

    • image
    • Server进程向ServiceManager注册,告诉ServiceManager我是谁,我有什么,我能做什么。就好比徐同学(Server进程)有一台笔记本(computer对象),这台笔记本有个add方法。这时映射关系表就生成了。技术博客大总结
    • Client进程向ServiceManager查询,我要调用Server进程的computer对象的add方法,可以看到这个过程经过Binder驱动,这时候Binder驱动就开始发挥他的作用了。当向ServiceManager查询完毕,是返回一个computer对象给Client进程吗?其实不然,Binder驱动将computer对象转换成了computerProxy对象,并转发给了Client进程,因此,Client进程拿到的并不是真实的computer对象,而是一个代理对象,即computerProxy对象。很容易理解这个computerProxy对象也是有add方法,(如果连add方法都没有,岂不是欺骗了Client?),但是这个add方法只是对参数进行一些包装而已。
    • 当Client进程调用add方法,这个消息发送给Binder驱动,这时驱动发现,原来是computerProxy,那么Client进程应该是需要调用computer对象的add方法的,这时驱动通知Server进程,调用你的computer对象的add方法,将结果给我。然后Server进程就将计算结果发送给驱动,驱动再转发给Client进程,这时Client进程还蒙在了鼓里,他以为自己调用的是真实的computer对象的add方法,其实他只是调用了代理而已。不过Client最终还是拿到了计算结果。

2.0.0.4 Android中为何新增Binder来作为主要的IPC方式?Binder运行机制是怎样的?Binder机制有什么优势?

  • Binder运行机制是怎样的?

    • Binder基于Client-Server通信模式,除了Client端和Server端,还有两角色一起合作完成进程间通信功能。
    • Binder通信的四个角色:

      • Client进程:使用服务的进程。
      • Server进程:提供服务的进程。
      • ServiceManager进程:ServiceManager的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用,使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。
      • Binder驱动:驱动负责进程之间Binder通信的建立,Binder在进程之间的传递,Binder引用计数管理,数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。
    • 接触这些概念可能会觉得难于理解,读者可以把四个角色和熟悉的互联网进行类比:Server是服务器,Client是客户终端,ServiceManager是域名服务器(DNS),驱动是路由器。
  • Binder机制有什么优势

    • 传输效率高、可操作性强:传输效率主要影响因素是内存拷贝的次数,拷贝次数越少,传输速率越高。从Android进程架构角度分析:对于消息队列、Socket和管道来说,数据先从发送方的缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中,再从内核缓存区拷贝到接收方的缓存区,一共两次拷贝
    • 技术博客大总结
    • 对于Binder来说,数据从发送方的缓存区拷贝到内核的缓存区,而接收方的缓存区与内核的缓存区是映射到同一块物理地址的,节省了一次数据拷贝的过程
    • 由于共享内存操作复杂,综合来看,Binder的传输效率是最好的。
    • 实现C/S架构方便:Linux的众IPC方式除了Socket以外都不是基于C/S架构,而Socket主要用于网络间的通信且传输效率较低。Binder基于C/S架构 ,Server端与Client端相对独立,稳定性较好。
    • 安全性高: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Binder机制为每个进程分配了UID/PID且在Binder通信时会根据UID/PID进行有效性检测。

2.0.0.5 Android中跨进程通讯的几种方式?实际开发中,有哪些场景使用Binder进行数据传输?

  • Android中跨进程通讯的几种方式?

    • Android 跨进程通信,像intent,contentProvider,广播,service都可以跨进程通信。

      • intent:这种跨进程方式并不是访问内存的形式,它需要传递一个uri,比如说打电话。
      • contentProvider:这种形式,是使用数据共享的形式进行数据共享。
      • service:远程服务,aidl
      • 广播技术博客大总结
  • 实际开发中,有哪些场景使用Binder进行数据传输?

    • 通过AIDL实现方式解释Binder数据传输的具体过程

      • 服务端中的Service给与其绑定的客户端提供Binder对象,客户端通过AIDL接口中的asInterface()将这个Binder对象转换为代理Proxy,并通过它发起RPC请求。客户端发起请求时会挂起当前线程,并将参数写入data然后调用transact(),RPC请求会通过系统底层封装后由服务端的onTransact()处理,并将结果写入reply,最后返回调用结果并唤醒客户端线程。
    • AIDL原理是什么?如何优化多模块都使用AIDL的情况?

      • AIDL(Android Interface Definition Language,Android接口定义语言):如果在一个进程中要调用另一个进程中对象的方法,可使用AIDL生成可序列化的参数,AIDL会生成一个服务端对象的代理类,通过它客户端实现间接调用服务端对象的方法。
      • AIDL的本质是系统提供了一套可快速实现Binder的工具。关键类和方法:
      AIDL接口:继承IInterface。
      Stub类:Binder的实现类,服务端通过这个类来提供服务。
      Proxy类:服务器的本地代理,客户端通过这个类调用服务器的方法。
      asInterface():客户端调用,将服务端的返回的Binder对象,转换成客户端所需要的AIDL接口类型对象。返回对象:
          若客户端和服务端位于同一进程,则直接返回Stub对象本身;
          否则,返回的是系统封装后的Stub.proxy对象。
      asBinder():根据当前调用情况返回代理Proxy的Binder对象。
      onTransact():运行服务端的Binder线程池中,当客户端发起跨进程请求时,远程请求会通过系统底层封装后交由此方法来处理。
      transact():运行在客户端,当客户端发起远程请求的同时将当前线程挂起。之后调用服务端的onTransact()直到远程请求返回,当前线程才继续执行。
      • 当有多个业务模块都需要AIDL来进行IPC,此时需要为每个模块创建特定的aidl文件,那么相应的Service就会很多。必然会现系统资源耗费严重、应用过度重量级的问题。解决办法是建立Binder连接池,即将每个业务模块的Binder请求统一转发到一个远Service中去执行,从而避免重复创建Service。
      • 工作原理:每个业务模块创建自己的AIDL接口并实现此接口,然后向服务端提供自己的唯一标识和其对应的Binder对象。服务端只需要一个Service,服务器提供一个queryBinder接口,它会根据业务模块的特征来返回相应的Binder对像,不同的业务模块拿到所需的Binder对象后就可进行远程方法的调用了。

2.0.0.6 Android中有哪些基于Binder的IPC方式?简单对比下?

  • image

2.0.0.7 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效?为何说Binder相比传统IPC安全性更高?

  • 为何说Binder相比传统的Socket性能更高效?

    • 跨进程通讯中,只有socket支持Client-Server的通信方式,但是socket作为一款通用接口,其传输效率低,开销大,主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。
    • 消息队列和管道采用存储-转发方式,即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中,然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区,至少有两次拷贝过程。
    • 共享内存虽然无需拷贝,但控制复杂,难以使用。
  • 为何说Binder相比传统IPC安全性更高?

    • 首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID和PID(用户ID进程ID),从而无法鉴别对方身份。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。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID,但这样不可靠,容易被恶意程序利用。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。比如命名管道的名称,systemV的键值,socket的ip地址或文件名都是开放的,只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接,不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。
    • 基于以上原因,Android需要建立一套新的IPC机制来满足系统对通信方式,传输性能和安全性的要求,这就是Binder。
    • Binder基于Client-Server通信模式,传输过程只需一次拷贝,为发送发添加UID/PID身份,既支持实名Binder也支持匿名Binder,安全性高。技术博客大总结

2.0.0.8 Service Manager是如何成为一个守护进程的?Server和Client是如何获得Service Manager接口的?

  • Service Manager是如何成为一个守护进程的?

    • Service Manager,它是整个Binder机制的守护进程,用来管理开发者创建的各种Server,并且向Client提供查询Server远程接口的功能技术博客大总结
    • 既然Service Manager组件是用来管理Server并且向Client提供查询Server远程接口的功能,那么,Service Manager就必然要和Server以及Client进行通信了。我们知道,Service Manger、Client和Server三者分别是运行在独立的进程当中,这样它们之间的通信也属于进程间通信了,而且也是采用Binder机制进行进程间通信,因此,Service Manager在充当Binder机制的守护进程的角色的同时,也在充当Server的角色,然而,它是一种特殊的Server,下面我们将会看到它的特殊之处
    • Service Manager在用户空间的源代码位于frameworks/base/cmds/servicemanager目录下,主要是由binder.h、binder.c和service_manager.c三个文件组成。Service Manager的入口位于service_manager.c文件中的main函数:

      int main(int argc, char **argv){
          struct binder_state *bs;
          void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;
          bs = binder_open(128*1024);
          if (binder_become_context_manager(bs)) {
              LOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
              return -1;
          }
          svcmgr_handle = svcmgr;
          binder_loop(bs, svcmgr_handler);
          return 0;
      }
    • main函数主要有三个功能:一是打开Binder设备文件;二是告诉Binder驱动程序自己是Binder上下文管理者,即我们前面所说的守护进程;三是进入一个无穷循环,充当Server的角色,等待Client的请求
  • Server和Client是如何获得Service Manager接口的?

    • ServiceManager作为守护进程,Service Manager的职责当然就是为Server和Client服务了。那么,Server和Client如何获得Service Manager接口,进而享受它提供的服务呢?
    • Service Manager在Binder机制中既充当守护进程的角色,同时它也充当着Server角色,然而它又与一般的Server不一样。对于普通的Server来说,Client如果想要获得Server的远程接口,那么必须通过Service Manager远程接口提供的getService接口来获得,这本身就是一个使用Binder机制来进行进程间通信的过程。而对于Service Manager这个Server来说,Client如果想要获得Service Manager远程接口,却不必通过进程间通信机制来获得,因为Service Manager远程接口是一个特殊的Binder引用,它的引用句柄一定是0。
    • 经过一系列的调用...
    • 回到defaultServiceManager函数中,最终结果为:gDefaultServiceManager = new BpServiceManager(new BpBinder(0));
    • 这样,Service Manager远程接口就创建完成了,它本质上是一个BpServiceManager,包含了一个句柄值为0的Binder引用。技术博客大总结
  • 在Android系统的Binder机制中,Server和Client拿到这个Service Manager远程接口之后怎么用呢?

    • 对Server来说,就是调用IServiceManager::addService这个接口来和Binder驱动程序交互了,即调用BpServiceManager::addService 。而BpServiceManager::addService又会调用通过其基类BpRefBase的成员函数remote获得原先创建的BpBinder实例,接着调用BpBinder::transact成员函数。在BpBinder::transact函数中,又会调用IPCThreadState::transact成员函数,这里就是最终与Binder驱动程序交互的地方了。回忆一下前面的类图,IPCThreadState有一个PorcessState类型的成中变量mProcess,而mProcess有一个成员变量mDriverFD,它是设备文件/dev/binder的打开文件描述符,因此,IPCThreadState就相当于间接在拥有了设备文件/dev/binder的打开文件描述符,于是,便可以与Binder驱动程序交互了。
    • 对Client来说,就是调用IServiceManager::getService这个接口来和Binder驱动程序交互了。具体过程上述Server使用Service Manager的方法是差不多的。

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