Android Binder机制原理
原文：Android Binder机制原理（史上最强理解，没有之一）（转）
Android Binder设计与实现
Binder系列—开篇
Binder系列2—Binder Driver再探
简介
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。
面向对象的 Binder IPC
Binder使用Client-Server通信方式：一个进程作为Server提供诸如视频/音频解码，视频捕获，地址本查询，网络连接等服务；多个进程作为Client向Server发起服务请求，获得所需要的服务。
要想实现Client-Server通信据必须实现以下两点：
- server必须有确定的访问接入点或者说地址来接受Client的请求，并且Client可以通过某种途径获知Server的地址；
- 制定Command-Reply协议来传输数据。
例如在网络通信中Server的访问接入点就是Server主机的IP地址+端口号，传输协议为TCP协议。
对Binder而言，Binder可以看成Server提供的实现某个特定服务的访问接入点， Client通过这个‘地址’向Server发送请求来使用该服务；对Client而言，Binder可以看成是通向Server的管道入口，要想和某个Server通信首先必须建立这个管道并获得管道入口。
Binder 通信模型
Binder框架定义了四个角色：Server，Client，ServiceManager（以后简称SMgr）以及Binder驱动。其中Server，Client，SMgr运行于用户空间，驱动运行于内核空间。
这四个角色的关系和互联网类似：Server是服务器，Client是客户终端，SMgr是域名服务器（DNS），驱动是路由器。
Binder 驱动
和路由器一样，Binder驱动虽然默默无闻，却是通信的核心。尽管名叫‘驱动’，实际上和硬件设备没有任何关系，只是实现方式和设备驱动程序是一样的。
它工作于内核态，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。
ServiceManager 与实名Binder
和DNS类似，SMgr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。注册了名字的Binder叫实名Binder，就象每个网站除了有IP地址外还有自己的网址。Server创建了Binder实体，为其取一个字符形式，可读易记的名字，将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给SMgr，通知SMgr注册一个名叫张三的Binder，它位于某个Server中。驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于内核中的实体节点以及SMgr对实体的引用，将名字及新建的引用打包传递给SMgr。SMgr收数据包后，从中取出名字和引用填入一张查找表中。
细心的读者可能会发现其中的蹊跷：SMgr是一个进程，Server是另一个进程，Server向SMgr注册Binder必然会涉及进程间通信。当前实现的是进程间通信却又要用到进程间通信，这就好象蛋可以孵出鸡前提却是要找只鸡来孵蛋。
Binder的实现比较巧妙：预先创造一只鸡来孵蛋：SMgr和其它进程同样采用Binder通信，SMgr是Server端，有自己的Binder对象（实体），其它进程都是Client，需要通过这个Binder的引用来实现Binder的注册，查询和获取。SMgr提供的Binder比较特殊，它没有名字也不需要注册，当一个进程使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令将自己注册成SMgr时Binder驱动会自动为它创建Binder实体（这就是那只预先造好的鸡）。
其次这个Binder的引用在所有Client中都固定为0而无须通过其它手段获得。
也就是说，一个Server若要向SMgr注册自己Binder就必需通过0这个引用号和SMgr的Binder通信。类比网络通信，0号引用就好比域名服务器的地址，你必须预先手工或动态配置好。
要注意这里说的Client是相对SMgr而言的，一个应用程序可能是个提供服务的Server，但对SMgr来说它仍然是个Client。
Client获得实名Binder的引用
Server向SMgr注册了Binder实体及其名字后，Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Client也利用保留的0号引用向SMgr请求访问某个Binder：我申请获得名字叫张三的Binder的引用。SMgr收到这个连接请求，从请求数据包里获得Binder的名字，在查找表里找到该名字对应的条目，从条目中取出Binder的引用，将该引用作为回复发送给发起请求的Client。
从面向对象的角度，这个Binder对象现在有了两个引用：一个位于SMgr中，一个位于发起请求的Client中。如果接下来有更多的Client请求该Binder，系统中就会有更多的引用指向该Binder，就象java里一个对象存在多个引用一样。而且类似的这些指向Binder的引用是强类型，从而确保只要有引用Binder实体就不会被释放掉。
通过以上过程可以看出，SMgr象个火车票代售点，收集了所有火车的车票，可以通过它购买到乘坐各趟火车的票-得到某个Binder的引用。
匿名 Binder
并不是所有Binder都需要注册给SMgr广而告之的。Server端可以通过已经建立的Binder连接将创建的Binder实体传给Client，当然这条已经建立的Binder连接必须是通过实名Binder实现。由于这个Binder没有向SMgr注册名字，所以是个匿名Binder。Client将会收到这个匿名Binder的引用，通过这个引用向位于Server中的实体发送请求。匿名Binder为通信双方建立一条私密通道，只要Server没有把匿名Binder发给别的进程，别的进程就无法通过穷举或猜测等任何方式获得该Binder的引用，向该Binder发送请求。
Binder协议（略）
Binder表述
考察一次Binder通信的全过程会发现，Binder存在于系统以下几个部分中：
1 | · 应用程序进程：分别位于Server进程和Client进程中 |
在系统不同部分，Binder实现的功能不同，表现形式也不一样。接下来逐一探讨Binder在各部分所扮演的角色和使用的数据结构。
略。。。
Binder内存映射和接收缓存区管理
binder_mmap实现
虚拟进程地址空间(vm_area_struct)和虚拟内核地址空间(vm_struct)都映射到同一块物理内存空间。当Client端与Server端发送数据时，Client（作为数据发送端）先从自己的进程空间把IPC通信数据copy_from_user拷贝到内核空间，而Server端（作为数据接收端）与内核共享数据，不再需要拷贝数据，而是通过内存地址空间的偏移量，即可获悉内存地址，整个过程只发生一次内存拷贝。
对于进程和内核虚拟地址映射到同一个物理内存的操作是发生在数据接收端，而数据发送端还是需要将用户态的数据复制到内核态。到此，可能有读者会好奇，为何不直接让发送端和接收端直接映射到同一个物理空间，那样就连一次复制的操作都不需要了，0次复制操作那就与Linux标准内核的共享内存的IPC机制没有区别了，对于共享内存虽然效率高，但是对于多进程的同步问题比较复杂，而管道/消息队列等IPC需要复制2两次，效率较低。这里就不先展开讨论Linux现有的各种IPC机制跟Binder的详细对比，总之Android选择Binder的基于速度和安全性的考虑。下面这图是从Binder在进程间数据通信的流程图，从图中更能明了Binder的内存转移关系。
内存映射和接收缓存区管理
Binder采用一种全新策略：由Binder驱动负责管理数据接收缓存。我们注意到Binder驱动实现了mmap()系统调用，这对字符设备是比较特殊的，因为mmap()通常用在有物理存储介质的文件系统上，而象Binder这样没有物理介质，纯粹用来通信的字符设备没必要支持mmap()。Binder驱动当然不是为了在物理介质和用户空间做映射，而是用来创建数据接收的缓存空间。先看mmap()是如何使用的：
1 | fd = open("/dev/binder", O_RDWR); |
这样Binder的接收方就有了一片大小为MAP_SIZE的接收缓存区。mmap()的返回值是内存映射在用户空间的地址，不过这段空间是由驱动管理，用户不必也不能直接访问（映射类型为PROT_READ，只读映射）。
接收缓存区映射好后就可以做为缓存池接收和存放数据了。前面说过，接收数据包的结构为binder_transaction_data，但这只是消息头，真正的有效负荷位于data.buffer所指向的内存中。这片内存不需要接收方提供，恰恰是来自mmap()映射的这片缓存池。在数据从发送方向接收方拷贝时，驱动会根据发送数据包的大小，使用最佳匹配算法从缓存池中找到一块大小合适的空间，将数据从发送缓存区复制过来。
要注意的是，存放binder_transaction_data结构本身以及表4中所有消息的内存空间还是得由接收者提供，但这些数据大小固定，数量也不多，不会给接收方造成不便。映射的缓存池要足够大，因为接收方的线程池可能会同时处理多条并发的交互，每条交互都需要从缓存池中获取目的存储区，一旦缓存池耗竭将产生导致无法预期的后果。
有分配必然有释放。接收方在处理完数据包后，就要通知驱动释放data.buffer所指向的内存区。在介绍Binder协议时已经提到，这是由命令BC_FREE_BUFFER完成的。
通过上面介绍可以看到，驱动为接收方分担了最为繁琐的任务：分配/释放大小不等，难以预测的有效负荷缓存区，而接收方只需要提供缓存来存放大小固定，最大空间可以预测的消息头即可。
在效率上，由于mmap()分配的内存是映射在接收方用户空间里的，所以总体效果就相当于对有效负荷数据做了一次从发送方用户空间到接收方用户空间的直接数据拷贝，省去了内核中暂存这个步骤，提升了一倍的性能。
顺便再提一点，Linux内核实际上没有从一个用户空间到另一个用户空间直接拷贝的函数，需要先用copy_from_user()拷贝到内核空间，再用copy_to_user()拷贝到另一个用户空间。为了实现用户空间到用户空间的拷贝，mmap()分配的内存除了映射进了接收方进程里，还映射进了内核空间。所以调用copy_from_user()将数据拷贝进内核空间也相当于拷贝进了接收方的用户空间，这就是Binder只需一次拷贝的‘秘密’。
Binder 接收线程管理
Binder通信实际上是位于不同进程中的线程之间的通信。假如进程S是Server端，提供Binder实体，线程T1从Client进程C1中通过Binder的引用向进程S发送请求。S为了处理这个请求需要启动线程T2，而此时线程T1处于接收返回数据的等待状态。T2处理完请求就会将处理结果返回给T1，T1被唤醒得到处理结果。
在这过程中，T2仿佛T1在进程S中的代理，代表T1执行远程任务，而给T1的感觉就是象穿越到S中执行一段代码又回到了C1。为了使这种穿越更加真实，驱动会将T1的一些属性赋给T2，特别是T1的优先级nice，这样T2会使用和T1类似的时间完成任务。很多资料会用‘线程迁移’来形容这种现象，容易让人产生误解。一来线程根本不可能在进程之间跳来跳去，二来T2除了和T1优先级一样，其它没有相同之处，包括身份，打开文件，栈大小，信号处理，私有数据等。
对于Server进程S，可能会有许多Client同时发起请求，为了提高效率往往开辟线程池并发处理收到的请求。怎样使用线程池实现并发处理呢？这和具体的IPC机制有关。拿socket举例，Server端的socket设置为侦听模式，有一个专门的线程使用该socket侦听来自Client的连接请求，即阻塞在accept()上。这个socket就象一只会生蛋的鸡，一旦收到来自Client的请求就会生一个蛋 – 创建新socket并从accept()返回。侦听线程从线程池中启动一个工作线程并将刚下的蛋交给该线程。后续业务处理就由该线程完成并通过这个单与Client实现交互。
可是对于Binder来说，既没有侦听模式也不会下蛋，怎样管理线程池呢？一种简单的做法是，不管三七二十一，先创建一堆线程，每个线程都用BINDER_WRITE_READ命令读Binder。这些线程会阻塞在驱动为该Binder设置的等待队列上，一旦有来自Client的数据驱动会从队列中唤醒一个线程来处理。这样做简单直观，省去了线程池，但一开始就创建一堆线程有点浪费资源。于是Binder协议引入了专门命令或消息帮助用户管理线程池，包括：
1 | . INDER_SET_MAX_THREADS 告诉驱动最多可以创建几个线程 |
首先要管理线程池就要知道池子有多大，应用程序通过INDER_SET_MAX_THREADS告诉驱动最多可以创建几个线程。以后每个线程在创建，进入主循环，退出主循环时都要分别使用BC_REGISTER_LOOP，BC_ENTER_LOOP，BC_EXIT_LOOP告知驱动，以便驱动收集和记录当前线程池的状态。
？？？每当驱动接收完数据包返回读Binder的线程时，都要检查一下是不是已经没有闲置线程了。如果是，而且线程总数不会超出线程池最大线程数，就会在当前读出的数据包后面再追加一条BR_SPAWN_LOOPER消息，告诉用户线程即将不够用了，请再启动一些，否则下一个请求可能不能及时响应。？？？
新线程一启动又会通过BC_xxx_LOOP告知驱动更新状态。这样只要线程没有耗尽，总是有空闲线程在等待队列中随时待命，及时处理请求。
在Binder通信机制里，客户端与服务端之间的通信是在专门的IPC通信线程中进行的。这些线程构成一个线程池。线程的创建和销毁是在用户空间进行的，而对线程的控制是在驱动层进行的，即驱动控制线程池中线程的生命，而线程本身则是运行在用户空间的。驱动层是通过BR_SPAWN_LOOPER向用户空间发送创建新线程的命令。
摘自Binder通信过程中的用户空间线程池的管理
关于工作线程的启动，Binder驱动还做了一点小小的优化。当进程P1的线程T1向进程P2发送请求时，驱动会先查看一下线程T1是否也正在处理来自P2某个线程请求但尚未完成（没有发送回复）。这种情况通常发生在两个进程都有Binder实体并互相对发时请求时。假如驱动在进程P2中发现了这样的线程，比如说T2，就会要求T2来处理T1的这次请求。因为T2既然向T1发送了请求尚未得到返回包，说明T2肯定（或将会）阻塞在读取返回包的状态。这时候可以让T2顺便做点事情，总比等在那里闲着好。而且如果T2不是线程池中的线程还可以为线程池分担部分工作，减少线程池使用率。
数据包接收队列与（线程）等待队列管理
通常数据传输的接收端有两个队列：数据包接收队列和（线程）等待队列，用以缓解供需矛盾。
在驱动中，每个进程有一个全局的接收队列，也叫to-do队列，存放不是发往特定线程的数据包；
相应地有一个全局等待队列，所有等待从全局接收队列接收数据的线程在该队列里排队。
每个线程有自己私有的to-do队列，存放发送给该线程的数据包；
<相应的每个线程都有各自私有等待队列，专门用于本线程等待接收自己to-do队列里的数据。虽然名叫队列，其实线程私有等待队列中最多只有一个线程，即它自己。>
由于发送时没有特别标记，驱动怎么判断哪些数据包该送入全局to-do队列，哪些数据包该送入特定线程的to-do队列呢？
这里有两条规则。
规则1：Client发给Server的请求数据包都提交到Server进程的全局to-do队列。
不过有个特例，就是上节谈到的Binder对工作线程启动的优化。经过优化，来自T1的请求不是提交给P2的全局to-do队列，而是送入了T2的私有to-do队列。
规则2：对同步请求的返回数据包（由BC_REPLY发送的包）都发送到发起请求的线程的私有to-do队列中。
如上面的例子，如果进程P1的线程T1发给进程P2的线程T2的是同步请求，那么T2返回的数据包将送进T1的私有to-do队列而不会提交到P1的全局to-do队列。
数据包进入接收队列的潜规则也就决定了线程进入等待队列的潜规则，即一个线程只要不接收返回数据包则应该在全局等待队列中等待新任务，否则就应该在其私有等待队列中等待Server的返回数据。
还是上面的例子，T1在向T2发送同步请求后就必须等待在它私有等待队列中，而不是在P1的全局等待队列中排队，否则将得不到T2的返回的数据包。
这些潜规则是驱动对Binder通信双方施加的限制条件，体现在应用程序上就是同步请求交互过程中的线程一致性：
- Client端，等待返回包的线程必须是发送请求的线程，而不能由一个线程发送请求包，另一个线程等待接收包，否则将收不到返回包；
- Server端，发送对应返回数据包的线程必须是收到请求数据包的线程，否则返回的数据包将无法送交发送请求的线程。这是因为返回数据包的目的Binder不是用户指定的，而是驱动记录在收到请求数据包的线程里，如果发送返回包的线程不是收到请求包的线程驱动将无从知晓返回包将送往何处。
接下来探讨一下Binder驱动是如何递交同步交互和异步交互的。我们知道，同步交互和异步交互的区别是同步交互的请求端（client）在发出请求数据包后须要等待应答端（Server）的返回数据包，而异步交互的发送端发出请求数据包后交互即结束。
对于这两种交互的请求数据包，驱动可以不管三七二十一，统统丢到接收端的to-do队列中一个个处理。
但驱动并没有这样做，而是对异步交互做了限流，令其为同步交互让路，具体做法是：对于某个Binder实体，只要有一个异步交互没有处理完毕，例如正在被某个线程处理或还在任意一条to-do队列中排队，那么接下来发给该实体的异步交互包将不再投递到to-do队列中，而是阻塞在驱动为该实体开辟的异步交互接收队列（Binder节点的async_todo域）中，但这期间同步交互依旧不受限制直接进入to-do队列获得处理。一直到该异步交互处理完毕下一个异步交互方可以脱离异步交互队列进入to-do队列中。之所以要这么做是因为同步交互的请求端需要等待返回包，必须迅速处理完毕以免影响请求端的响应速度，而异步交互属于‘发射后不管’，稍微延时一点不会阻塞其它线程。所以用专门队列将过多的异步交互暂存起来，以免突发大量异步交互挤占Server端的处理能力或耗尽线程池里的线程，进而阻塞同步交互。