Android Binder图文详解和驱动源码分析

前言

最近在学习Binder，之前都是跳过相关细节，通过阅读文章对Binder有了一些认识，但是并没有真正理解Binder。如果要深入理解Framework的代码，就必须要真正理解Binder。

我学习Binder的方法：

一边阅读Gityuan的Binder系列文章，一边调试阅读Binder相关代码来验证自己的理解。对于AOSP 非内核层的代码调试，网上已经有很多文章说明。但是Binder核心是在Binder驱动，就不好直接调试了。不过Binder提供详尽的调试日志开关，通过控制这些开关我们就可以让Binder打印调试日志，从而可以观察Binder驱动的运行。具体如何使用Binder驱动的调试开关，可以阅读Gityuran的Binder子系统之调试分析系列文章。我这里分析阅读的是Android 11的Binder代码，与Gityuan中的Android 6.0代码还是有出入的，但是总体流程是没有差别。

一定要配合源码边调试边阅读，除了Binder驱动层，能直接调试的尽量直接调试。 由于已经有了Gityuan大神的系列文章了，所以我对这篇文章的定位主要是补充和更新的作用。如果对驱动层代码感兴趣可以Clone我下面分享的带注释的Binder驱动源码来阅读理解。

一、跨进程通讯的过程

这里用AIDL跨进程通讯进行举例。让大家对Binder跨进程有个整体的认识，然后再根据时序图研究具体的实现代码

1. AIDL客户端代码

com.kevin.lab.IPersonManager.Stub.Proxy#getPersonListSize

      @Override public int getPersonListSize(int arg) throws android.os.RemoteException{//用来存放要发送的数据android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();//用来存放要接收的数据android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();int _result;try {//写入要发送的请求数据_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);_data.writeInt(arg);boolean _status = mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getPersonListSize, _data, _reply, 0);if (!_status && getDefaultImpl() != null) {return getDefaultImpl().getPersonListSize(arg);}//读取接收到的回复数据_reply.readException();_result = _reply.readInt();}finally {_reply.recycle();_data.recycle();}return _result;}

2. AIDL服务端代码

com.kevin.lab.IPersonManager.Stub#onTransact

    @Override public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException{java.lang.String descriptor = DESCRIPTOR;switch (code){case INTERFACE_TRANSACTION:{reply.writeString(descriptor);return true;}case TRANSACTION_getPersonListSize:{//读取接收的请求数据data.enforceInterface(descriptor);int _arg0;_arg0 = data.readInt();int _result = this.getPersonListSize(_arg0);//写入要发送的回复数据reply.writeNoException();reply.writeInt(_result);return true;}default:{return super.onTransact(code, data, reply, flags);}}}

3. 通信过程

a. 发送请求时序图

b. 接收请求时序图

当服务端处理完请求后，就会将结果写入到Parcel reply中，然后通过Binder发送给客户端。这个过程类似客户端发送请求的过程，只是这里发送的不是请求，而是响应结果

二、Binder一次拷贝

对于Binder，很多文章都会介绍它的优点：一次拷贝，但是这个一次拷贝具体是拷贝哪部分，解释得不是很清楚。我这里将我阅读源码得到的答案总结出来。
首先我们要知道一次拷贝发生的地方是在Binder驱动里面，所以具体实现要去看驱动源码。在说明解释具体的驱动源码之前，我们先通过图表了解这个拷贝过程具体拷贝哪部分数据。

1. 发送给Binder驱动的数据

首先我们要知道发送给Binder驱动的数据是什么类型，以及如何构成的。

Binder驱动接收到的是binder_write_read对象，而在生成的AIDL方法中发送和接收请求使用的是Parcel data和Parcel reply。这里再贴一次AIDL客户端发送代码，便于与下面的图对照理解

      @Override public int getPersonListSize(int arg) throws android.os.RemoteException{//用来存放要发送的数据，对应下图中的Parcel dataandroid.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();//用来存放要接收的数据，对应下图中的Parcel replyandroid.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();int _result;try {//写入要发送的请求数据_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);_data.writeInt(arg);boolean _status = mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getPersonListSize, _data, _reply, 0);if (!_status && getDefaultImpl() != null) {return getDefaultImpl().getPersonListSize(arg);}//读取接收到的回复数据_reply.readException();_result = _reply.readInt();}finally {_reply.recycle();_data.recycle();}return _result;}

上面这幅图描述的是发送的（Parcel data）、接收的（Parcel reply）与传递给Binder驱动的（binder_write_read）数据之间联系。

首先将Parcel data封装成binder_transaction_data，然后将binder_transaction_data写入到IPCThreadState的mOut中，接着将mOut和mIn封装成binder_write_read。然后通过ioctl系统调用传递给Binder驱动，最后再由Binder驱动发送给接收方（接收方接收的是经过处理后的binder_transcation_data）。

当从ioctl返回后（接收方发送响应数据回来），mIn中就有了响应数据，但是此时还没有赋值给Parcel reply，这个时候需要从mIn中读取binder_transaction_data，然后将binder_transaction_data中的buffer，offsets等赋值给Parcel reply。注意这里的mData和mObjects都是指针，也就是说实际进行的是浅拷贝，而mData和mObjects指向的内存区域里面的数据在Binder驱动里面就已经准备好，更进一步说其实是发送方（客户端）通过ioctl调用Binder驱动时，Binder驱动就将这部分数据拷贝到了接收方的内存空间中。在赋值给Parcel reply时，只执行了浅拷贝（给指针赋值）。由此可见，接收到的binder_transaction_data中的buffer，offsets指针所指向的内存区域没有被二次拷贝，该区域的数据只进行了一次拷贝。

2. 一次拷贝示意图

这里将驱动中实现一次拷贝的示意图绘制出来，可以对比上面来进一步理解

从图中可以看出，内核虚拟地址空间与接收方通过mmap分配的虚拟地址空间都共同指向了相同的物理内存。当Binder驱动收到发送方的请求时候，将发送方中buffer，offsets指针指向的内存区域数据（这里抽象描述为data）拷贝到共同映射的物理内存。

三、Binder驱动源码

1. 相关数据结构

要理解Binder驱动源码，首先要了解各个数据结构的作用以及这些数据结构的之间的关系。下面我将核心数据结构的关系绘制出来，然后解释每个数据结构的作用

2. 阅读Binder驱动源码

由于Binder驱动源码较多，如果一段一段放到博客，阅读起来体验非常糟糕。因此，我决定将添加了注释的Binder驱动源码放到了下面的Github仓库中，请Clone下来用VSCode打开然后根据时序图描述的执行过程阅读。

仓库地址：带注释的Binder驱动源码

有了对Binder驱动数据结构的初步印象，接着只要编写一个类似的AIDL测试程序，配合带注释的Binder驱动源码和前面的AIDL时序图，边阅读边理解。最后再通过开启相应的Binder驱动调试开关验证自己的理解，这样就可以深入理解Binder驱动的实现原理。

参考

1. Gityuan Binder系列

幼峰? 部落格