Android - 从浅到懂理解 Binder

向右看齐 2022-12-30 15:58 177阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  背景
 *   *  为什么需要跨进程通信（IPC）
     *  为什么是Binder？
     *   *  用户空间/内核空间
         *  系统调用:内核态/用户态
         *  传统 IPC 的原理
         *  内核模块 / "驱动"
         *  Binder IPC 机制实现原理
 *  总结
 *  参考

# 背景 #

在插件化使用时，进程间通信使用了`AIDL`进行跨进程通信，而`AIDL`底层的实现是使用`Binder`机制。  
在深入了解了`AIDL`之后，我们还需要再深入学习`Binder`。

## 为什么需要跨进程通信（IPC） ##

一个进程一般是对应一个`App`，你不会希望别的进程（`App`）能够轻而易举的能操作你的`App`吧，所以你的`App`只能访问`App`内部的数据。  
但是有些场景是需要通过一个`App`去操作另一个`App`的，比如：从`App`中调用系统的文件管理，实现文件读写。比如从`App`中读取手机通信录的联系人信息。这种情况就需要实现进程间通信了。

## 为什么是Binder？ ##

`Android` 使用的 `Linux` 内核拥有着非常多的跨进程通信机制，比如:`管道，消息队列，共享内存，System V，Socket`等；

那么`Android`系统中的`Binder`究竟有何过人之处呢？

上述的进程间通信存在的问题：

*  `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。
 *  传统`IPC`没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保。

`Binder` 的优势是:性能、稳定、安全。

*  性能  
    | IPC方式 | 数据拷贝次数|  
    | ---- | ---- |  
    | 共享内存 | 0 |  
    | Binder | 1 |  
    | Socket/管道/消息队列 | 2 |
 *  稳定  
    `Binder`是基于`C/S`架构。通过客户端（`Client`）给服务端（`Server`）发送指令而服务端根据指令返回数据的方式实现。  
    职责明确且互相独立，因此不易出错稳定性高。
 *  安全  
    传统`Linux IPC`的接收方无法获得发送方进程可靠的`UID/PID`，从而无法鉴别对方身份；  
    而Android作为一个开源系统，拥有非常多的开发平台，App来源甚广，因此手机的安全显得额外重要；  
    对于普通用户，绝不希望从商店下载的`App`能偷窥隐私数据、后台造成手机耗电等等问题。

`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  
而`Binder`通信可以获得通信进程的`UID`，有了`UID`就可以鉴别进程的身份。  
同时 `Binder` 支持实名 `Binder`, 保证了安全性。

在分析性能时，谈到了`App数据缓存区`和`内核缓存区`。  
`App数据缓存区`用于进程间数据隔离，而`内核缓存区`的数据是可以共享的。

为了进一步了解`进程间通信`，我们还需要去了解

*  用户空间/内核空间
 *  内核态/用户态
 *  内核模块/驱动

### 用户空间/内核空间 ###

内核空间（`Kernel Space`）是系统内核运行的空间  
用户空间（`User Space`）是用户程序运行的空间。

为了保证安全性，它们之间是隔离的。但是有的时候用户空间是需要去访问内核空间的。  
比如：文件读写操作。

而用户空间访问内核空间的唯一方式就是`系统调用`。

### 系统调用:内核态/用户态 ###

`Linux` 使用两级保护机制：`0` 级供系统内核使用，`3` 级供用户程序使用。

通过`系统调用`这个统一入口接口，所有的资源访问都是在内核的控制下执行，以免导致对用户程序对系统资源的越权访问，从而保障了系统的安全和稳定。

当一个进程执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核态。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行  
当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户态。此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。

`系统调用`主要通过如下两个函数来实现：

*  `copy_from_user()` //将数据从用户空间拷贝到内核空间
 *  `copy_to_user()` //将数据从内核空间拷贝到用户空间

传统的`IPC`就是使用上述两个`系统调用`的方法来实现进程间通信 。

### 传统 IPC 的原理 ###

1.  消息发送方将要发送的数据存放在`用户的内存缓存区`中，通过`系统调用`进入内核态。
2.  内核程序在内核空间开辟一块`内核缓存区`，操作系统调用`copy_from_user() 函数`将数据从`用户空间的内存缓存区`拷贝到`内核空间的内核缓存区`中。
3.  接收方进程在自己的`用户空间开辟一块内存缓存区`，然后内核程序调用`copy_to_user() 函数`将数据从`内核缓存区拷`贝到接收进程的`内存缓存区`。

这样数据发送方进程和数据接收方进程就完成了一次数据传输，也就是进程间通信。

### 内核模块 / “驱动” ###

通过系统调用，用户空间可以访问内核空间，  
那么如果一个用户空间想与另外一个用户空间进行通信怎么办呢？  
很自然想到的是让操作系统内核添加支持；

传统的`Linux`通信机制，比如`Socket, 管道等`都是内核支持的；  
但是`Binder`并不是`Linux`内核的一部分，它是怎么做到访问内核空间的呢？

`Linux`的动态`可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM）`机制解决了这个问题；  
该模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，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。

`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`;

TIP:

> `驱动程序`一般指的是设备驱动程序（`Device Driver`），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，才能控制硬件设备的工作；

`驱动`就是操作硬件的接口，为了支持`Binder`通信过程，`Android`通过软件层面实现的`Binder驱动`，它类似于硬件接口用于和内核交互。  
因此这个模块被称之为驱动。

前面说到了`Binder`的数据拷贝只有一次，而传统的`IPC`除了共享文件外都是最少两次数据拷贝  
那么`Binder`驱动是如何实现的呢？

### Binder IPC 机制实现原理 ###

> 有点深奥，晦涩难懂。以后慢慢啃

`Binder IPC` 机制中实现数据拷贝仅一次的原理是用到了`内存映射`。数据拷贝是在

内存映射：

> 首先`映射`是指建立一种关系，而这里的`内存映射`顾名思义就是将`用户空间`的一块内存区域映射到`内核空间`。在映射的过程中数据并没有拷贝，只是双方建立了链接。这个链接在物理上是不存在，只是逻辑上存在。也就是说这个联系我们看不见摸不着，只是我们代码上给它们进行了关联。

映射关系建立后，用户对这块内存区域的修改可以直接反应到内核空间；反之内核空间对这段区域的修改也能直接反应到用户空间。

而我们如何在代码上进行关联呢？

答案是通过`操作系统调用 mmap() 方法`来实现，但是 `mmap()` 通常是用在有`物理介质`的文件系统上的。

而`Binder` 并不存在物理介质，因此`mmap() 方法` 并不是为了在物理介质和用户空间之间建立映射，  
`mmap() 方法`会返回一个`指针ptr`，该指针指向逻辑地址中的空间，这时候还没有数据拷贝。

要实现诗句拷贝需要将`逻辑地址`转换为`物理地址`，这个过程需要通过`MMU（MemoryManagementUnit 内存管理单元）`实现。

由于第一次数据通信双方还没建立映射，`MMU`在地址映射表中是无法找到与`指针ptr`相对应的物理地址的，也就是`MMU`失败，将产生一个缺页中断，  
缺页中断的中断响应函数会在`swap 分区`中寻找相对应的页面，  
如果找不到（也就是该文件从来没有被读入内存的情况），则会通过`mmap()`建立的映射关系，从硬盘上将文件读取到物理内存中。

TIP:

> `swap 分区`通常被称为交换分区，这是一块特殊的硬盘空间，即当实际内存不够用的时候，操作系统会从内存中取出一部分暂时不用的数据，放在交换分区中，从而为当前运行的程序腾出足够的内存空间。

所以**数据拷贝是通过`缺页中断机制`将用户数据写入内存中。**

**一次完整的`Binder IPC 通信过程`通常是这样：**

*  首先 `Binder 驱动`在内核空间创建一个数据接收缓存区；
 *  接着在内核空间开辟一块内核缓存区，建立发送方进程和接收方进程对内科缓存区的映射关系；
 *  发送方进程通过`系统调用 copy_from_user()` 将数据 `copy` 到内核中的内核缓存区，由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射，因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间，这样便完成了一次进程间的通信。

# 总结 #

`Binder`是`Android系统`提供的进程间通信的一种方式。

之所以提供`Binder`是因为传统的`IPC`机制存在一些问题

*  性能：传统的`IPC`机制，如：`Socket，管道，消息队列`在通信时数据会经历两次拷贝。而`Binder`仅一次。
 *  稳定：`Binder`基于`C/S`架构模式，代码结构清晰不易出错。
 *  安全：`Android`是开源系统，众多软件鱼龙混杂。传统的`IPC`机制，通信双方不能鉴别身份。而`Binder`提供了`UID`用于标识进程，进而能鉴别通信双方。

传统的`IPC`通信机制原理是用到了`系统调用`的两个方法

*  `copy_from_user()` : 将数据从用户空间拷贝到内核空间
 *  `copy_to_user()` : 将数据从内核空间拷贝到用户空间

实现过程是：

1.  发送方将数据存入`用户的内存缓存区`
2.  接收方在在自己进程开辟`用户的内存缓存区`
3.  内核空间开辟`内核缓存区`
4.  发送方从用户态进入内核态，并通过系统调用`copy_from_user()`将发送方的`内存缓存区`的数据拷贝放入`内核缓存区`，然后通过`copy_to_user()`将数据拷贝到接收方的`内存缓存区`。

这就是传统`IPC`机制通信需要两次数据拷贝的问题。

而`Binder`仅需要一次数据拷贝。  
它的原理是用到了`内存映射和系统调用 mmap() 方法`

*  通过内存映射的方式实现`发送方-内核-接收方`之间的对应关系。
 *  再通过`系统调用 mmap() 方法`返回`Binder驱动`中的逻辑地址，而逻辑地址要和物理地址转换需要通过`MMU`
 *  `MMU`在连接逻辑地址和物理地址的时候会调用`缺页中断方法`在`swap 分区`中寻找相对应的数据。如果没找到，说明数据不存在，则需要进行数据拷贝数据拷贝使用的还是`系统调用 copy_from_user()`方法。
 *  由于存在映射关系，所以数据拷贝一次即可实现发送方和接收方的进程通信。

# 参考 #

*  [Binder学习指南][Binder]
 *  [为什么 Android 要采用 Binder 作为 IPC 机制？][Android _ Binder _ IPC]
 *  [Android跨进程通信：图文详解 Binder机制 原理][Android_ Binder_]
 *  [Android Bander设计与实现 - 设计篇][Android Bander_ -]
 *  [写给 Android 应用工程师的 Binder 原理剖析！][Android _ Binder]
 *  [内存映射原理][Link 1]
 *  [系统调用mmap详解整理][mmap]
 *  [Linux swap分区及作用详解][Linux swap]

[Binder]: http://weishu.me/2016/01/12/binder-index-for-newer/
[Android _ Binder _ IPC]: https://www.zhihu.com/question/39440766/answer/89210950
[Android_ Binder_]: https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/73560642
[Android Bander_ -]: https://blog.csdn.net/universus/article/details/6211589
[Android _ Binder]: https://mp.weixin.qq.com/s/Q6tqd5sPhTEaVTfNCuJO3Q
[Link 1]: https://www.cnblogs.com/still-smile/p/12155181.html
[mmap]: https://segmentfault.com/a/1190000014672234
[Linux swap]: http://c.biancheng.net/view/907.html