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理解Android Binder机制(3/3)：Java层

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1. 在AOSP源码树中的路径

// Binder Framework JNI
/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.h
/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
/frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.h
/frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.cpp

// Binder Framework Java接口
/frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java
/frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java
/frameworks/base/core/java/android/os/IInterface.java
/frameworks/base/core/java/android/os/Parcel.java

 

2. 主要结构

Android应用程序使用Java语言开发，Binder框架自然也少不了在Java层提供接口。

前文中我们看到，Binder机制在C++层已经有了完整的实现。因此Java层完全不用重复实现，而是通过JNI衔接了C++层以复用其实现。

下图描述了Binder Framework Java层到C++层的衔接关系。

理解Android Binder机制(3/3)：Java层

这里对图中Java层和JNI层的几个类做一下说明：

名称                类型           说明
-------------------------------------------------------------------
IInterface          interface      供Java层Binder服务接口继承的接口
IBinder             interface      Java层的IBinder类，提供了transact方法来调用远程服务
Binder              class          实现了IBinder接口，封装了JNI的实现。Java层Binder服务的基类
BinderProxy         class          实现了IBinder接口，封装了JNI的实现。提供transact方法调用远程服务
JavaBBinderHolder   class          内部存储了JavaBBinder
JavaBBinder         class          将C++端的onTransact调用传递到Java端
Parcel              class          Java层的数据包装器，见C++层的Parcel类分析

这里的IInterface，IBinder和C++层的两个类是同名的。这个同名并不是巧合：它们不仅仅同名，它们所起的作用，以及其中包含的接口都是几乎一样的，区别仅仅在于一个是C++层，一个是Java层而已。

除了IInterface，IBinder之外，这里Binder与BinderProxy类也是与C++的类对应的，下面列出了Java层和C++层类的对应关系：

C++             Java层
---------------------------
IInterface      IInterface
IBinder         IBinder
BBinder         Binder
BpProxy         BinderProxy
Parcel          Parcel

 

3. JNI的衔接

JNI全称是Java Native Interface，这个是由Java虚拟机提供的机制。这个机制使得native代码可以和Java代码互相通讯。简单来说就是：我们可以在C/C++端调用Java代码，也可以在Java端调用C/C++代码。

关于JNI的详细说明，可以参见Oracle的官方文档：Java Native Interface ，这里不多说明。

实际上，在Android中很多的服务或者机制都是在C/C++层实现的，想要将这些实现复用到Java层，就必须通过JNI进行衔接。AOSP源码中， /frameworks/base/core/jni/ 目录下的源码就是专门用来对接Framework层的JNI实现的。

看一下Binder.java的实现就会发现，这里面有不少的方法都是用native关键字修饰的，并且没有方法实现体，这些方法其实都是在C++中实现的：

public static final native int getCallingPid();
public static final native int getCallingUid();
public static final native long clearCallingIdentity();
public static final native void restoreCallingIdentity(long token);
public static final native void setThreadStrictModePolicy(int policyMask);
public static final native int getThreadStrictModePolicy();
public static final native void flushPendingCommands();
public static final native void joinThreadPool();

在 android_util_Binder.cpp 文件中的下面这段代码，设定了Java方法与C++方法的对应关系：

static const JNINativeMethod gBinderMethods[] = {
    { "getCallingPid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingPid },
    { "getCallingUid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingUid },
    { "clearCallingIdentity", "()J", (void*)android_os_Binder_clearCallingIdentity },
    { "restoreCallingIdentity", "(J)V", (void*)android_os_Binder_restoreCallingIdentity },
    { "setThreadStrictModePolicy", "(I)V", (void*)android_os_Binder_setThreadStrictModePolicy },
    { "getThreadStrictModePolicy", "()I", (void*)android_os_Binder_getThreadStrictModePolicy },
    { "flushPendingCommands", "()V", (void*)android_os_Binder_flushPendingCommands },
    { "init", "()V", (void*)android_os_Binder_init },
    { "destroy", "()V", (void*)android_os_Binder_destroy },
    { "blockUntilThreadAvailable", "()V", (void*)android_os_Binder_blockUntilThreadAvailable }
};

这种对应关系意味着：当 Binder.java 中的 getCallingPid 方法被调用的时候，真正的实现其实是 android_os_Binder_getCallingPid，当 getCallingUid 方法被调用的时候，真正的实现其实是 android_os_Binder_getCallingUid，其他类同。

然后我们再看一下 android_os_Binder_getCallingPid 方法的实现就会发现，这里其实就是对接到了 libbinder 中了：

static jint android_os_Binder_getCallingPid(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    return IPCThreadState::self()->getCallingPid();
}

这里看到了Java端的代码是如何调用的 libbinder 中的C++方法的。那么，相反的方向是如何调用的呢？最关键的，libbinder 中的 BBinder::onTransact 是如何能够调用到Java中的 Binder::onTransact 的呢？

这段逻辑就是 android_util_Binder.cpp 中 JavaBBinder::onTransact 中处理的了。JavaBBinder 是 BBinder 子类，其类结构如下：

理解Android Binder机制(3/3)：Java层

JavaBBinder::onTransact关键代码如下：

virtual status_t onTransact(uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags = 0)
{
   JNIEnv* env = javavm_to_jnienv(mVM);

   IPCThreadState* thread_state = IPCThreadState::self();
   const int32_t strict_policy_before = thread_state->getStrictModePolicy();

   jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
       code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);
   ...
}

请注意这段代码中的这一行：

jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
  code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);

这一行代码其实是在调用 mObject 上 offset 为 mExecTransact 的方法。这里的几个参数说明如下：

　　a. mObject 指向了Java端的Binder对象
　　b. gBinderOffsets.mExecTransact 指向了Binder类的 execTransact 方法
　　c. data 调用 execTransact 方法的参数
　　d. code, data, reply, flags 都是传递给调用方法 execTransact 的参数

而 JNIEnv.CallBooleanMethod 这个方法是由虚拟机实现的。即：虚拟机会提供native方法来调用一个Java Object上的方法（关于Android上的Java虚拟机，今后我们会专门讲解）。

这样，就在C++层的 JavaBBinder::onTransact 中调用了Java层  Binder::execTransact  方法。而在 Binder::execTransact 方法中，又调用了自身的 onTransact 方法，由此保证整个过程串联了起来：

private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj,
       int flags) {
   Parcel data = Parcel.obtain(dataObj);
   Parcel reply = Parcel.obtain(replyObj);
   boolean res;
   try {
       res = onTransact(code, data, reply, flags);
   } catch (RemoteException|RuntimeException e) {
       if (LOG_RUNTIME_EXCEPTION) {
           Log.w(TAG, "Caught a RuntimeException from the binder stub implementation.", e);
       }
       if ((flags & FLAG_ONEWAY) != 0) {
           if (e instanceof RemoteException) {
               Log.w(TAG, "Binder call failed.", e);
           } else {
               Log.w(TAG, "Caught a RuntimeException from the binder stub implementation.", e);
           }
       } else {
           reply.setDataPosition(0);
           reply.writeException(e);
       }
       res = true;
   } catch (OutOfMemoryError e) {
       RuntimeException re = new RuntimeException("Out of memory", e);
       reply.setDataPosition(0);
       reply.writeException(re);
       res = true;
   }
   checkParcel(this, code, reply, "Unreasonably large binder reply buffer");
   reply.recycle();
   data.recycle();

   StrictMode.clearGatheredViolations();

   return res;
}

 

4. Java Binder服务举例

和C++层一样，这里我们还是通过一个具体的实例来看一下Java层的Binder服务是如何实现的。

下图是 ActivityManager 实现的类图:

理解Android Binder机制(3/3)：Java层

下面是上图中几个类的说明：

类名                      说明
----------------------------------------------
IActivityManager          Binder服务的公共接口
ActivityManagerProxy      供客户端调用的远程接口
ActivityManagerNative     Binder服务实现的基类
ActivityManagerService    Binder服务的真正实现

看过Binder C++层实现之后，对于这个结构应该也是很容易理解的，组织结构和C++层服务的实现是一模一样的。

对于Android应用程序的开发者来说，我们不会直接接触到上图中的几个类，而是使用 android.app.ActivityManager 中的接口。

这里我们就来看一下，android.app.ActivityManager 中的接口与上图的实现是什么关系。我们选取其中的一个方法来看一下：

public void getMemoryInfo(MemoryInfo outInfo) {
   try {
       ActivityManagerNative.getDefault().getMemoryInfo(outInfo);
   } catch (RemoteException e) {
       throw e.rethrowFromSystemServer();
   }
}

这个方法的实现调用了 ActivityManagerNative.getDefault() 中的方法，因此我们在来看一下 ActivityManagerNative.getDefault() 返回到到底是什么。

static public IActivityManager getDefault() {
   return gDefault.get();
}

private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
   protected IActivityManager create() {
       IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
       if (false) {
           Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b);
       }
       IActivityManager am = asInterface(b);
       if (false) {
           Log.v("ActivityManager", "default service = " + am);
       }
       return am;
   }
};

这段代码中我们看到，这里其实是先通过 IBinder b = ServiceManager.getService(“activity”); 获取 ActivityManager 的 Binder 对象（“activity” 是ActivityManagerService的Binder 服务标识），接着我们再来看一下 asInterface(b) 的实现：

static public IActivityManager asInterface(IBinder obj) {
   if (obj == null) {
       return null;
   }
   IActivityManager in = (IActivityManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
   if (in != null) {
       return in;
   }

   return new ActivityManagerProxy(obj);
}

这里应该是比较明白了：首先通过 queryLocalInterface 确定有没有本地Binder，如果有的话直接返回，否则创建一个 ActivityManagerProxy 对象。很显然，假设在 ActivityManagerService 所在的进程调用这个方法，那么 queryLocalInterface 将直接返回本地Binder，而假设在其他进程中调用，这个方法将返回空，由此导致其他调用获取到的对象其实就是 ActivityManagerProxy。而在拿到 ActivityManagerProxy 对象之后在调用其方法所走的路线我想读者应该也能明白了：那就是通过Binder驱动跨进程调用 ActivityManagerService 中的方法。

这里的 asInterface 方法的实现会让我们觉得似曾相识。是的，因为这里的实现方式和C++层的实现是一样的模式。

5. Java层的ServiceManager

源码路径：

frameworks/base/core/java/android/os/IServiceManager.java
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/BinderInternal.java
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

有Java端的Binder服务，自然也少不了Java端的 ServiceManager。我们先看一下Java端的 ServiceManager 的结构：

理解Android Binder机制(3/3)：Java层

通过这个类图我们看到，Java层的 ServiceManager 和C++层的接口是一样的。

然后我们再选取 addService 方法看一下实现：

public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) {
   try {
       getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated);
   } catch (RemoteException e) {
       Log.e(TAG, "error in addService", e);
   }
}

   private static IServiceManager getIServiceManager() {
   if (sServiceManager != null) {
       return sServiceManager;
   }

   // Find the service manager
   sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());
   return sServiceManager;
}

很显然，这段代码中，最关键就是 ServiceManagerNative.asInterface 这个调用，然后我们需要再看一下 BinderInternal.getContextObject() 和 ServiceManagerNative.asInterface 两个方法。

BinderInternal.getContextObject() 是一个JNI方法，其实现代码在 android_util_Binder.cpp 中：

static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
    return javaObjectForIBinder(env, b);
}

而 ServiceManagerNative.asInterface 的实现和其他的Binder服务是一样的套路：

static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)
{
   if (obj == null) {
       return null;
   }
   IServiceManager in = (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
   if (in != null) {
       return in;
   }
   return new ServiceManagerProxy(obj);
}

先通过 queryLocalInterface 查看能不能获得本地Binder，如果无法获取，则创建并返回 ServiceManagerProxy 对象。

而 ServiceManagerProxy 自然也是和其他Binder Proxy一样的实现套路：

public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) throws RemoteException {
   Parcel data = Parcel.obtain();
   Parcel reply = Parcel.obtain();
   data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
   data.writeString(name);
   data.writeStrongBinder(service);
   data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);
   mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
   reply.recycle();
   data.recycle();
}

有了上文的讲解，这段代码应该都是比较容易理解的了。

 

6. 关于AIDL

作为Binder机制的最后一个部分内容，我们来讲解一下开发者经常使用的AIDL机制是怎么回事。

AIDL全称是Android Interface Definition Language，它是Android SDK提供的一种机制。借助这个机制，应用可以提供跨进程的服务供其他应用使用。AIDL的详细说明可以参见官方开发文档：https://developer.android.com/guide/components/aidl.html 。

这里，我们就以官方文档上的例子看来一下AIDL与Binder框架的关系。

开发一个基于AIDL的Service需要三个步骤：

　　a. 定义一个.aidl文件
　　b. 实现接口
　　c. 暴露接口给客户端使用

aidl文件使用Java语言的语法来定义，每个.aidl文件只能包含一个interface，并且要包含interface的所有方法声明。

默认情况下，AIDL支持的数据类型包括：

　　a. 基本数据类型（即int，long，char，boolean等）
　　b. String
　　c. CharSequence
　　d. List（List的元素类型必须是AIDL支持的）
　　e. Map（Map中的元素必须是AIDL支持的）

对于AIDL中的接口，可以包含0个或多个参数，可以返回void或一个值。所有非基本类型的参数必须包含一个描述是数据流向的标签，可能的取值是：in，out 或者 inout。

下面是一个aidl文件的示例：

// IRemoteService.aidl
package com.example.android;

// Declare any non-default types here with import statements

/** Example service interface */
interface IRemoteService {
    /** Request the process ID of this service, to do evil things with it. */
    int getPid();

    /** Demonstrates some basic types that you can use as parameters
     * and return values in AIDL.
     */
    void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, String aString);
}

这个文件中包含了两个接口 ：
getPid 一个无参的接口，返回值类型为int
basicTypes，包含了几个基本类型作为参数的接口，无返回值

对于包含.aidl文件的工程，Android IDE（以前是Eclipse，现在是Android Studio）在编译项目的时候，会为aidl文件生成对应的Java文件。

针对上面这个aidl文件生成的java文件中包含的结构如下图所示：

理解Android Binder机制(3/3)：Java层

在这个生成的Java文件中，包括了：
　　a. 一个名称为 IRemoteService 的 interface，该 interface 继承自 android.os.IInterface 并且包含了我们在aidl文件中声明的接口方法
　　b. IRemoteService 中包含了一个名称为 Stub 的静态内部类，这个类是一个抽象类，它继承自 android.os.Binder 并且实现了 IRemoteService 接口。这个类中包含了一个 onTransact 方法
　　c. Stub 内部又包含了一个名称为 Proxy 的静态内部类，Proxy 类同样实现了 IRemoteService 接口

仔细看一下Stub类和Proxy两个中包含的方法，是不是觉得很熟悉？是的，这里和前面介绍的服务实现是一样的模式。这里我们列一下各层类的对应关系：

C++       Java层       AIDL
-------------------------------------
BpXXX     XXXProxy    IXXX.Stub.Proxy
BnXXX     XXXNative   IXXX.Stub

为了整个结构的完整性，最后我们还是来看一下生成的Stub和Proxy类中的实现逻辑。

Stub是提供给开发者实现业务的父类，而Proxy的实现了对外提供的接口。Stub和Proxy两个类都有一个asBinder的方法。

Stub类中的asBinder实现就是返回自身对象：

@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
    return this;
}
而Proxy中asBinder的实现是返回构造函数中获取的mRemote对象，相关代码如下：

private android.os.IBinder mRemote;

Proxy(android.os.IBinder remote) {
    mRemote = remote;
}

@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
    return mRemote;
}

而这里的 mRemote 对象其实就是远程服务在当前进程的标识。

上文我们说了，Stub类是用来提供给开发者实现业务逻辑的父类，开发者者继承自Stub然后完成自己的业务逻辑实现，例如这样：

private final IRemoteService.Stub mBinder = new IRemoteService.Stub() {
   public int getPid(){
       return Process.myPid();
   }
   public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean,
       float aFloat, double aDouble, String aString) {
       // Does something
   }
};

而这个Proxy类，就是用来给调用者使用的对外接口。我们可以看一下Proxy中的接口到底是如何实现的：

Proxy中getPid方法实现如下所示：

@Override
public int getPid() 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);
        mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getPid, _data, _reply, 0);
        _reply.readException();
        _result = _reply.readInt();
    } finally {
        _reply.recycle();
        _data.recycle();
    }
    return _result;
}

这里就是通过Parcel对象以及transact调用对应远程服务的接口。而在Stub类中，生成的 onTransact 方法对应的处理了这里的请求：

@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_getPid: {
        data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
        int _result = this.getPid();
        reply.writeNoException();
        reply.writeInt(_result);
        return true;
    }
    case TRANSACTION_basicTypes: {
        data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
        int _arg0;
        _arg0 = data.readInt();
        long _arg1;
        _arg1 = data.readLong();
        boolean _arg2;
        _arg2 = (0 != data.readInt());
        float _arg3;
        _arg3 = data.readFloat();
        double _arg4;
        _arg4 = data.readDouble();
        java.lang.String _arg5;
        _arg5 = data.readString();
        this.basicTypes(_arg0, _arg1, _arg2, _arg3, _arg4, _arg5);
        reply.writeNoException();
        return true;
    }
    }
    return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}

onTransact所要做的就是：
　　a. 根据 code 区分请求的是哪个接口
　　b. 通过 data 来获取请求的参数
　　c. 调用由子类实现的抽象方法

有了前文的讲解，对于这部分内容应当不难理解了。

到这里，我们终于讲解完Binder了。

 

参考：https://paul.pub/android-binder-java/ 及其参考

 

原创文章，作者：wure，如若转载，请注明出处：https://blog.ytso.com/tech/273230.html

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上一篇 2022年7月10日 02:56
下一篇 2022年7月10日 03:01

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