第一章深入解析Binder

面试题预览

请介绍

什么是Binder机制

⭐⭐⭐⭐
请介绍Binder机制流程 ⭐⭐⭐⭐
Binder有什么优势？（字节跳动）

⭐⭐⭐⭐

⭐
Binder机制需要多少次内存拷贝 ⭐⭐⭐
Binder是如何做到一次拷贝？（腾讯）

⭐⭐⭐
Android有很多跨进程通信方法，为何选择Binder？⭐⭐⭐
MMAP的原理讲解（腾讯）

⭐⭐
Binder机制是如何跨进程的（阿里）

⭐⭐⭐
描述AIDL生成的java类细节（字节跳动）

⭐⭐⭐
为什么Intent不能传递大数据（阿里）

⭐⭐⭐

Binder是什么

Binder是Android系统提供的一种IPC（进程间通信）机制，采用C/S（客户端与服务端结构）架构。Binder原理是掌握Android系统的基石，Binder就像

Android中的血管，

基本上贯穿了andorid框架层的全部。在Android中我们所使用的Activity，Service等组件都需要和AMS(system_server)通信，这种跨进程的通信都是通过Binder完成。

在基于Binder通信的C/S架构体系中，除了C/S架构所包括的Client端和Server端外，Android还有一个全局的ServiceManager端，它的作用是管理系统中的各种服务（Service）。Client、Server和ServiceManager这三者之间的交互关系如下图所示：

关键点：

从进程间通信的角度看，Binder 是一种进程间通信的机制。
从 Server 进程的角度看，Binder 指的是 Server 中的 Binder 实体对象(Binder类 IBinder)。
从 Client 进程的角度看，Binder 指的是对 Binder 代理对象，是 Binder 实体对象的一个远程代理。
从传输过程的角度看，Binder 是一个可以跨进程传输的对象；Binder 驱动会自动完成代理对象和本地对象之间的转换。
从Android Framework角度看，Binder是ServiceManager连接各种Manager和相应ManagerService的桥梁 Binder跨进程通信机制：基于C/S架构，由Client、Server、ServerManager和Binder驱动组成。

进程空间分为用户空间和内核空间。用户空间不可以进行数据交互；内核空间可以进行数据交互，所有进程共用一个内核空间。Client、Server、ServiceManager均在用户空间中实现，而Binder驱动程序则是在内核空间中实现的。

1.1 Android中的跨进程通讯方法

共享内存

：通过共享缓冲区直接映射到各个进程的虚拟地址空间，速度快。但实现比较复杂，进程间的同步问题操作系统无法实现，必须各进程利用同步工具解决。
消息队列

：提供了一种从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法，但需要进行2次数据拷贝，不适合频繁或者数据量大的情况
。
管道：

分为有名/无名管道，在创建时分配一个page大小的内存，缓存区大小比较有限。
信号量

：一般作为一种锁机制，用于进程/线程同步。
信号

：更适合作为进程中断控制，而非数据交换。
Socket/LocalSocket

：允许位于同一主机(计算机)或使用网络连接起来的不同主机上的应用程序之间交换数据；
Binder

： Binder是Android中的一种跨进程通信机制;
匿名共享内存

：在Android系统中，提供了独特的匿名共享内存子系统Ashmem(Anonymous Shared Memory)，它利用了Linux的 tmpfs文件系统(一种可以基于RAM或是SWAP的高速文件系统）来实现不同进程间的内存共享。有两个特点：能够辅助内存管理系统来有效地管理不再使用的内存块；
- 通过Binder进程间通信机制来实现进程间的内存共享；
File

：

两个进程通过读写同一个文件来进行数据共享，共享的文件可以是文本、XML、JOSN。文件共享适用于对数据同步要求不高的进程间通信。

通过文件进行多进程通信用法简单，但不适合高并发情况
ContentProvider

： Android四大组件之一，常用于进程间数据共享，特别是一对多的情况，不过受限于AIDL;
Bundle

：

Bundle实现了Parcelable接口，所以它可以方便的在不同的进程间传输。Acitivity、Service、Receiver都是在Intent中通过Bundle来进行数据传递。Bundle

很常见也很常用，但只能传输Bundle支持的数据类型，同样不适合大量数据的传输；

面试官很喜欢问Android中有哪些跨进程方法，如果你可以答出这么多，一定可以加分

为何要使用Binder

众所周知，Android系统基于Linux系统，因此Linux系统使用的IPC方法：共享内存、消息队列、管道、信号量等，在Android系统上也都能使用。1.1小节就列出了10+种方法，那么为何还需要Binder？

使用Binder的理由可以归纳为：性能、安全、稳定、语言四个方面：

性能

：管道、消息队列、Socket都需要2次数据拷贝(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)，而Binder只要1次（可见第3节分析），且Binder相对Socket方法也更加高效， Socket主要用于跨网络的进程间通讯，传输的效率比较低。当然共享内存1次数据拷都不需要，因此就性能而言，共享内存高于Binder;
安全

：Android系统为每个应用都分配各自的UID/PID来验证身份，保证了进程通信的安全性；
稳定

：共享内存1次数据拷贝都不需要，但实现的方法比较复杂，并且需要做好进务端同步，容易出现死锁或者资源竞争，稳定性差。而Binder基于C/S架构，客户端和服务端彼此独立，稳定性强。
语言

：Linux是基于C语言，C语言是面向过程的，Android应用层和Java Framework是基于Java语言，Java语言是面向对象的。Binder本身符合面向对象的思想，因此作为Androißd的通信机制更合适不过。

因此，在Android系统的IPC方式，一般情况下都推荐使用Binder。当然，在Android源码里，上述其他IPC方法也会使用到。接下来让我们先看看传统的Linux跨进程通讯原理。

2.1 传统的Linux跨进程通讯

2.1.1 背景知识

进程空间分为用户空间和内核空间。用户空间是用户程序代码运行的地方，内核空间是内核代码运行的地方。为了安全，它们是隔离的，这样即使用户程序奔溃了，内核也不受影响。

Android是基于Linux的，以32位系统来说，每个Linux进程都有3G虚拟内存空间，称之为用户空间，以及1G的内核空间。其中，不同进程的用户空间是相互隔离的，不可直接通讯；但是内核空间却是共享的。以讲程A发送数据到进程B为例，需要经历如下步骤：

A进程的内核空间开辟一块内核缓存区，通过copy_to_user()系统调用，将用户空间的数据拷贝到内核缓冲区；
进程B的内核空间也开辟了一块内核缓存区，因为不同进程的内核空间共享的，此时进程B就可以通过copy_to_user()系统调用将内核缓存区的数据拷贝到自己的用户空间；

如此就完成了一次进程间通讯，上面说到的管道、消息队列都是基于这种方式。这种方式有两个缺点：

需要经过2次数据拷贝，效率较低；
进程B接收的内核缓存区无法确定开辟多大的空间合适，太大自然损耗空间，太小则可能出现拷贝不完整，因此要么开辟尽可能大的空间，要么先获取进程A发送的数据大小再开辟对应大小的空间。这两种做法要么浪费空间，要么浪费时间。

Bind的通讯原理

拓展面试题：

Binder Driver 如何在内核空间中做到一次拷贝的？（腾讯）
Binder有什么优势？（字节跳动）
Binder机制是如何跨进程的（阿里）

3.1 了解Binder通讯原理需要知道两个概念

Binder驱动：Linux有一个叫“动态内核可加载模块”的机制，因此Android系统可以通过动态加载这个模块，让该模块链接到内核，作为内核的一部分，以实现用户进程通过这个内核模块作为通讯桥梁。这个模块就是“Binder驱动”。
内存映射：内存映射即经典的mmap()方法，该方法可以将进程的用户空间的一块用户内存区域A映射到内核空间B，映射后，用户内存区域A的修改都会直接反应到内核空间B，反之亦然。

3.2 Binder的通讯原理

知道这两个概念Binder驱动和内存映射的两个概念后，以进程A发送数据到进程B为例。那么Binder是如何做到一次拷贝的？可见下图解释。

Binder是基于内存映射来实现的，它使用内存映射是为了跨进程传递数据。

Binder其实相当于将发送方的内核缓冲区与接收方用户空间建立内存映射。发送方发送数据，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

。

3.3 Binder有什么优势

Binder与传统IPC对比

3.4 Binder机制是如何跨进程通讯的？

发送方进程1和接收方进程2不能直接进行通信，但是由于内核空间是共享的，所以发送方可以通过copy_from_user()把数据直接拷贝到内核空间，内核空间与接收方的用户空间同时映射到一块物理内存中，也就相当于直接进入了接收方的用户空间，所以整个通信过程只进行了一次内存拷贝，这个映射就是通过mmap实现的。

3.5 Binder传输数据的大小限制

同一进程Binder所传输数据总量大小限制：1MB
- 普通的由Zygote孵化而来的用户进程，所映射的Binder内存大小是不到1M的
在

Android 6和Android 7上面，又进行了更加严格的限制，Binder单次传输数据大小限制：200KB

下面是传输限制的详细介绍：

在开发APP的时候，Binder对程序员几乎不可见，但是作为Android的数据运输系统，Binder的影响是全面性的，所以有时候如果不了解Binder的一些限制，在出现问题的时候往往是没有任何头绪。比如在Activity之间传输BitMap的时候，如果Bitmap过大，就会引起问题，比如崩溃等，这其实就跟Binder传输数据大小的限制有关系，在上面的一次拷贝中分析过，mmap函数会为Binder数据传递映射一块连续的虚拟地址，这块虚拟内存空间其实是有大小限制的，不同的进程可能还不一样。

普通的由Zygote孵化而来的用户进程，所映射的Binder内存大小是不到1M的，准确说是 110241024) – (4096 *2) ：这个限制定义在ProcessState类中，如果传输说句超过这个大小，系统就会报错，因为Binder本身就是为了进程间频繁而灵活的通信所设计的，并不是为了拷贝大数据而使用的：

#define BINDER_VM_SIZE ((1*1024*1024) - (4096 *2))

而在内核中，其实也有个限制，是4M，不过由于APP中已经限制了不到1M，这里的限制似乎也没多大用途：

static int binder_mmap(struct file *filp， struct vm_area_struct *vma)
{
	int ret;
	struct vm_struct *area;
	struct binder_proc *proc = filp->private_data;
	const char *failure_string;
	struct binder_buffer *buffer;
    //限制不能超过4M
	if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
		vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
	。。。
	}

有个特殊的进程ServiceManager进程，它为自己申请的Binder内核空间是128K，这个同ServiceManager的用途是分不开的，ServcieManager主要面向系统Service，只是简单的提供一些addServcie，getService的功能，不涉及多大的数据传输，因此不需要申请多大的内存：

int main(int argc， char **argv)
{
    struct binder_state *bs;
    void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;

		// 仅仅申请了128k
    bs = binder_open(128*1024);
 if (binder_become_context_manager(bs)) {
        ALOGE("cannot become context manager (%s)\n"， strerror(errno));
        return -1;
    }

    svcmgr_handle = svcmgr;
    binder_loop(bs， svcmgr_handler);
    return 0;
}

Binder通讯模型

4.1服务端、客户端、ServiceManager、Binder驱动

文章一开头就说过， Binder基于服务端/客户端架构，主要包括服务端、客户端、ServiceManager， Binder驱动这4个部分。以进程A与进程B通讯为例，进程B就是客户端，进程A为服务端。其中服务端、客户端、ServiceManager运行在用户空间，只有Binder驱动运行在内核空间。ServiceManager和Binder驱动是系统提供的，服务端和客户端则由应用程序来实现。

4.1.1 Binder驱动

Binder驱动在系统里对应/dev/binder文件，负责进程间Binder通讯的建立。是服务端、客户端、ServiceManager这3者之间的桥梁。Binder跨进程传递、Binder引用计数管理、数据包跨进程传递等一系列操作都需要Binder提供支持。

4.1.2 ServiceManager

ServiceManager作用很强大，在Binder通讯中，主要作用管理服务端和客户端。

Android系统启动过程中，SystemServer会向BinderDriver注册ServiceManager，BinderDriver自动为ServiceManager创建Binder实体。所有在这之后启动的应用进程都会持有这个Binder的句柄，为0号引用，即所有用户进程的0号引用都指向该Binder。

4.2 使用Binder进行数据传输的具体过程

以下图进程A和进程B的通讯过程举例：

4.2.1 服务端向ServiceManager注册

服务进程向Binder进程发起服务注册
Binder驱动将注册请求转发给ServiceManager进程
ServiceManager进程添加这个服务进程

该案例中，进程B作为服务端，可以通过第0号引用获得ServiceManager的Binder引用，通过该Binder引用和ServiceManager通讯。进程B会先创建自己的Binder实体，并起个容易记得的名字，如”进程B”，将这个Binder实体和名字一起打包，通过第0号引用通知ServiceManager注册一个名为”进程B”的Binder。此时，会由Binder驱动为进程B创建位于内核空间的Binder实体，以及ServiceManager对该Binder实体的引用，ServiceManager可以通过”讲程B”这个名字找到新创建的讲程B的Binder实体。

有一个叫法问题需要统一下，在进程A与进程B通讯的案例中，进程B作为服务端。但是在进程B通过第0号引用向ServiceManager注册时，进程B其实是作为“客户端”，ServiceManager是”服务端”。也就是一个进程，比如进程B可能是提供服务的服务端，但至少对于ServiceManager这个进程来说，进程B仍然是一个”客户端”。

4.2.2 客户端获取服务端Binder引用

用户进程向Binder驱动发起获取服务的请求，传递要获取的服务名称Binder驱动
将该请求转发给ServiceManager进程
ServiceManager进程查到到用户进程需要的服务进程信息最后
通过Binder驱动将上述服务信息返回个用户进程

作为服务端的进程B已经向ServiceManager注册好，此时作为客户端的进程A也可以通过第0号引用，向ServiceManager请求访问名字叫做”进程B”的Binder引用。

ServiceManager通过客户端发送过来的名字，查到对应的进程B的Binder引用回复给进程A。进程A就可以通过该Binder引用和进程B通讯了。到此为止，Binder驱动为作为服务端的进程B创建了位于内核空间的Binder实体，同时ServiceManager拥有该Binder实体的引用，作为客户端的进程A也拥有该Binder实体的引用。如果接下来有进程C也作为客户端请求进程B的Binder，则最后进程C也会拥有进程B的Binder实体的引用。

4.2.3 使用服务

Binder通过内存映射建立数据缓存区
根据ServiceManager查到的服务的进程和数据缓存区，数据缓存区和client进程的内存缓存区建立映射
client调用copy_from_user数据到内存缓存区
收到binder启动后服务进程根据用户进程要求调用目标方法
服务进程将目标方法的结果返回给用户进程

具体过程整理如下表所示：

4.3 Binder通讯中的代理模式

上面说到作为客户端的进程A通过Binder驱动获取到了作为服务端的进程B的Binder引用，这个Binder引用更准确来说应该称为BinderProxy，也就是进程A获取到的是进程B的Binder代理对象，通过该Binder代理对象，进程A可以调用进程B提供的方法。当然，因为进程A和B毕竟存在进程边界。所以进程A获取到的进程B的Binder代理对象并非可以直接使用进程B提供的方法。进程A只是调用方法时，把请求参数打包成Parcel对象，通过Binder代理对象发给Binder驱动，Binder驱动看到这个Binder代理对象是进程B的Binder代理，就会通知进程B解包Parcel对象，使用传入的请求参数，调用对应的方法，最后把进程B执行完的结果返回给进程A。但对于进程A来说，就像是直接调用了进程B的方法。

具体代码层面:

服务端中的Service给客户端提供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
client进程的请求数据data通过代理binder对象的transact方法，发送到内核空间，当前线程被挂起
server进程收到binder驱动通知， onTransact(在线程池中进行数据反序列化&调用目标方法)处理客户端请求，并将结果写入reply
Binder驱动将server进程的目标方法执行结果，拷贝到client进程的内核空间
Binder驱动通知client进程，之前挂起的线程被唤醒，并收到返回结果

4.4 好多Binder分不清？

在上面说的服务端、客户端、ServiceManager、Binder驱动这4个部分，他们的代表都是”Binder”, Binder一词出现多次，可能有部分同学觉得有点乱，现在统一理一遍:

通常意义:通常我们说”Binder”，就是指Android里面的一种跨进程通讯机制;
服务端进程:对服务端进程来说, “Binder”指服务端进程创建的自己的Binder本地对象
客户单进程:对客户端进程来说, “Binder”指客户端进程从ServiceManager拿到的服务端进程里的Binder本地对象,在客户端进程的一个Binder代理对象；
传输过程:在跨进程传输过程中, “Binder”是可以进行跨进程传递的对象; Binder驱动会对具有跨进程传递能力的对象做特殊处理,会自动完成代理对象和本地对象的转换。

4.5 Binder源码分析

本文不涉及源码分析，因为笔者也是还在学习源码中，不过推荐网上找到的一个比较好的系列：

Binder系列

4.6 参考文档