听说你Binder机制学的不错，来面试下这几个问题「终于解决」

作者：看书的小蜗牛

博客：https://www.jianshu.com/u/3b1099674c2c

引言

Binder承担了绝大部分Android进程通信的职责，可以看做是Android的血管系统，负责不同服务模块进程间的通信。

在对Binder的理解上，可大可小，日常APP开发并不怎么涉及Binder通信知识，最多就是Service及AIDL的使用会涉及部分Binder知识。

Binder往小了说可总结成一句话：

一种IPC进程间通信方式，负责进程A的数据，发送到进程B。

往大了说，其实涉及的知识还是很多的，如Android 对于原Binder驱动的扩展、Zygote进程孵化中对于Binder通信的支持、Java层Binder封装，Native层对于Binder通信的封装、Binder讣告机制等等。很多分析Binder框架的文都是从ServiceManager、Binder驱动、addService、getService来分析等来分析，其实这些主要是针对系统提供的服务，但是bindService启动的服务走的却还是有很大不同的。

本篇文章主要简述一些Binder难以理解的点，但不会太细的跟踪分析。

提纲

以下是本文简述的点，由于篇幅关系有删减，感兴趣的同学可以阅读原文。

• Binder的定向制导，如何找到目标Binder，唤起进程或者线程

• Binder中的红黑树，为什么会有两棵binder_ref红黑树

• Binder一次拷贝原理(直接拷贝到目标线程的内核空间，内核空间与用户空间对应)

• 系统服务与bindService等启动的服务的区别

• Binder线程、Binder主线程、Client请求线程的概念与区别

1. Binder如何精确制导

Binder实体服务其实有两种，一是通过addService注册到ServiceManager中的服务，比如：ActivityManagerService、PackageManagerService、PowerManagerService等，一般都是系统服务；

还有一种是通过bindService拉起的一些服务，一般是开发者自己实现的服务。

这里先看通过addService添加的被ServiceManager所管理的服务。有很多分析ServiceManager的文章，本文不分析ServiceManager，只是简单提一下。

ServiceManager是比较特殊的服务，所有应用都能直接使用，因为ServiceManager对于Client端来说Handle句柄是固定的，都是0，所以ServiceManager服务并不需要查询，可以直接使用。

理解Binder定向制导的关键是理解Binder的四棵红黑树，先看一下binder_proc结构体，在它内部有四棵红黑树，threads，nodes，refs_by_desc，refs_by_node。

nodes就是Binder实体在内核中对应的数据结构，binder_node里记录进程相关的binder_proc，还有Binder实体自身的地址等信息，nodes红黑树位于binder_proc，可以知道Binder实体其实是进程内可见，而不是线程内。

(P.S., 对红黑树要是不太了解的同学，先自行脑补下二叉搜索树的样子，有机会专门写一篇来说明）

struct binder_proc {
struct hlist_node proc_node;
struct rb_root threads;
struct rb_root nodes;
struct rb_root refs_by_desc;
struct rb_root refs_by_node;
...
struct list_head todo;
wait_queue_head_t wait;
...
};

现在假设存在一堆Client与Service，Client如何才能访问Service呢？

首先Service会通过addService将binder实体注册到ServiceManager中去，Client如果想要使用Servcie，就需要通过getService向ServiceManager请求该服务。

在Service通过addService向ServiceManager注册的时候，ServiceManager会将服务相关的信息存储到自己进程的Service列表中去，同时在ServiceManager进程的binder_ref红黑树中为Service添加binder_ref节点，这样ServiceManager就能获取Service的Binder实体信息。

而当Client通过getService向ServiceManager请求该Service服务的时候，ServiceManager会在注册的Service列表中查找该服务，如果找到就将该服务返回给Client。

在这个过程中，ServiceManager会在Client进程的binder_ref红黑树中添加binder_ref节点，可见本进程中的binder_ref红黑树节点都不是本进程自己创建的，要么是Service进程将binder_ref插入到ServiceManager中去，要么是ServiceManager进程将binder_ref插入到Client中去。之后，Client就能通过Handle句柄获取binder_ref，进而访问Service服务。

binder_ref添加逻辑

getService之后，便可以获取binder_ref引用，进而获取到binder_proc与binder_node信息，之后Client便可有目的的将binder_transaction事务插入到binder_proc的待处理列表，并且，如果进程正在睡眠，就唤起进程。

其实这里到底是唤起进程还是线程也有讲究，对于Client向Service发送请求的状况，一般都是唤醒binder_proc上睡眠的线程：

struct binder_ref {
int debug_id;
struct rb_node rb_node_desc;
struct rb_node rb_node_node;
struct hlist_node node_entry;
struct binder_proc *proc;
struct binder_node *node;
uint32_t desc;
int strong;
int weak;
struct binder_ref_death *death;
};

2. binder_proc为何会有两棵binder_ref红黑树

binder_proc中存在两棵binder_ref红黑树，其实两棵红黑树中的节点是复用的，只是查询方式不同，一个通过handle句柄，一个通过node节点查找。

个人理解：

refs_by_node红黑树主要是为了binder驱动往用户空间写数据所使用的，而refs_by_desc是用户空间向Binder驱动写数据使用的，只是方向问题。

比如在服务addService的时候，binder驱动会在在ServiceManager进程的binder_proc中查找binder_ref结构体，如果没有就会新建binder_ref结构体。

再比如在Client端getService的时候，binder驱动会在Client进程中通过 binder_get_ref_for_node为Client创建binder_ref结构体，并分配句柄，同时插入到refs_by_desc红黑树中。

可见refs_by_node红黑树，主要是给binder驱动往用户空间写数据使用的。相对的refs_by_desc主要是为了用户空间往binder驱动写数据使用的，当用户空间已经获得Binder驱动为其创建的binder_ref引用句柄后，就可以通过binder_get_ref从refs_by_desc找到响应binder_ref，进而找到目标binder_node。

可见有两棵红黑树主要是区分使用对象及数据流动方向，看下面的代码就能理解：

// 根据32位的uint32_t desc来查找，可以看到，binder_get_ref不会新建binder_ref节点
static struct binder_ref *binder_get_ref(struct binder_proc *proc,
uint32_t desc)
{
struct rb_node *n = proc->refs_by_desc.rb_node;
struct binder_ref *ref;
while (n) {
ref = rb_entry(n, struct binder_ref, rb_node_desc);
if (desc < ref->desc)
n = n->rb_left;
else if (desc > ref->desc)
n = n->rb_right;
else
return ref;
}
return ;
}

可以看到binder_get_ref并具备binder_ref的创建功能，相对应的看一下binder_get_ref_for_node，binder_get_ref_for_node红黑树主要通过binder_node进行查找，如果找不到，就新建binder_ref，同时插入到两棵红黑树中去

static struct binder_ref *binder_get_ref_for_node(struct binder_proc *proc,
struct binder_node *node)
{
struct rb_node *n;
struct rb_node **p = &proc->refs_by_node.rb_node;
struct rb_node *parent = ;
struct binder_ref *ref, *new_ref;
while (*p) {
parent = *p;
ref = rb_entry(parent, struct binder_ref, rb_node_node);
if (node < ref->node)
p = &(*p)->rb_left;
else if (node > ref->node)
p = &(*p)->rb_right;
else
return ref;
}

// binder_ref 可以在两棵树里面，但是，两棵树的查询方式不同，并且通过desc查询，不具备新建功能
new_ref = kzalloc(sizeof(*ref), GFP_KERNEL);
if (new_ref == )
return ;
binder_stats_created(BINDER_STAT_REF);
new_ref->debug_id = ++binder_last_id;
new_ref->proc = proc;
new_ref->node = node;
rb_link_node(&new_ref->rb_node_node, parent, p);
// 插入到proc->refs_by_node红黑树中去
rb_insert_color(&new_ref->rb_node_node, &proc->refs_by_node);
// 是不是ServiceManager的
new_ref->desc = (node == binder_context_mgr_node) ? 0 : 1;
// 分配Handle句柄，为了插入到refs_by_desc
for (n = rb_first(&proc->refs_by_desc); n != ; n = rb_next(n)) {
ref = rb_entry(n, struct binder_ref, rb_node_desc);
if (ref->desc > new_ref->desc)
break;
new_ref->desc = ref->desc + 1;
}
// 找到目标位置
p = &proc->refs_by_desc.rb_node;
while (*p) {
parent = *p;
ref = rb_entry(parent, struct binder_ref, rb_node_desc);
if (new_ref->desc < ref->desc)
p = &(*p)->rb_left;
else if (new_ref->desc > ref->desc)
p = &(*p)->rb_right;
else
BUG;
}
rb_link_node(&new_ref->rb_node_desc, parent, p);
// 插入到refs_by_desc红黑树中区
rb_insert_color(&new_ref->rb_node_desc, &proc->refs_by_desc);

if (node) {
hlist_add_head(&new_ref->node_entry, &node->refs);
binder_debug(BINDER_DEBUG_INTERNAL_REFS,
"binder: %d new ref %d desc %d for "
"node %d\n", proc->pid, new_ref->debug_id,
new_ref->desc, node->debug_id);
} else {
binder_debug(BINDER_DEBUG_INTERNAL_REFS,
"binder: %d new ref %d desc %d for "
"dead node\n", proc->pid, new_ref->debug_id,
new_ref->desc);
}
return new_ref;
}

该函数调用在binder_transaction函数中，其实就是在binder驱动访问target_proc的时候，这也也很容易理解，Handle句柄对于跨进程没有任何意义，进程A中的Handle，放到进程B中是无效的。

两棵binder_ref红黑树

3. Binder一次拷贝原理

Android选择Binder作为主要进程通信的方式同其性能高也有关系，Binder只需要一次拷贝就能将A进程用户空间的数据为B进程所用。这里主要涉及两个点：

• Binder的map函数，会将内核空间直接与用户空间对应，用户空间可以直接访问内核空间的数据

• A进程的数据会被直接拷贝到B进程的内核空间（一次拷贝）

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

ProcessState::ProcessState
: mDriverFD(open_driver)
, mVMStart(MAP_FAILED)
, mManagesContexts(false)
, mBinderContextCheckFunc
, mBinderContextUserData
, mThreadPoolStarted(false)
, mThreadPoolSeq(1){
if (mDriverFD >= 0) {
....
// mmap the binder, providing a chunk of virtual address space to receive transactions.
mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
...

}
}

mmap函数属于系统调用，mmap会从当前进程中获取用户态可用的虚拟地址空间（vm_area_struct *vma），并在mmap_region中真正获取vma，然后调用file->f_op->mmap(file, vma)，进入驱动处理，之后就会在内存中分配一块连续的虚拟地址空间，并预先分配好页表、已使用的与未使用的标识、初始地址、与用户空间的偏移等等，通过这一步之后，就能把Binder在内核空间的数据直接通过指针地址映射到用户空间，供进程在用户空间使用，这是一次拷贝的基础，一次拷贝在内核中的标识如下：

struct binder_proc {
struct hlist_node proc_node;
// 四棵比较重要的树
struct rb_root threads;
struct rb_root nodes;
struct rb_root refs_by_desc;
struct rb_root refs_by_node;
int pid;
struct vm_area_struct *vma; //虚拟地址空间，用户控件传过来
struct mm_struct *vma_vm_mm;
struct task_struct *tsk;
struct files_struct *files;
struct hlist_node deferred_work_node;
int deferred_work;
void *buffer; //初始地址
ptrdiff_t user_buffer_offset; //这里是偏移

struct list_head buffers;//这个列表连接所有的内存块，以地址的大小为顺序，各内存块首尾相连
struct rb_root free_buffers;//连接所有的已建立映射的虚拟内存块，以内存的大小为index组织在以该节点为根的红黑树下
struct rb_root allocated_buffers;//连接所有已经分配的虚拟内存块，以内存块的开始地址为index组织在以该节点为根的红黑树下
}

上面只是在APP启动的时候开启的地址映射，但并未涉及到数据的拷贝，下面看数据的拷贝操作。

当数据从用户空间拷贝到内核空间的时候，是直从当前进程的用户空间接拷贝到目标进程的内核空间，这个过程是在请求端线程中处理的，操作对象是目标进程的内核空间。看如下代码：

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc, struct binder_thread *thread, struct binder_transaction_data *tr, int reply){ ... 在通过进行binder事物的传递时，如果一个binder事物（用struct binder_transaction结构体表示）需要使用到内存， 就会调用binder_alloc_buf函数分配此次binder事物需要的内存空间。 需要注意的是：这里是从目标进程的binder内存空间分配所需的内存 //从target进程的binder内存空间分配所需的内存大小,这也是一次拷贝，完成通信的关键，直接拷贝到目标进程的内核空间 //由于用户空间跟内核空间仅仅存在一个偏移地址，所以也算拷贝到用户空间 t->buffer = binder_alloc_buf(target_proc, tr->data_size, tr->offsets_size, !reply && (t->flags & TF_ONE_WAY)); t->buffer->allow_user_free = 0; t->buffer->debug_id = t->debug_id; //该binder_buffer对应的事务  t->buffer->transaction = t; //该事物对应的目标binder实体 ,因为目标进程中可能不仅仅有一个Binder实体 t->buffer->target_node = target_node; trace_binder_transaction_alloc_buf(t->buffer); if (target_node) binder_inc_node(target_node, 1, 0, ); // 计算出存放flat_binder_object结构体偏移数组的起始地址，4字节对齐。 offp = (size_t *)(t->buffer->data + ALIGN(tr->data_size, sizeof(void *))); // struct flat_binder_object是binder在进程之间传输的表示方式 // // 这里就是完成binder通讯单边时候在用户进程同内核buffer之间的一次拷贝动作 // // 这里的数据拷贝，其实是拷贝到目标进程中去，因为t本身就是在目标进程的内核空间中分配的， if (copy_from_user(t->buffer->data, tr->data.ptr.buffer, tr->data_size)) { binder_user_error("binder: %d:%d got transaction with invalid " "data ptr\n", proc->pid, thread->pid); return_error = BR_FAILED_REPLY; goto err_copy_data_failed; }

可以看到binder_alloc_buf(target_proc, tr->data_size,tr->offsets_size, !reply && (t->flags & TF_ONE_WAY))函数在申请内存的时候，是从target_proc进程空间中去申请的，这样在做数据拷贝的时候copy_from_user(t->buffer->data, tr->data.ptr.buffer, tr->data_size))，就会直接拷贝target_proc的内核空间，而由于Binder内核空间的数据能直接映射到用户空间，这里就不在需要拷贝到用户空间。

这就是一次拷贝的原理。

内核空间的数据映射到用户空间其实就是添加一个偏移地址，并且将数据的首地址、数据的大小都复制到一个用户空间的Parcel结构体，具体可以参考Parcel.cpp的Parcel::ipcSetDataReference函数。

Binder一次拷贝原理

4. 系统服务与bindService等启动的服务的区别

服务可分为系统服务与普通服务，系统服务一般是在系统启动的时候，由SystemServer进程创建并注册到ServiceManager中的。而普通服务一般是通过ActivityManagerService启动的服务，或者说通过四大组件中的Service组件启动的服务。这两种服务在实现跟使用上是有不同的，主要从以下几个方面：

• 服务的启动方式

• 服务的注册与管理

• 服务的请求使用方式

首先看一下服务的启动上，系统服务一般都是SystemServer进程负责启动，比如AMS，WMS，PKMS，电源管理等，这些服务本身其实实现了Binder接口，作为Binder实体注册到ServiceManager中，被ServiceManager管理，而SystemServer进程里面会启动一些Binder线程，主要用于监听Client的请求，并分发给响应的服务实体类，可以看出，这些系统服务是位于SystemServer进程中（有例外，比如Media服务）。在来看一下bindService类型的服务，这类服务一般是通过Activity的startService或者其他context的startService启动的，这里的Service组件只是个封装，主要的是里面Binder服务实体类，这个启动过程不是ServcieManager管理的，而是通过ActivityManagerService进行管理的，同Activity管理类似。

再来看一下服务的注册与管理：系统服务一般都是通过ServiceManager的addService进行注册的，这些服务一般都是需要拥有特定的权限才能注册到ServiceManager，而bindService启动的服务可以算是注册到ActivityManagerService，只不过ActivityManagerService管理服务的方式同ServiceManager不一样，而是采用了Activity的管理模型，详细的可以自行分析。

最后看一下使用方式，使用系统服务一般都是通过ServiceManager的getService得到服务的句柄，这个过程其实就是去ServiceManager中查询注册系统服务。而bindService启动的服务，主要是去ActivityManagerService中去查找相应的Service组件，最终会将Service内部Binder的句柄传给Client。

系统服务与bindService启动服务的区别

5. Binder线程、Binder主线程、Client请求线程的概念与区别

Binder线程是执行Binder服务的载体，只对于服务端才有意义，对请求端来说，是不需要考虑Binder线程的，但Android系统的处理机制其实大部分是互为C/S的。比如APP与AMS进行交互的时候，都互为对方的C与S，这里先不讨论这个问题，先看Binder线程的概念。

Binder线程就是执行Binder实体业务的线程，一个普通线程如何才能成为Binder线程呢？很简单，只要开启一个监听Binder字符设备的Loop线程即可，在Android中有很多种方法，不过归根到底都是监听Binder，换成代码就是通过ioctl来进行监听。

拿ServerManager进程来说，其主线就是Binder线程，其做法是通过binder_loop实现不死线程：

void binder_loop(struct binder_state *bs, binder_handler func)
{
...
for (;;) {
<!--关键点1-->
res = ioctl(bs->fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr);
<!--关键点2-->
res = binder_parse(bs, 0, readbuf, bwr.read_consumed, func);
。。
}
}

上面的关键代码1就是阻塞监听客户端请求，2 就是处理请求，并且这是一个死循环，不退出。再来看SystemServer进程中的线程，在Android4.3（6.0以后打代码就不一样了）中SystemSever主线程便是Binder线程，同时一个Binder主线程。

Binder线程与Binder主线程的区别是：线程是否可以终止Loop，不过目前启动的Binder线程都是无法退出的，其实可以全部看做是Binder主线程，其实现原理是，在SystemServer主线程执行到最后的时候，Loop监听Binder设备，变身死循环线程，关键代码如下：

extern "C" status_t system_init
{
...
ALOGI("System server: entering thread pool.\n");
ProcessState::self->startThreadPool;
IPCThreadState::self->joinThreadPool;
ALOGI("System server: exiting thread pool.\n");
return NO_ERROR;
}

ProcessState::self->startThreadPool是新建一个Binder主线程，而PCThreadState::self->joinThreadPool是将当前线程变成Binder主线程。其实startThreadPool最终也会调用joinThreadPool，看下其关键函数：

void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
...
status_t result;
do {
int32_t cmd;
...关键点1
result = talkWithDriver;
if (result >= NO_ERROR) {
...关键点2
result = executeCommand(cmd);
}
// 非主线程的可以退出
if(result == TIMED_OUT && !isMain) {
break;
}
// 死循环，不完结，调用了这个，就好比是开启了Binder监听循环，
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
}

status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
do {
...关键点3
if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)
}

先看关键点1 talkWithDriver，其实质还是去掉用ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)去不断的监听Binder字符设备，获取到Client传输的数据后，再通过executeCommand去执行相应的请求，joinThreadPool是普通线程化身Binder线程最常见的方式。不信，就再看一个MediaService,看一下main_mediaserver的main函数：

int main(int argc, char** argv)
{
。。。
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self);
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager;
ALOGI("ServiceManager: %p", sm.get);
AudioFlinger::instantiate;
MediaPlayerService::instantiate;
CameraService::instantiate;
AudioPolicyService::instantiate;
registerExtensions;
ProcessState::self->startThreadPool;
IPCThreadState::self->joinThreadPool;
}

其实还是通过joinThreadPool变身Binder线程，至于是不是主线程，看一下下面的函数：

void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)

void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
if (mThreadPoolStarted) {
String8 name = makeBinderThreadName;
ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string);
sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
t->run(name.string);
}
}

其实关键就是就是传递给joinThreadPool函数的isMain是否是true，不过是否是Binder主线程并没有什么用，因为源码中并没有为这两者的不同处理留入口，感兴趣可以去查看一下binder中的TIMED_OUT。

最后来看一下普通Client的binder请求线程，比如我们APP的主线程，在startActivity请求AMS的时候，APP的主线程成其实就是Binder请求线程，在进行Binder通信的过程中，Client的Binder请求线程会一直阻塞，知道Service处理完毕返回处理结果。

本文先讲到这里，内容比较多，多看看多理解。

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今日问题：

Binder机制里有哪些难理解的点？

打卡格式：

打卡 X 天，答：xxx 。