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Android Binder 系统学习笔记（一）Binder系统的基本使用方法
1.什么是RPC（远程过程调用）
Binder系统的目的是实现远程过程调用（RPC），即进程A去调用进程B的某个函数，它是在进程间通信（IPC）的基础上实现的。RPC的一个应用场景如下：
A进程想去打开LED，它会去调用led_open，然后调用led_ctl,但是如果A进程并没有权限去打开驱动程序呢？
假设此时有一个进程B由权限去操作LED驱动程序，那么进程A可以通过如下方式来操作LED驱动：
①封装数据，即A进程首先把想要调用的B进程的某个函数的（事先约定好的）代号等信息封装成数据包
②A进程把封装好了的数据包通过IPC（进程间通信）发送给B进程
③B取出数据之后，通过从数据包里解析出来的函数的代号来调用它自己相应的led_open或led_ctl函数
整个过程的结果好像A程序直接来操纵LED一样，这就是所谓的RPC。整个过程涉及到了IPC（进程间通信）的三大要素，源、目的和数据。在这个例子里面，源就是进程A，目的是进程B，数据实际上就是一个双方约定好了数据格式的buffer。
2.Binder系统实现的RPC
Binder系统采用的是CS架构，提供服务的进程称为server进程，访问服务的进程称为client进程，server进程和client进程的通信需要依靠内核中的Binder驱动来进行。同时Binder系统提供了一个上下文的管理者servicemanager, server进程可以向servicemanager注册服务，然后client进程可以通过向servicemanager查询服务来获取server进程注册的服务。
回到上面的例子，A进程想操作LED，它可以通过将B进程的某个函数的（事先约定好的）代号通过IPC发给B进程，通过B进程来间接的操作LED，但是如果A进程不知道可以通过哪个进程来间接的操作LED呢，它应该将封装好了的数据包发送给哪个进程呢？这就引入了Binder系统的大管家servicemanager。首先B进程向servicemanager注册LED服务，然后我们的A进程就可以通过向servicemanager查询LED服务，就会得到一个handle，这个handle就是指向进程B的，这样进程A就知道把数据包（约定好数据格式的buffer）发送给哪个进程就可以间接的操作LED了。在这个例子中进程B就是server进程，进程A是client进程。
小小的总结一下，在 Binder系统中主要涉及到4个东西，一个是我们的A进程也就是client进程，一个是B进程也就是我们的server进程。client进程怎么知道要向哪一个server进程发送数据呢，中间就引入了Binder系统的大管家servicemanager。client进程、server进程和servicemanager之间的通信是建立在内核binder驱动的基础上的，它们四个的关系如下图所示
3.Binder系统的简单应用（基于Android内核，抛开Android系统框架）
在Android源码里面有一些C语言写的binder应用程序
frameworks/native/cmds/servicemanager/bctest.c frameworks/native/cmds/servicemanager/binder.c frameworks/native/cmds/servicemanager/binder.h frameworks/native/cmds/servicemanager/service_manager.c
我们可以参照这些程序，基于Android内核，在Linux上实现一个Binder RPC的程序来理解使用Binder实现进程间通信的整个函数调用过程。
我们首先把android源码frameworks/native/cmds/servicemanager目录下的内容拷贝到我们自己的工程中，然后基于bctest.c来实现我们的server和client程序，因为我们是脱离Android系统来实现的，所以还需要将依赖的头文件拷贝到工程中，然后对service_manager.c和binder.c做一些修改，去掉一些不必要的内容。最后我们还需要写一个Makefile文件来构建整个工程，工程结构如下图所示。
3.1.Server进程
首先实现Server程序，它实现两个函数，sayhello和sayhello_to，并通过binder系统将向ServiceManager注册服务，然后循环的从binder驱动读取client进程发过来请求数据，并且通过这些请求数据调用自己相应的sayhello和sayhello_to函数。整个过程如下图所示。
接着我们就来分析以下具体的代码
/*test_server.h*/ #ifndef _TEST_SERVER_H #define _TEST_SERVER_H /*事先约定好的Server进程的相应函数的代号*/ #define HELLO_SVR_CMD_SAYHELLO 0 #define HELLO_SVR_CMD_SAYHELLO_TO 1 #endif // _TEST_SERVER_H
/*test_server.c*/ /* Copyright 2008 The Android Open Source Project */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <linux/types.h> #include<stdbool.h> #include <string.h> #include <private/android_filesystem_config.h> #include "binder.h" #include "test_server.h" int svcmgr_publish(struct binder_state *bs, uint32_t target, const char *name, void *ptr) { int status; unsigned iodata[512/4]; struct binder_io msg, reply; bio_init(&msg, iodata, sizeof(iodata), 4); bio_put_uint32(&msg, 0); // strict mode header bio_put_string16_x(&msg, SVC_MGR_NAME); bio_put_string16_x(&msg, name); bio_put_obj(&msg, ptr); /*远程调用ServiceManager的do_add_service函数*/ if (binder_call(bs, &msg, &reply, target, SVC_MGR_ADD_SERVICE)) return -1; status = bio_get_uint32(&reply); binder_done(bs, &msg, &reply); return status; } void sayhello(void) { static int cnt = 0; fprintf(stderr, "say hello : %d\n", cnt++); } int sayhello_to(char *name) { static int cnt = 0; fprintf(stderr, "say hello to %s : %d\n", name, cnt++); return cnt; } int hello_service_handler(struct binder_state *bs, struct binder_transaction_data *txn, struct binder_io *msg, struct binder_io *reply) { /* 根据txn->code知道要调用哪一个函数 * 如果需要参数, 可以从msg取出 * 如果要返回结果, 可以把结果放入reply */ /* sayhello * sayhello_to */ uint16_t *s; char name[512]; size_t len; uint32_t handle; uint32_t strict_policy; int i; // Equivalent to Parcel::enforceInterface(), reading the RPC // header with the strict mode policy mask and the interface name. // Note that we ignore the strict_policy and don‘t propagate it // further (since we do no outbound RPCs anyway). strict_policy = bio_get_uint32(msg); switch(txn->code) { case HELLO_SVR_CMD_SAYHELLO: sayhello(); return 0; case HELLO_SVR_CMD_SAYHELLO_TO: /* 从msg里取出字符串 */ s = bio_get_string16(msg, &len); if (s == NULL) { return -1; } for (i = 0; i < len; i++) name[i] = s[i]; name[i] = ‘\0‘; /* 处理 */ i = sayhello_to(name); /* 把结果放入reply */ bio_put_uint32(reply, i); break; default: fprintf(stderr, "unknown code %d\n", txn->code); return -1; } return 0; } int main(int argc, char **argv) { int fd; struct binder_state *bs; uint32_t svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER; uint32_t handle; int ret; /*打开并映射binder驱动*/ bs = binder_open(128*1024); if (!bs) { fprintf(stderr, "failed to open binder driver\n"); return -1; } /* 向ServiceManager注册服务 */ ret = svcmgr_publish(bs, svcmgr, "hello", (void *)123); if (ret) { fprintf(stderr, "failed to publish hello service\n"); return -1; } ret = svcmgr_publish(bs, svcmgr, "goodbye", (void *)124); if (ret) { fprintf(stderr, "failed to publish goodbye service\n"); } #if 0 while (1) { /* read data */ /* parse data, and process */ /* reply */ } #endif /*通过我们传入的hello_service_handler循环处理从binder驱动读出的数据*/ binder_loop(bs, hello_service_handler); return 0; }
接着我们来分析一下这个binder_loop函数，它主要实现了3个功能
1.读数据
2.解析并处理数据
3.回复
void binder_loop(struct binder_state *bs, binder_handler func) { int res; struct binder_write_read bwr; uint32_t readbuf[32]; //bwr.write_size = 0 表明下面的ioctl不会发起写操作，只不过发起读操作 bwr.write_size = 0; bwr.write_consumed = 0; bwr.write_buffer = 0; readbuf[0] = BC_ENTER_LOOPER; binder_write(bs, readbuf, sizeof(uint32_t)); for (;;) { bwr.read_size = sizeof(readbuf); bwr.read_consumed = 0; bwr.read_buffer = (uintptr_t) readbuf; /*通过ioctl从binder驱动中读数据*/ res = ioctl(bs->fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr); if (res < 0) { ALOGE("binder_loop: ioctl failed (%s)\n", strerror(errno)); break; } //读到数据之后调用binder_parse解析数据，如果传入func参数还会处理数据 res = binder_parse(bs, 0, (uintptr_t) readbuf, bwr.read_consumed, func); if (res == 0) { ALOGE("binder_loop: unexpected reply?!\n"); break; } if (res < 0) { ALOGE("binder_loop: io error %d %s\n", res, strerror(errno)); break; } } }
看一下我们是怎么处理数据的，注意我们传入的binder_handler这个参数，它是一个函数指针
int binder_parse(struct binder_state *bs, struct binder_io *bio, uintptr_t ptr, size_t size, binder_handler func) { int r = 1; uintptr_t end = ptr + (uintptr_t) size; while (ptr < end) { uint32_t cmd = *(uint32_t *) ptr; ptr += sizeof(uint32_t); #if TRACE fprintf(stderr,"%s:\n", cmd_name(cmd)); #endif switch(cmd) { case BR_NOOP: break; case BR_TRANSACTION_COMPLETE: break; case BR_INCREFS: case BR_ACQUIRE: case BR_RELEASE: case BR_DECREFS: #if TRACE fprintf(stderr," %p, %p\n", (void *)ptr, (void *)(ptr + sizeof(void *))); #endif ptr += sizeof(struct binder_ptr_cookie); break; //我们收到的命令是BR_TRANSACTION case BR_TRANSACTION: { struct binder_transaction_data *txn = (struct binder_transaction_data *) ptr; if ((end - ptr) < sizeof(*txn)) { ALOGE("parse: txn too small!\n"); return -1; } binder_dump_txn(txn); if (func) { unsigned rdata[256/4]; struct binder_io msg; struct binder_io reply; int res; //接收到数据之后，构造一个binder_io bio_init(&reply, rdata, sizeof(rdata), 4); bio_init_from_txn(&msg, txn); //调用我们的处理函数 res = func(bs, txn, &msg, &reply); //处理完之后发送一个reply binder_send_reply(bs, &reply, txn->data.ptr.buffer, res); } ptr += sizeof(*txn); break; } case BR_REPLY: { struct binder_transaction_data *txn = (struct binder_transaction_data *) ptr; if ((end - ptr) < sizeof(*txn)) { ALOGE("parse: reply too small!\n"); return -1; } binder_dump_txn(txn); if (bio) { bio_init_from_txn(bio, txn); bio = 0; } else { /* todo FREE BUFFER */ } ptr += sizeof(*txn); r = 0; break; } case BR_DEAD_BINDER: { struct binder_death *death = (struct binder_death *)(uintptr_t) *(binder_uintptr_t *)ptr; ptr += sizeof(binder_uintptr_t); death->func(bs, death->ptr); break; } case BR_FAILED_REPLY: r = -1; break; case BR_DEAD_REPLY: r = -1; break; default: ALOGE("parse: OOPS %d\n", cmd); return -1; } } return r; }
3.2.Client进程
Client进程和Server进程的大致流程差不多，它首先打开和映射binder驱动，然后向ServiceManager查询服务，最后通过查询服务时ServiceManager返回的handle远程调用Server进程的函数，主要流程如下所示。
下面我们就分析一下具体的源码
/*test_client.c*/ /* Copyright 2008 The Android Open Source Project */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <linux/types.h> #include<stdbool.h> #include <string.h> #include <private/android_filesystem_config.h> #include "binder.h" #include "test_server.h" uint32_t svcmgr_lookup(struct binder_state *bs, uint32_t target, const char *name) { uint32_t handle; unsigned iodata[512/4]; struct binder_io msg, reply; bio_init(&msg, iodata, sizeof(iodata), 4); bio_put_uint32(&msg, 0); // strict mode header bio_put_string16_x(&msg, SVC_MGR_NAME); bio_put_string16_x(&msg, name); /*远程调用ServiceManager的do_find_service函数*/ if (binder_call(bs, &msg, &reply, target, SVC_MGR_CHECK_SERVICE)) return 0; handle = bio_get_ref(&reply); if (handle) binder_acquire(bs, handle); binder_done(bs, &msg, &reply); return handle; } struct binder_state *g_bs; uint32_t g_handle; void sayhello(void) { unsigned iodata[512/4]; struct binder_io msg, reply; /* 构造binder_io */ bio_init(&msg, iodata, sizeof(iodata), 4); bio_put_uint32(&msg, 0); // strict mode header /* 放入参数 */ /* 调用binder_call远程调用Server的sayhello函数*/ if (binder_call(g_bs, &msg, &reply, g_handle, HELLO_SVR_CMD_SAYHELLO)) return ; /* 从reply中解析出返回值 */ binder_done(g_bs, &msg, &reply); } int sayhello_to(char *name) { unsigned iodata[512/4]; struct binder_io msg, reply; int ret; /* 构造binder_io */ bio_init(&msg, iodata, sizeof(iodata), 4); bio_put_uint32(&msg, 0); // strict mode header /* 放入参数 */ bio_put_string16_x(&msg, name); /* 调用binder_call远程调用Server的sayhello_to函数 */ if (binder_call(g_bs, &msg, &reply, g_handle, HELLO_SVR_CMD_SAYHELLO_TO)) return 0; /* 从reply中解析出返回值 */ ret = bio_get_uint32(&reply); binder_done(g_bs, &msg, &reply); return ret; } /* ./test_client hello * ./test_client hello <name> */ int main(int argc, char **argv) { int fd; struct binder_state *bs; uint32_t svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER; uint32_t handle; int ret; if (argc < 2){ fprintf(stderr, "Usage:\n"); fprintf(stderr, "%s hello\n", argv[0]); fprintf(stderr, "%s hello <name>\n", argv[0]); return -1; } /*打开binder驱动*/ bs = binder_open(128*1024); if (!bs) { fprintf(stderr, "failed to open binder driver\n"); return -1; } g_bs = bs; /* 向ServiceManager查询hello服务 */ handle = svcmgr_lookup(bs, svcmgr, "hello"); if (!handle) { fprintf(stderr, "failed to get hello service\n"); return -1; } g_handle = handle; /* send data to server */ if (argc == 2) { sayhello(); } else if (argc == 3) { ret = sayhello_to(argv[2]); fprintf(stderr, "get ret of sayhello_to = %d\n", ret); } binder_release(bs, handle); return 0; }
这里需要注意的一点是，不管我们的Server进程还是Client进程，他们在远程调用其他进程的函数的时候，都是通过binder_call这个函数来实现的，下面我们就来分析一下这个函数。
int binder_call(struct binder_state *bs, struct binder_io *msg, struct binder_io *reply, uint32_t target, uint32_t code) { int res; /*构造参数*/ struct binder_write_read bwr; struct { uint32_t cmd; struct binder_transaction_data txn; } __attribute__((packed)) writebuf; unsigned readbuf[32]; if (msg->flags & BIO_F_OVERFLOW) { fprintf(stderr,"binder: txn buffer overflow\n"); goto fail; } writebuf.cmd = BC_TRANSACTION; writebuf.txn.target.handle = target; writebuf.txn.code = code; writebuf.txn.flags = 0; writebuf.txn.data_size = msg->data - msg->data0; writebuf.txn.offsets_size = ((char*) msg->offs) - ((char*) msg->offs0); writebuf.txn.data.ptr.buffer = (uintptr_t)msg->data0; writebuf.txn.data.ptr.offsets = (uintptr_t)msg->offs0; bwr.write_size = sizeof(writebuf); bwr.write_consumed = 0; bwr.write_buffer = (uintptr_t) &writebuf; hexdump(msg->data0, msg->data - msg->data0); for (;;) { bwr.read_size = sizeof(readbuf); bwr.read_consumed = 0; bwr.read_buffer = (uintptr_t) readbuf; /*调用ioctl发送数据*/ res = ioctl(bs->fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr); if (res < 0) { fprintf(stderr,"binder: ioctl failed (%s)\n", strerror(errno)); goto fail; } /*解析返回的数据*/ res = binder_parse(bs, reply, (uintptr_t) readbuf, bwr.read_consumed, 0); if (res == 0) return 0; if (res < 0) goto fail; } fail: memset(reply, 0, sizeof(*reply)); reply->flags |= BIO_F_IOERROR; return -1; }
其中第一个参数用来描述当前binder的状态，是调用binder_open时返回的，第二个参数是要发送的数据，第三个参数用来保存返回的数据，第四非参数是数据发送的目的地，即向谁发送数据，第五个参数是要调用的远程的函数的约定好的代号。
3.3.ServiceManager进程
分析完了Server进程和Client进程，紧接着就要来分析我们的大管家ServiceManager进程了，我们的Client进程想使用sayhello函数的时候，是不知道sayhello函数是属于哪一个进程的，有了我们的大管家之后，Client进程才能通过它来查找到Server进程。在Server进程向ServiceManager注册服务和Client进程向ServiceManager查询服务的时候，ServiceManager相对而言都是Server进程。下面就来分析一下这个大管家。
它首先也是打开和映射binder驱动，然后告诉binder驱动，我就是大管家，最后循环接收Server进程和Client进程的请求，它的主要流程如下图所示。
紧接着我们就来分析一下它的main函数，和其他一些主要的函数
int main(int argc, char **argv) { struct binder_state *bs; /*打开binder驱动*/ bs = binder_open(128*1024); if (!bs) { ALOGE("failed to open binder driver\n"); return -1; } /*告诉驱动，我是大管家*/ if (binder_become_context_manager(bs)) { ALOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno)); return -1; } svcmgr_handle = BINDER_SERVICE_MANAGER; /*进入无限循环，处理client端发来的请求*/ binder_loop(bs, svcmgr_handler); return 0; }
分析一下binder_become_context_manager这个函数，看一下是怎样向驱动注册为大管家的
int binder_become_context_manager(struct binder_state *bs) { /*通过ioctl，传递BINDER_SET_CONTEXT_MGR指令*/ return ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0); }
整个流程的时序如下图所示
总结一下，整个binder远程过程调用，就是首先大管家ServiceManager告诉binder驱动，我现在是大管家了，然后Server进程和Client进程通过这个大管家互相了解了之后，Client进程就可以远程调用Server进程的函数了。
参考文章：
韦东山老师的binder系统分析的视频：www.100ask.org
Gityuan的博客：http://gityuan.com/
Android Binder 系统学习笔记（一）Binder系统的基本使用方法
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