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Binder概述，快速了解Binder体系

前言


众所周知，Binder是Android系统中最主要的进程间通信套件，更具体一点，很多文章称之为Binder驱动，那为什么说它是一个驱动呢，驱动又是何物，让我们自底向上，从内核中的Binder来一步步揭开它的面纱。本文重点在帮助读者对于Binder系统有一个简略的了解，所以写得比较笼统，后续文章会详细分析。


Binder到底是什么


Android系统内核是Linux，每个进程有自己的虚拟地址空间，在32位系统下最大是4GB，其中3GB为用户空间，1GB为内核空间；每个进程用户空间相对独立，而内核空间是一样的，可以共享，如下图


地址空间.png


Linux驱动运行在内核空间，狭义上讲是系统用于控制硬件的中间程序，但是归根结底它只是一个程序一段代码，所以具体实现并不一定要和硬件有关。Binder就是将自己注册为一个misc类型的驱动，不涉及硬件操作，同时自身运行于内核中，所以可以当作不同进程间的桥梁实现IPC功能。


Linux最大的特点就是一切皆文件，驱动也不例外，所有驱动都会被挂载在文件系统dev目录下，Binder对应的目录是/dev/binder，注册驱动时将open release mmap等系统调用注册到Binder自己的函数，这样的话在用户空间就可以通过系统调用以访问文件的方式使用Binder。下面来粗略看一下相关代码。


device_initcall函数用于注册驱动，由系统调用


binder_init中调用misc_register注册一个名为binder的misc驱动，同时指定函数映射，将binder_open映射到系统调用open，这样就可以通过open("/dev/binder")来调用binder_open函数了


drivers/android/binder.c


// 驱动函数映射
static const struct file_operations binder_fops = {

	.owner = THIS_MODULE,

	.poll = binder_poll,

	.unlocked_ioctl = binder_ioctl,

	.compat_ioctl = binder_ioctl,

	.mmap = binder_mmap,

	.open = binder_open,

	.flush = binder_flush,

	.release = binder_release,

};

// 注册驱动参数结构体
static struct miscdevice binder_miscdev = {

	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
// 驱动名称

	.name = "binder",

	.fops = &binder_fops

};

static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp){......}
static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma){......}

static int __init binder_init(void)
{
int ret;
// 创建名为binder的单线程的工作队列

    binder_deferred_workqueue = create_singlethread_workqueue("binder");
if (!binder_deferred_workqueue)
return -ENOMEM;

    ......
// 注册驱动，misc设备其实也就是特殊的字符设备

    ret = misc_register(&binder_miscdev);

    ......
return ret;

}
// 驱动注册函数

device_initcall(binder_init);

Binder的简略通讯过程


一个进程如何通过binder和另一个进程通讯？最简单的流程如下



  2. 接收端进程开启一个专门的线程，通过系统调用在binder驱动（内核）中先注册此进程（创建保存一个bidner_proc），驱动为接收端进程创建一个任务队列（biner_proc.todo）
  3. 接收端线程开始无限循环，通过系统调用不停访问binder驱动，如果该进程对应的任务队列有任务则返回处理，否则阻塞该线程直到有新任务入队
  4. 发送端也通过系统调用访问，找到目标进程，将任务丢到目标进程的队列中，然后唤醒目标进程中休眠的线程处理该任务，即完成通讯

在Binder驱动中以binder_proc结构体代表一个进程，binder_thread代表一个线程，binder_proc.todo即为进程需要处理的来自其他进程的任务队列。


struct binder_proc {
// 存储所有binder_proc的链表
struct hlist_node proc_node;
// binder_thread红黑树
struct rb_root threads;
// binder_proc进程内的binder实体组成的红黑树
struct rb_root nodes;

	......

}

Binder的一次拷贝


众所周知Binder的优势在于一次拷贝效率高，众多博客已经说烂了，那么什么是一次拷贝，如何实现，发生在哪里，这里尽量简单地解释一下。


上面已经说过，不同进程通过在内核中的Binder驱动来进行通讯，但是用户空间和内核空间是隔离开的，无法互相访问，他们之间传递数据需要借助copy_from_user和copy_to_user两个系统调用，把用户/内核空间内存中的数据拷贝到内核/用户空间的内存中，这样的话，如果两个进程需要进行一次单向通信则需要进行两次拷贝，如下图。


2copy.png


Binder单次通信只需要进行一次拷贝，因为它使用了内存映射，将一块物理内存（若干个物理页）分别映射到接收端用户空间和内核空间，达到用户空间和内核空间共享数据的目的。


发送端要向接收端发送数据时，内核直接通过copy_from_user将数据拷贝到内核空间映射区，此时由于共享物理内存，接收进程的内存映射区也就能拿到该数据了，如下图。


binder_mmap.png


代码实现部分


用户空间通过mmap系统调用，调用到Binder驱动中binder_mmap函数进行内存映射，这部分代码比较难读，感兴趣的可以看一下。


drivers/android/binder.c


binder_mmap创建binder_buffer，记录进程内存映射相关信息（用户空间映射地址，内核空间映射地址等）


static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
int ret;
//内核虚拟空间
struct vm_struct *area;
struct binder_proc *proc = filp->private_data;
const char *failure_string;
// 每一次Binder传输数据时，都会先从Binder内存缓存区中分配一个binder_buffer来存储传输数据
struct binder_buffer *buffer;

if (proc->tsk != current)
return -EINVAL;
// 保证内存映射大小不超过4M
if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)

        vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;

    ......
// 采用IOREMAP方式，分配一个连续的内核虚拟空间，与用户进程虚拟空间大小一致
// vma是从用户空间传过来的虚拟空间结构体

    area = get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP);
if (area == NULL) {

            ret = -ENOMEM;

            failure_string = "get_vm_area";
goto err_get_vm_area_failed;

    }
// 指向内核虚拟空间的地址

    proc->buffer = area->addr;
// 用户虚拟空间起始地址 - 内核虚拟空间起始地址

    proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer;

    ......
// 分配物理页的指针数组，数组大小为vma的等效page个数

    proc->pages = kzalloc(sizeof(proc->pages[0]) * ((vma->vm_end - vma->vm_start) / PAGE_SIZE), GFP_KERNEL);
if (proc->pages == NULL) {

            ret = -ENOMEM;

            failure_string = "alloc page array";
goto err_alloc_pages_failed;

    }

    proc->buffer_size = vma->vm_end - vma->vm_start;


    vma->vm_ops = &binder_vm_ops;

    vma->vm_private_data = proc;
// 分配物理页面，同时映射到内核空间和进程空间，先分配1个物理页
if (binder_update_page_range(proc, 1, proc->buffer, proc->buffer + PAGE_SIZE, vma)) {

            ret = -ENOMEM;

            failure_string = "alloc small buf";
goto err_alloc_small_buf_failed;

    }

    buffer = proc->buffer;
// buffer插入链表

    INIT_LIST_HEAD(&proc->buffers);

    list_add(&buffer->entry, &proc->buffers);

    buffer->free = 1;

    binder_insert_free_buffer(proc, buffer);
// oneway异步可用大小为总空间的一半

    proc->free_async_space = proc->buffer_size / 2;

    barrier();

    proc->files = get_files_struct(current);

    proc->vma = vma;

    proc->vma_vm_mm = vma->vm_mm;

/*pr_info("binder_mmap: %d %lx-%lx maps %p\n",

             proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, proc->buffer);*/
return 0;

}

binder_update_page_range 函数为映射地址分配物理页，这里先分配一个物理页（4KB），然后将这个物理页同时映射到用户空间地址和内存空间地址


static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int allocate,
void *start, void *end,

				    struct vm_area_struct *vma)
{
// 内核映射区起始地址
void *page_addr;
// 用户映射区起始地址
unsigned long user_page_addr;
struct page **page;
// 内存结构体
struct mm_struct *mm;

if (end <= start)
return 0;

    ......
// 循环分配所有物理页，并分别建立用户空间和内核空间对该物理页的映射
for (page_addr = start; page_addr < end; page_addr += PAGE_SIZE) {
int ret;

        page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE];


        BUG_ON(*page);
// 分配一页物理内存

        *page = alloc_page(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO);
if (*page == NULL) {

                pr_err("%d: binder_alloc_buf failed for page at %p\n",

                        proc->pid, page_addr);
goto err_alloc_page_failed;

        }
// 物理内存映射到内核虚拟空间

        ret = map_kernel_range_noflush((unsigned long)page_addr,

                                PAGE_SIZE, PAGE_KERNEL, page);

        flush_cache_vmap((unsigned long)page_addr,
// 用户空间地址 = 内核地址+偏移

        user_page_addr =

                (uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset;
// 物理空间映射到用户虚拟空间

        ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]);

    }

}

binder_mmap函数中调用binder_update_page_range只为映射区分配了一个物理页的空间，在Binder开始通讯时，会再通过binder_alloc_buf函数分配更多物理页，这是后话了。


Binder套件架构


内核层的Binder驱动已经提供了IPC功能，不过还需要在framework native层提供一些对于驱动层的调用封装，使framework开发者更易于使用，由此封装出了native Binder；同时，由于framework native层是c/c++语言实现，对于应用开发者，需要更加方便的Java层的封装，衍生出Java Binder；最后在此之上，为了减少重复代码的编写和规范接口，在Java Binder的基础上又封装出了AIDL。经过层层封装，在使用者使用AIDL时对于Binder基本上是无感知的。


这里贴一张架构图。


binder架构.png


Native层


BpBinder代表服务端Binder的一个代理，内部有一个成员mHandle就是服务端Binder在驱动层的句柄，客户端通过调用BpBinder::transact传入该句柄，经过驱动层和服务端BBinder产生会话，最后服务端会调用到BBinder::onTransact。在这里两者之间通过约定好的code来标识会话内容。


前面提到过，需要用Binder进行通信的进程都需要在驱动中先注册该进程，并且每次通讯时需要一个线程死循环读写binder驱动。驱动层中一个进程对应一个binder_proc，一个线程对应binder_thread；而在framework native层中，进程对应一个ProcessState，线程对应IPCThreadState，BpBinder::transact发起通讯最终也是通过IPCThreadState.transact调用驱动进行。


实际上Android中每个应用进程都打开了Binder驱动（在驱动中注册），Zygote进程在fork出应用进程后，调用app_main.cpp中onZygoteInit函数初始化，此函数中就创建了该进程的ProcessState实例，打开Binder驱动然后分配映射区，驱动中也创建并保存一个该进程的binder_proc实例。这里借一张图来描述。


Java层


Java层是对native层相关类的封装，BBinder对应Binder，BpBinder对应BinderProxy，java层最后还是会调用到native层对应函数


AIDL


AIDL生成的代码对于Binder进行了进一步封装，<接口>.Stub对应服务端Binder，<接口>.Stub.Proxy标识客户端，内部持有一个mRemote实例（BinderProxy），aidl根据定义的接口方法生成若干个TRANSACTION_<函数名> code常量，两端Binder通过这些code标识解析参数，调用相应接口方法。换言之AIDL就是对BinderProxy.transact和Binder.onTransact进行了封装，使用者不必再自己定义每次通讯的code以及参数解析。


后记


本篇文章主要为不了解Binder体系的读者提供一个笼统的认识，接下来的文章会从AIDL远程服务开始层层向下分析整个IPC过程，所以如果想要更深一步了解Binder，本文作为前置知识也比较重要。


作者：北野青阳
链接：https://juejin.cn/post/6987595923543031821
来源：掘金
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
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2021-07-24

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