手记

写给Android应用工程师的Binder原理剖析(实现)

xzhang76
2019-03-07 23:43:38浏览 2381

前言

前两篇文章写给Android应用工程师的Binder原理剖析(转载一)
写给Android应用工程师的Binder原理剖析(转载二)
都转载自张磊的对Binder原理剖析的文章。
作者：张磊BARON
这篇文章是自己基于文章中对Binder原理剖析的理解而写的一个例子。

六 手动编码实现跨进程调用

通常我们在做开发时，实现进程间通信用的最多的就是 AIDL。当我们定义好 AIDL 文件，在编译时编译器会帮我们生成代码实现 IPC 通信。借助 AIDL 编译以后的代码能帮助我们进一步理解 Binder IPC 的通信原理。
先看一下代码清单:

通过工程结构可以3个组成部分：

  • client中是主进程的MainActivity，它通过 Binder 代理对象传输Book对象到server端，或者说调用server端提供的代理对象的方法。
  • server中实现了另外一个进程的Service，它包含了一个Binder实体对象，Binder实体对象实现了具体提供给client的方法
    server端还包含了IInterface，Stub和Proxy，（在build中生成），它实现了提供给client端的Binder代理对象
  • 传输的Book类

为了还原最初的AIDL在 IPC 通信中的运用，这里创建了IBookManagerInterface.aidl，然后编译生成包含一个IBookManagerInterface接口、一个 Stub 静态的抽象类和一个 Proxy 静态类的IBookManagerInterface.java。Proxy 是 Stub 的静态内部类，Stub 又是 IBookManagerInterface 的静态内部类。

这样编译器生成的代码对开发者并不好理解，但是
>Android 之所以这样设计其实是有道理的，因为当有多个 AIDL 文件的时候把 IBookManagerInterface、Stub、Proxy 放在同一个文件里能有效避免 Stub 和 Proxy 重名的问题。

6.1 各 Java 类职责描述

在正式编码实现跨进程调用之前，先介绍下实现过程中用到的一些类。了解了这些类的职责，有助于我们更好的理解和实现跨进程通信。

  • IBinder : IBinder 是一个接口，代表了一种跨进程通信的能力。只要实现了这个借口，这个对象就能跨进程传输。
  • IInterface : IInterface 代表的就是 Server 进程对象具备什么样的能力（能提供哪些方法，其实对应的就是 AIDL 文件中定义的接口）
  • Binder : Java 层的 Binder 类，代表的其实就是 Binder 本地对象。BinderProxy 类是 Binder 类的一个内部类，它代表远程进程的 Binder 对象的本地代理；这两个类都继承自 IBinder, 因而都具有跨进程传输的能力；实际上，在跨越进程的时候，Binder 驱动会自动完成这两个对象的转换。
  • Stub : AIDL 的时候，编译工具会给我们生成一个名为 Stub 的静态内部类；这个类继承了 Binder, 说明它是一个 Binder 本地对象，它实现了 IInterface 接口，表明它具有 Server 承诺给 Client 的能力；Stub 是一个抽象类，具体的 IInterface 的相关实现需要开发者自己实现。

6.2 IPC通信的Book对象

Book的对象需要在进程间通过Binder进行传输，那么Book类必须要实现Parcelable，就是将其序列化。

package com.demo.xzhangipcdemo;

import android.os.Parcel;
import android.os.Parcelable;

public class Book implements Parcelable {
    public String mBookName = "";
    public String mBookAuthor = "";

    public Book(String name, String author) {
        this.mBookName = name;
        this.mBookAuthor = author;
    }

    protected Book(Parcel in) {
        mBookName = in.readString();
        mBookAuthor = in.readString();
    }

    public static final Creator CREATOR = new Creator() {
        @Override
        public Book createFromParcel(Parcel in) {
            return new Book(in);
        }

        @Override
        public Book[] newArray(int size) {
            return new Book[size];
        }
    };

    @Override
    public int describeContents() {
        return 0;
    }

    @Override
    public void writeToParcel(Parcel dest, int flags) {
        dest.writeString(mBookName);
        dest.writeString(mBookAuthor);
    }
}

注：关于序列化的知识，可以看《Android中Serializable和Parcelable序列化》

6.3 AIDL

创建AIDL文件并不是最终的目的，目的是通过AIDL生成IInterface，Stub和代理Proxy。IBookManagerInterface.aidl中需要定义提供给client端Binder代理对象的方法。
另外因为Book类需要在进程中进行传输，所以要创建Book对应的AIDL

Book.aidl

package com.demo.xzhangipcdemo;
parcelable Book;

IBookManagerInterface.aidl

// IBookManagerInterface.aidl
package com.demo.xzhangipcdemo;
import com.demo.xzhangipcdemo.Book;

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

interface IBookManagerInterface {

            void addBook(in Book book);
            List getBooks();
}

6.4 IInterface

有了AIDL文件，build完后会生成对应的IInterface，即IBookManagerInterface.java。如果只是会用，IBookManagerInterface不需要深入理解。

可以看出，Proxy 是 Stub 的静态内部类，Stub 又是 IBookManagerInterface 的静态内部类。所以将IBookManagerInterface拆成三部分来看比较好理解：

1. IBookManagerInterface

前面说过IInterface代表的就是服务端进程具体什么样的能力，IBookManagerInterface继承了IInterface，它提供了两个个能力：

addBook(Book book)
List getBooks()

2. Stub

只定义服务端具备什么样的能力是不够的，既然是跨进程调用，那么接下来我们得实现一个跨进程调用对象 Stub。Stub 继承 Binder, 说明它是一个 Binder 本地对象；实现 IInterface 接口，表明具有 Server 承诺给 Client 的能力；Stub 是一个抽象类，具体的 IInterface 的相关实现需要调用方自己实现。

public static abstract class Stub extends Binder implements IBookManagerInterface {
    private static final String DESCRIPTOR = "com.demo.xzhangipcdemo.IBookManagerInterface";

    public Stub() {
        this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
    }

    public static IBookManagerInterface asInterface(android.os.IBinder obj) {
        if ((obj == null)) {
            return null;
        }
        IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
        if (((iin != null) && (iin instanceof IBookManagerInterface))) {
            return ((IBookManagerInterface) iin);
        }
        return new IBookManagerInterface.Stub.Proxy(obj);
    }

    @Override
    public IBinder asBinder() {
        return this;
    }

    @Override
    public boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
        switch (code) {
            case INTERFACE_TRANSACTION: {
                reply.writeString(DESCRIPTOR);
                return true;
            }
            case TRANSACTION_addBook: {
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                Book _arg0;
                if ((0 != data.readInt())) {
                    _arg0 = Book.CREATOR.createFromParcel(data);
                } else {
                    _arg0 = null;
                }
                this.addBook(_arg0);
                reply.writeNoException();
                return true;
            }
            case TRANSACTION_getBooks: {
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                List _result = this.getBooks();
                reply.writeNoException();
                reply.writeTypedList(_result);
                return true;
            }
        }
        return super.onTransact(code, data, reply, flags);
    }

    private static class Proxy implements IBookManagerInterface {
        //Proxy
    }

    static final int TRANSACTION_addBook = (IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
    static final int TRANSACTION_getBooks = (IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);
}

Stub 类中我们重点介绍下 asInterface() 和 onTransact()。

asInterface()

先说说 asInterface()，当 Client 端在创建和服务端的连接，调用 bindService 时需要创建一个 ServiceConnection 对象作为入参。在 ServiceConnection 的回调方法 onServiceConnected 中会通过这个 asInterface(IBinder binder) 拿到 IBookManagerInterface对象，这个 IBinder 类型的入参 binder 是驱动传给我们的，正如你在代码中看到的一样，方法中会去调用 binder.queryLocalInterface() 去查找 Binder 本地对象，如果找到了就说明 Client 和 Server 在同一进程，那么这个 binder 本身就是 Binder 本地对象，可以直接使用。否则说明是 binder 是个远程对象，也就是 BinderProxy。因此需要我们创建一个代理对象 Proxy，通过这个代理对象来是实现远程访问。
MainActivity.java

private IBookManagerInterface mBookManagerInterface;
@Override
protected void onResume() {
    super.onResume();
    ServiceConnection serviceConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            mBookManagerInterface = IBookManagerInterface.Stub.asInterface(service);
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
            mBookManagerInterface = null;
        }
    };
    this.bindService(new Intent(this, BookManagerService.class), serviceConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
}

onTransact()

onTransact()从字面来看是一个回调，在理解onTransact()之前需要理解Proxy，因为它是从这里回调的。

3. Proxy

Proxy是个代理类，既然是代理类自然需要实现 IBookManagerInterface 接口。

private static class Proxy implements IBookManagerInterface {
    private IBinder mRemote;

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

    // ...

    @Override
    public void addBook(Book book) throws RemoteException {
        Parcel _data = Parcel.obtain();
        Parcel _reply = Parcel.obtain();
        try {
            _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            if ((book != null)) {
                _data.writeInt(1);
                book.writeToParcel(_data, 0);
            } else {
                _data.writeInt(0);
            }
            mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_addBook, _data, _reply, 0);
            _reply.readException();
        } finally {
            _reply.recycle();
            _data.recycle();
        }
    }

    @Override
    public List getBooks() throws RemoteException {
        Parcel _data = Parcel.obtain();
        Parcel _reply = Parcel.obtain();
        List _result;
        try {
            _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getBooks, _data, _reply, 0);
            _reply.readException();
            _result = _reply.createTypedArrayList(Book.CREATOR);
        } finally {
            _reply.recycle();
            _data.recycle();
        }
        return _result;
    }
}

Proxy是直接和client进行通信的，也就是MainActivtiy中调用BookManagerInterface.addBook()或getBooks()是调用的Proxy的相应方法。

if (mBookManagerInterface != null) {
    try {
        mBookManagerInterface.addBook(new Book("test", "xzhang"));           
    } catch (RemoteException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
  • 如果 Client 和 Server 在同一个进程，那么直接就是调用这个方法。
  • 如果是远程调用，Client 想要调用 Server 的方法就需要通过 Binder 代理来完成，也就是上面的 Proxy。

我们这个例子中，当MainActivity调用addBook()和getBooks()需要经过三个步骤：

  1. 进入Proxy，在 Proxy 中的 addBook() 方法中首先通过 Parcel 将数据序列化，然后调用 remote.transact()。正如前文所述 Proxy 是在 Stub 的 asInterface 中创建，能走到创建 Proxy 这一步就说明 Proxy 构造函数的入参是 BinderProxy，即这里的 remote 是个 BinderProxy 对象。
  2. 通过一系列的函数调用，Client 进程通过系统调用陷入内核态，Client 进程中执行 addBook() 的线程挂起等待返回；驱动完成一系列的操作之后唤醒 Server 进程，调用 Server 进程本地对象的 onTransact()。
  3. 最终又走到了 Stub 中的 onTransact() 中，onTransact() 根据函数编号调用相关函数（在 Stub 类中为 BookManagerInterface 接口中的每个函数中定义了一个编号，在跨进程调用的时候，不会传递函数而是传递编号来指明要调用哪个函数）。在这个例子中，调用了 Binder 本地对象的 addBook() 传递Book对象，以及getBooks()将结果返回给驱动，驱动唤醒 Client 进程里刚刚挂起的线程并将结果返回。

这样一次跨进程调用就完成了。

6.5 Service

再回头来看Stub中的onTransact()

@Override
    public boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
        switch (code) {
            case INTERFACE_TRANSACTION: {
                reply.writeString(DESCRIPTOR);
                return true;
            }
            case TRANSACTION_addBook: {
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                Book _arg0;
                if ((0 != data.readInt())) {
                    _arg0 = Book.CREATOR.createFromParcel(data);
                } else {
                    _arg0 = null;
                }
                this.addBook(_arg0);
                reply.writeNoException();
                return true;
            }
            case TRANSACTION_getBooks: {
                data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                List _result = this.getBooks();
                reply.writeNoException();
                reply.writeTypedList(_result);
                return true;
            }
        }
        return super.onTransact(code, data, reply, flags);
    }

通过函数的编号，最终调用到this.addBook(book)和this.getBooks()，this其实是IBookManagerInterface，它的addBook()和getBooks()是抽象方法，具体实现在service中。
BookManagerService.java

package com.demo.xzhangipcdemo.server;

import android.app.Service;
import android.content.Intent;
import android.os.IBinder;
import android.os.RemoteException;
import android.support.annotation.Nullable;

import com.demo.xzhangipcdemo.Book;
import com.demo.xzhangipcdemo.IBookManagerInterface;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class BookManagerService extends Service {
    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        if (null == mBooks) {
            mBooks = new ArrayList<>();
        }
    }

    private List mBooks;

    private IBinder mIBinder = new IBookManagerInterface.Stub() {

        @Override
        public void addBook(Book book) throws RemoteException {
            if (null != mBooks) {
                mBooks.add(book);
            }
        }

        @Override
        public List getBooks() throws RemoteException {
            return mBooks;
        }
    };

    @Nullable
    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mIBinder;
    }
}

Service的注册，Service运行在独立的demo进程：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

OK，现在基本通了吧！

小结

以上就是通过AIDL实现进程间通信的流程分析，但是如果你只是想停留在会用的程度。只需要在创建AIDL文件后，编译生成IBookManagerInterface接口，接下来实现具体的Service就OK了。
完整的代码我放到 GitHub 上了，有兴趣的小伙伴可以去看看。源码地址：github.com/xzhang76/XzhangIPCDemo
最后建议大家在不借助 AIDL 的情况下手写实现 Client 和 Server 进程的通信，加深对 Binder 通信过程的理解。

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