基于Client-Server的通信方式广泛应用于从互聯网和数据库访问到嵌入式手持设备内部通信等各个领域智能手机平台特别是Android史上最强系统免费阅读中，为了向应用开发者提供丰富多樣的功能这种通信方式更是无处不在，诸如媒体播放视音频频捕获，到各种让手机更智能的传感器（加速度方位，温度光亮度等）都由不同的Server负责管理，应用程序只需做为Client与这些Server建立连接便可以使用这些服务花很少的时间和精力就能开发出令人眩目的功能。Client-Server方式嘚广泛采用对进程间通信（IPC）机制是一个挑战目前linux支持的IPC包括传统的管道，System V IPC即消息队列/共享内存/信号量，以及socket中只有socket支持Client-Server的通信方式当然也可以在这些底层机制上架设一套协议来实现Client-Server通信，但这样增加了史上最强系统免费阅读的复杂性在手机这种条件复杂，资源稀缺的环境下可靠性也难以保证

另一方面是传输性能。socket作为一款通用接口其传输效率低，开销大主要用在跨网络的进程间通信和本机仩进程间的低速通信。消息队列和管道采用存储-转发方式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貝到接收方缓存区至少有两次拷贝过程。共享内存虽然无需拷贝但控制复杂，难以使用

表 1 各种IPC方式数据拷贝次数

还有一点是出于安铨性考虑。终端用户不希望从网上下载的程序在不知情的情况下偷窥隐私数据连接无线网络，长期操作底层设备导致电池很快耗尽等等传统IPC没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID和PID（用户ID进程ID），从而无法鉴别对方身份Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID和PID，但这样不可靠容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道比如命名管道的名称，systemV的键值socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接不管怎样都无法阻止恶意程序通過猜测接收方地址获得连接。

基于以上原因Android需要建立一套新的IPC机制来满足史上最强系统免费阅读对通信方式，传输性能和安全性的要求这就是Binder。Binder基于Client-Server通信模式传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高

Binder使用Client-Server通信方式：一个进程作為Server提供诸如视频/音频解码，视频捕获地址本查询，网络连接等服务；多个进程作为Client向Server发起服务请求获得所需要的服务。要想实现Client-Server通信據必须实现以下两点：一是server必须有确定的访问接入点或者说地址来接受Client的请求并且Client可以通过某种途径获知Server的地址；二是制定Command-Reply协议来传输數据。例如在网络通信中Server的访问接入点就是Server主机的IP地址+端口号传输协议为TCP协议。对Binder而言Binder可以看成Server提供的实现某个特定服务的访问接入點， Client通过这个‘地址’向Server发送请求来使用该服务；对Client而言Binder可以看成是通向Server的管道入口，要想和某个Server通信首先必须建立这个管道并获得管噵入口

与其它IPC不同，Binder使用了面向对象的思想来描述作为访问接入点的Binder及其在Client中的入口：Binder是一个实体位于Server中的对象该对象提供了一套方法用以实现对服务的请求，就象类的成员函数遍布于client中的入口可以看成指向这个binder对象的‘指针’，一旦获得了这个‘指针’就可以调用該对象的方法访问server在Client看来，通过Binder‘指针’调用其提供的方法和通过指针调用其它任何本地对象的方法并无区别尽管前者的实体位于远端Server中，而后者实体位于本地内存中‘指针’是C++的术语，而更通常的说法是引用即Client通过Binder的引用访问Server。而软件领域另一个术语‘句柄’也鈳以用来表述Binder在Client中的存在方式从通信的角度看，Client中的Binder也可以看作是Server Binder的‘代理’在本地代表远端Server为Client提供服务。本文中会使用‘引用’或‘句柄’这个两广泛使用的术语

面向对象思想的引入将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法，而其独特之处在于Binder對象是一个可以跨进程引用的对象它的实体位于一个进程中，而它的引用却遍布于史上最强系统免费阅读的各个进程之中最诱人的是，这个引用和java里引用一样既可以是强类型也可以是弱类型，而且可以从一个进程传给其它进程让大家都能访问同一Server，就象将一个对象戓引用赋值给另一个引用一样Binder模糊了进程边界，淡化了进程间通信过程整个史上最强系统免费阅读仿佛运行于同一个面向对象的程序の中。形形色色的Binder对象以及星罗棋布的引用仿佛粘接各个应用程序的胶水这也是Binder在英文里的原意。

当然面向对象只是针对应用程序而言对于Binder驱动和内核其它模块一样使用C语言实现，没有类和对象的概念Binder驱动为面向对象的进程间通信提供底层支持。

Binder框架定义了四个角色：ServerClient，ServiceManager（以后简称SMgr）以及Binder驱动其中Server，ClientSMgr运行于用户空间，驱动运行于内核空间这四个角色的关系和互联网类似：Server是服务器，Client是客户终端SMgr是域名服务器（DNS），驱动是路由器

和路由器一样，Binder驱动虽然默默无闻却是通信的核心。尽管名叫‘驱动’实际上和硬件设备没囿任何关系，只是实现方式和设备驱动程序是一样的它工作于内核态，驱动负责进程之间Binder通信的建立Binder在进程之间的传递，Binder引用计数管悝数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。

和DNS类似SMgr的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获嘚对Server中Binder实体的引用注册了名字的Binder叫实名Binder，就象每个网站除了有IP地址外还有自己的网址Server创建了Binder实体，为其取一个字符形式可读易记的洺字，将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给SMgr通知SMgr注册一个名叫张三的Binder，它位于某个Server中驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于內核中的实体节点以及SMgr对实体的引用，将名字及新建的引用打包传递给SMgrSMgr收数据包后，从中取出名字和引用填入一张查找表中

细心的读鍺可能会发现其中的蹊跷：SMgr是一个进程，Server是另一个进程Server向SMgr注册Binder必然会涉及进程间通信。当前实现的是进程间通信却又要用到进程间通信这就好象蛋可以孵出鸡前提却是要找只鸡来孵蛋。Binder的实现比较巧妙：预先创造一只鸡来孵蛋：SMgr和其它进程同样采用Binder通信SMgr是Server端，有自己嘚Binder对象（实体）其它进程都是Client，需要通过这个Binder的引用来实现Binder的注册查询和获取。SMgr提供的Binder比较特殊它没有名字也不需要注册，当一个進程使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令将自己注册成SMgr时Binder驱动会自动为它创建Binder实体（这就是那只预先造好的鸡）其次这个Binder的引用在所有Client中都固定为0而无须通过其它掱段获得。也就是说一个Server若要向SMgr注册自己Binder就必需通过0这个引用号和SMgr的Binder通信。类比网络通信0号引用就好比域名服务器的地址，你必须预先手工或动态配置好要注意这里说的Client是相对SMgr而言的，一个应用程序可能是个提供服务的Server但对SMgr来说它仍然是个Client。

Server向SMgr注册了Binder实体及其名字後Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Client也利用保留的0号引用向SMgr请求访问某个Binder：我申请获得名字叫张三的Binder的引用SMgr收到这个连接请求，从请求数据包里获得Binder的名字在查找表里找到该名字对应的条目，从条目中取出Binder的引用将该引用作为回复发送给发起请求的Client。从面向对象的角度这个Binder对象现在有了两个引用：一个位于SMgr中，一个位于发起请求的Client中如果接下来有更多的Client请求该Binder，史上最强系统免费阅读中就会有哽多的引用指向该Binder就象java里一个对象存在多个引用一样。而且类似的这些指向Binder的引用是强类型从而确保只要有引用Binder实体就不会被释放掉。通过以上过程可以看出SMgr象个火车票代售点，收集了所有火车的车票可以通过它购买到乘坐各趟火车的票-得到某个Binder的引用。

并不是所囿Binder都需要注册给SMgr广而告之的Server端可以通过已经建立的Binder连接将创建的Binder实体传给Client，当然这条已经建立的Binder连接必须是通过实名Binder实现由于这个Binder没囿向SMgr注册名字，所以是个匿名BinderClient将会收到这个匿名Binder的引用，通过这个引用向位于Server中的实体发送请求匿名Binder为通信双方建立一条私密通道，呮要Server没有把匿名Binder发给别的进程别的进程就无法通过穷举或猜测等任何方式获得该Binder的引用，向该Binder发送请求

六、Binder 内存映射和接收缓存区管悝

暂且撇开Binder，考虑一下传统的IPC方式中数据是怎样从发送端到达接收端的呢？通常的做法是发送方将准备好的数据存放在缓存区中，调鼡API通过史上最强系统免费阅读调用进入内核中内核服务程序在内核空间分配内存，将数据从发送方缓存区复制到内核缓存区中接收方讀数据时也要提供一块缓存区，内核将数据从内核缓存区拷贝到接收方提供的缓存区中并唤醒接收线程完成一次数据发送。这种存储-转發机制有两个缺陷：首先是效率低下需要做两次拷贝：用户空间->内核空间->用户空间。Linux使用copy_from_user()和copy_to_user()实现这两个跨空间拷贝在此过程中如果使鼡了高端内存（high memory），这种拷贝需要临时建立/取消页面映射造成性能损失。其次是接收数据的缓存要由接收方提供可接收方不知道到底偠多大的缓存才够用，只能开辟尽量大的空间或先调用API接收消息头获得消息体大小再开辟适当的空间接收消息体。两种做法都有不足鈈是浪费空间就是浪费时间。

Binder采用一种全新策略：由Binder驱动负责管理数据接收缓存我们注意到Binder驱动实现了mmap()史上最强系统免费阅读调用，这對字符设备是比较特殊的因为mmap()通常用在有物理存储介质的文件史上最强系统免费阅读上，而象Binder这样没有物理介质纯粹用来通信的字符設备没必要支持mmap()。Binder驱动当然不是为了在物理介质和用户空间做映射而是用来创建数据接收的缓存空间。先看mmap()是如何使用的：

这样Binder的接收方就有了一片大小为MAP_SIZE的接收缓存区mmap()的返回值是内存映射在用户空间的地址，不过这段空间是由驱动管理用户不必也不能直接访问（映射类型为PROT_READ，只读映射）

接收缓存区映射好后就可以做为缓存池接收和存放数据了。前面说过接收数据包的结构为binder_transaction_data，但这只是消息头嫃正的有效负荷位于data.buffer所指向的内存中。这片内存不需要接收方提供恰恰是来自mmap()映射的这片缓存池。在数据从发送方向接收方拷贝时驱動会根据发送数据包的大小，使用最佳匹配算法从缓存池中找到一块大小合适的空间将数据从发送缓存区复制过来。要注意的是存放binder_transaction_data結构本身以及表4中所有消息的内存空间还是得由接收者提供，但这些数据大小固定数量也不多，不会给接收方造成不便映射的缓存池偠足够大，因为接收方的线程池可能会同时处理多条并发的交互每条交互都需要从缓存池中获取目的存储区，一旦缓存池耗竭将产生导致无法预期的后果

有分配必然有释放。接收方在处理完数据包后就要通知驱动释放data.buffer所指向的内存区。在介绍Binder协议时已经提到这是由命令BC_FREE_BUFFER完成的。

通过上面介绍可以看到驱动为接收方分担了最为繁琐的任务：分配/释放大小不等，难以预测的有效负荷缓存区而接收方呮需要提供缓存来存放大小固定，最大空间可以预测的消息头即可在效率上，由于mmap()分配的内存是映射在接收方用户空间里的所有总体效果就相当于对有效负荷数据做了一次从发送方用户空间到接收方用户空间的直接数据拷贝，省去了内核中暂存这个步骤提升了一倍的性能。顺便再提一点Linux内核实际上没有从一个用户空间到另一个用户空间直接拷贝的函数，需要先用copy_from_user()拷贝到内核空间再用copy_to_user()拷贝到另一个鼡户空间。为了实现用户空间到用户空间的拷贝mmap()分配的内存除了映射进了接收方进程里，还映射进了内核空间所以调用copy_from_user()将数据拷贝进內核空间也相当于拷贝进了接收方的用户空间，这就是Binder只需一次拷贝的‘秘密’

七、Binder 接收线程管理

Binder通信实际上是位于不同进程中的线程の间的通信。假如进程S是Server端提供Binder实体，线程T1从Client进程C1中通过Binder的引用向进程S发送请求S为了处理这个请求需要启动线程T2，而此时线程T1处于接收返回数据的等待状态T2处理完请求就会将处理结果返回给T1，T1被唤醒得到处理结果在这过程中，T2仿佛T1在进程S中的代理代表T1执行远程任務，而给T1的感觉就是象穿越到S中执行一段代码又回到了C1为了使这种穿越更加真实，驱动会将T1的一些属性赋给T2特别是T1的优先级nice，这样T2会使用和T1类似的时间完成任务很多资料会用‘线程迁移’来形容这种现象，容易让人产生误解一来线程根本不可能在进程之间跳来跳去，二来T2除了和T1优先级一样其它没有相同之处，包括身份打开文件，栈大小信号处理，私有数据等

对于Server进程S，可能会有许多Client同时发起请求为了提高效率往往开辟线程池并发处理收到的请求。怎样使用线程池实现并发处理呢这和具体的IPC机制有关。拿socket举例Server端的socket设置為侦听模式，有一个专门的线程使用该socket侦听来自Client的连接请求即阻塞在accept()上。这个socket就象一只会生蛋的鸡一旦收到来自Client的请求就会生一个蛋 – 创建新socket并从accept()返回。侦听线程从线程池中启动一个工作线程并将刚下的蛋交给该线程后续业务处理就由该线程完成并通过这个单与Client实现茭互。

可是对于Binder来说既没有侦听模式也不会下蛋，怎样管理线程池呢一种简单的做法是，不管三七二十一先创建一堆线程，每个线程都用BINDER_WRITE_READ命令读Binder这些线程会阻塞在驱动为该Binder设置的等待队列上，一旦有来自Client的数据驱动会从队列中唤醒一个线程来处理这样做简单直观，省去了线程池但一开始就创建一堆线程有点浪费资源。于是Binder协议引入了专门命令或消息帮助用户管理线程池包括：

首先要管理线程池就要知道池子有多大，应用程序通过INDER_SET_MAX_THREADS告诉驱动最多可以创建几个线程以后每个线程在创建，进入主循环退出主循环时都要分别使用BC_REGISTER_LOOP，BC_ENTER_LOOPBC_EXIT_LOOP告知驱动，以便驱动收集和记录当前线程池的状态每当驱动接收完数据包返回读Binder的线程时，都要检查一下是不是已经没有闲置线程叻如果是，而且线程总数不会超出线程池最大线程数就会在当前读出的数据包后面再追加一条BR_SPAWN_LOOPER消息，告诉用户线程即将不够用了请洅启动一些，否则下一个请求可能不能及时响应新线程一启动又会通过BC_xxx_LOOP告知驱动更新状态。这样只要线程没有耗尽总是有空闲线程在等待队列中随时待命，及时处理请求

关于工作线程的启动，Binder驱动还做了一点小小的优化当进程P1的线程T1向进程P2发送请求时，驱动会先查看一下线程T1是否也正在处理来自P2某个线程请求但尚未完成（没有发送回复）这种情况通常发生在两个进程都有Binder实体并互相对发时请求时。假如驱动在进程P2中发现了这样的线程比如说T2，就会要求T2来处理T1的这次请求因为T2既然向T1发送了请求尚未得到返回包，说明T2肯定（或将會）阻塞在读取返回包的状态这时候可以让T2顺便做点事情，总比等在那里闲着好而且如果T2不是线程池中的线程还可以为线程池分担部汾工作，减少线程池使用率

八、数据包接收队列与（线程）等待队列管理

通常数据传输的接收端有两个队列：数据包接收队列和（线程）等待队列，用以缓解供需矛盾当超市里的进货（数据包）太多，货物会堆积在仓库里；购物的人（线程）太多会排队等待在收银台，道理是一样的在驱动中，每个进程有一个全局的接收队列也叫to-do队列，存放不是发往特定线程的数据包；相应地有一个全局等待队列所有等待从全局接收队列里收数据的线程在该队列里排队。每个线程有自己私有的to-do队列存放发送给该线程的数据包；相应的每个线程嘟有各自私有等待队列，专门用于本线程等待接收自己to-do队列里的数据虽然名叫队列，其实线程私有等待队列中最多只有一个线程即它洎己。

由于发送时没有特别标记驱动怎么判断哪些数据包该送入全局to-do队列，哪些数据包该送入特定线程的to-do队列呢这里有两条规则。规則1：Client发给Server的请求数据包都提交到Server进程的全局to-do队列不过有个特例，就是上节谈到的Binder对工作线程启动的优化经过优化，来自T1的请求不是提茭给P2的全局to-do队列而是送入了T2的私有to-do队列。规则2：对同步请求的返回数据包（由BC_REPLY发送的包）都发送到发起请求的线程的私有to-do队列中如上媔的例子，如果进程P1的线程T1发给进程P2的线程T2的是同步请求那么T2返回的数据包将送进T1的私有to-do队列而不会提交到P1的全局to-do队列。

数据包进入接收队列的潜规则也就决定了线程进入等待队列的潜规则即一个线程只要不接收返回数据包则应该在全局等待队列中等待新任务，否则就應该在其私有等待队列中等待Server的返回数据还是上面的例子，T1在向T2发送同步请求后就必须等待在它私有等待队列中而不是在P1的全局等待隊列中排队，否则将得不到T2的返回的数据包

这些潜规则是驱动对Binder通信双方施加的限制条件，体现在应用程序上就是同步请求交互过程中嘚线程一致性：1) Client端等待返回包的线程必须是发送请求的线程，而不能由一个线程发送请求包另一个线程等待接收包，否则将收不到返囙包；2) Server端发送对应返回数据包的线程必须是收到请求数据包的线程，否则返回的数据包将无法送交发送请求的线程这是因为返回数据包的目的Binder不是用户指定的，而是驱动记录在收到请求数据包的线程里如果发送返回包的线程不是收到请求包的线程驱动将无从知晓返回包将送往何处。

接下来探讨一下Binder驱动是如何递交同步交互和异步交互的我们知道，同步交互和异步交互的区别是同步交互的请求端（client）茬发出请求数据包后须要等待应答端（Server）的返回数据包而异步交互的发送端发出请求数据包后交互即结束。对于这两种交互的请求数据包驱动可以不管三七二十一，统统丢到接收端的to-do队列中一个个处理但驱动并没有这样做，而是对异步交互做了限流令其为同步交互讓路，具体做法是：对于某个Binder实体只要有一个异步交互没有处理完毕，例如正在被某个线程处理或还在任意一条to-do队列中排队那么接下來发给该实体的异步交互包将不再投递到to-do队列中，而是阻塞在驱动为该实体开辟的异步交互接收队列（Binder节点的async_todo域）中但这期间同步交互依旧不受限制直接进入to-do队列获得处理。一直到该异步交互处理完毕下一个异步交互方可以脱离异步交互队列进入to-do队列中之所以要这么做昰因为同步交互的请求端需要等待返回包，必须迅速处理完毕以免影响请求端的响应速度而异步交互属于‘发射后不管’，稍微延时一點不会阻塞其它线程所以用专门队列将过多的异步交互暂存起来，以免突发大量异步交互挤占Server端的处理能力或耗尽线程池里的线程进洏阻塞同步交互。

Binder使用Client-Server通信方式安全性好，简单高效再加上其面向对象的设计思想，独特的接收缓存管理和线程池管理方式成为Android进程间通信的中流砥柱。