前言
家喻户晓，Binder是Android零碎中最次要的过程间通信套件，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，让咱们自底向上，从内核中的Binder来一步步揭开它的面纱。本文重点在帮忙读者对于Binder零碎有一个简略的理解，所以写得比拟抽象，后续文章会详细分析。
Binder到底是什么
Android零碎内核是Linux，每个过程有本人的虚拟地址空间，在32位零碎下最大是4GB，其中3GB为用户空间，1GB为内核空间；每个过程用户空间绝对独立，而内核空间是一样的，能够共享，如下图
Linux驱动运行在内核空间，广义上讲是零碎用于管制硬件的两头程序，然而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无关。Binder就是将本人注册为一个misc类型的驱动，不波及硬件操作，同时本身运行于内核中，所以能够当作不同过程间的桥梁实现IPC性能。
Linux最大的特点就是所有皆文件，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等零碎调用注册到Binder本人的函数，这样的话在用户空间就能够通过零碎调用以拜访文件的形式应用Binder。上面来粗略看一下相干代码。
device\_initcall函数用于注册驱动，由零碎调用
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映射到零碎调用open，这样就能够通过open("/dev/binder")来调用binder\_open函数了
// 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,
};
// 注册驱动参数构造体
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;
// 创立名为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设施其实也就是非凡的字符设施
ret = misc_register(&binder_miscdev);
......
return ret;
}
// 驱动注册函数
device_initcall(binder_init);
Binder的简略通信过程
一个过程如何通过binder和另一个过程通信？最简略的流程如下
- 接收端过程开启一个专门的线程，通过零碎调用在binder驱动（内核）中先注册此过程（创立保留一个bidner\_proc），驱动为接收端过程创立一个工作队列（biner\_proc.todo）
- 接收端线程开始有限循环，通过零碎调用不停拜访binder驱动，如果该过程对应的工作队列有工作则返回解决，否则阻塞该线程直到有新工作入队
- 发送端也通过零碎调用拜访，找到指标过程，将工作丢到指标过程的队列中，而后唤醒指标过程中休眠的线程解决该工作，即实现通信
在Binder驱动中以binder\_proc构造体代表一个过程，binder\_thread代表一个线程，binder\_proc.todo即为过程须要解决的来自其余过程的工作队列。
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过程内的binder实体组成的红黑树
struct rb_root nodes;
......
}
Binder的一次拷贝
家喻户晓Binder的劣势在于一次拷贝效率高，泛滥博客曾经说烂了，那么什么是一次拷贝，如何实现，产生在哪里，这里尽量简略地解释一下。
下面曾经说过，不同过程通过在内核中的Binder驱动来进行通信，然而用户空间和内核空间是隔离开的，无奈相互拜访，他们之间传递数据须要借助copy\_from\_user和copy\_to\_user两个零碎调用，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，如果两个过程须要进行一次单向通信则须要进行两次拷贝，如下图。
Binder单次通信只须要进行一次拷贝，因为它应用了内存映射，将一块物理内存（若干个物理页）别离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标。
发送端要向接收端发送数据时，内核间接通过copy\_from\_user将数据拷贝到内核空间映射区，此时因为共享物理内存，接管过程的内存映射区也就能拿到该数据了，如下图。
代码实现局部
用户空间通过mmap零碎调用，调用到Binder驱动中binder\_mmap函数进行内存映射，这部分代码比拟难读，感兴趣的能够看一下。
drivers/android/binder.c
binder_mmap创立binder\_buffer，记录过程内存映射相干信息（用户空间映射地址，内核空间映射地址等），binder_buffer.data中寄存的就是接收端过程和内核共享的物理内存块的指针
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内存缓存区中调配一个binder_buffer来存储传输数据
struct binder_buffer *buffer;
if (proc->tsk != current)
return -EINVAL;
// 保障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;
......
// 采纳IOREMAP形式，调配一个间断的内核虚拟空间，与用户过程虚拟空间大小统一
// vma是从用户空间传过来的虚拟空间构造体
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;
......
// 调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;
// 调配物理页面，同时映射到内核空间和过程空间，先调配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 函数为映射地址调配物理页，这里先调配一个物理页（4KB），而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;
// 内存构造体
struct mm_struct *mm;
if (end <= start)
return 0;
......
// 循环调配所有物理页，并别离建设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);
// 调配一页物理内存
*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只为映射区调配了一个物理页的空间，在Binder开始通信时，会再通过binder_alloc_buf函数调配更多物理页，这是后话了。
Binder套件架构
内核层的Binder驱动曾经提供了IPC性能，不过还须要在framework native层提供一些对于驱动层的调用封装，使framework开发者更易于应用，由此封装出了native Binder；同时，因为framework native层是c/c++语言实现，对于利用开发者，须要更加不便的Java层的封装，衍生出Java Binder；最初在此之上，为了缩小反复代码的编写和标准接口，在Java Binder的根底上又封装出了AIDL。通过层层封装，在使用者应用AIDL时对于Binder基本上是无感知的。
这里贴一张架构图。
Native层
BpBinder代表服务端Binder的一个代理，外部有一个成员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，通过驱动层和服务端BBinder产生会话，最初服务端会调用到BBinder::onTransact。在这里两者之间通过约定好的code来标识会话内容。
后面提到过，须要用Binder进行通信的过程都须要在驱动中先注册该过程，并且每次通信时须要一个线程死循环读写binder驱动。驱动层中一个过程对应一个binder\_proc，一个线程对应binder\_thread；而在framework native层中，过程对应一个ProcessState，线程对应IPCThreadState，BpBinder::transact发动通信最终也是通过IPCThreadState.transact调用驱动进行。
实际上Android中每个利用过程都关上了Binder驱动（在驱动中注册），Zygote过程在fork出利用过程后，调用app\_main.cpp中onZygoteInit函数初始化，此函数中就创立了该过程的ProcessState实例，关上Binder驱动而后调配映射区，驱动中也创立并保留一个该过程的binder\_proc实例。这里借一张图来形容。
Java层
Java层是对native层相干类的封装，BBinder对应Binder，BpBinder对应BinderProxy，java层最初还是会调用到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，外部持有一个mRemote实例（BinderProxy），aidl依据定义的接口办法生成若干个TRANSACTION_<函数名> code常量，两端Binder通过这些code标识解析参数，调用相应接口办法。换言之AIDL就是对BinderProxy.transact和Binder.onTransact进行了封装，使用者不用再本人定义每次通信的code以及参数解析。
后记
本篇文章次要为不理解Binder体系的读者提供一个抽象的意识，接下来的文章会从AIDL近程服务开始层层向下剖析整个IPC过程，所以如果想要更深一步理解Binder，本文作为前置常识也比拟重要。
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