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[操作系统]从AIDL开始谈Android进程间Binder通信机制


本文首先概述了Android的进程间通信的Binder机制,然后结合一个AIDL的例子,对Binder机制进行了解析。

概述

        我们知道,在Android app中的众多activity,service等组件可以运行在同一进程中,也可以运行在不同进程中。当组件运行在同一进程中进行通信就显得比较简单,在之前的Android线程间通信机制中已经讲过了;而当它们运行在不同的进程中时,就需要使用我们本文中所要介绍的Binder机制了。

        Binder作为一种进程间通信机制,负责提供远程调用的功能(RPC),它的系统组件主要包括四种:Client, Server, ServiceManager, Binder Driver. 它们之间的关系如下图所示:

 

        从图中我们可以看出,Client, Server, ServiceManager运行在系统的用户态,而Binder Driver运行在内核态。为了完成Client端到Server端的通信任务,用户空间的需要操作Binder Driver提供的/dev/binder文件来完成交互。那么ServiceManager的工作是什么呢?ServiceManager负责管理Server并向Client端提供一个Server的代理接口(proxy)。通过代理接口中定义的方法,Client端就可以使用Server端提供的服务了。整个过程如下:

    • Client端调用代理接口的方法,将Client的参数打包为parcel对象发送给内核空间中BinderDriver;
    • Server端读取到BinderDriver中的请求数据,将parcel对象解包并处理;
    • 处理好后,将处理结果打包返回给BinderDriver,再交给Client端。

       另外,Client端与Server端的调用过程是同步的,即在Server返回结果之前,Client端是阻塞的。调用过程如下所示:

 

        OK,下面我们通过AIDL的一个例子来分析一下以上过程时如何进行的。

AIDL小栗子

       首先,创建一个aidl文件“ICalculateAIDL.aidl”,这个接口里面定义了要对外提供的服务,我们这里定义了计算加法和减法的函数:

package com.cqumonk.calculate.aidl;interface ICalculateAIDL {  int add(int a,int b);  int minus(int a,int b);}

       创建好后,rebuild一下我们的项目,可以生成同名的java文件。这是一个接口,里面包含了一个名为Stub的静态抽象类,以及我们在aidl文件中定义的加减法函数。里面详细代码在后面分析,接口文件结构如下:

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        然后我们需要实现服务端方面的功能,创建一个service,我们顺手把生命周期中各方法都打印出来,并完成加法和减法函数的实现:

public class CalculateService extends Service {  private static final String TAG="SERVER";  public CalculateService() {  }  @Override  public void onCreate() {    super.onCreate();    Log.e(TAG,"OnCreate");  }  @Override  public int onStartCommand(Intent intent, int flags, int startId) {    Log.e(TAG,"onStartCommand");    return super.onStartCommand(intent, flags, startId);  }  @Override  public IBinder onBind(Intent intent) {    Log.e(TAG,"onBind");    return mBinder;  }  @Override  public void onDestroy() {    super.onDestroy();    Log.e(TAG,"onDestroy");  }  @Override  public boolean onUnbind(Intent intent) {    Log.e(TAG,"onUnbind");    return super.onUnbind(intent);  }  @Override  public void onRebind(Intent intent) {    Log.e(TAG,"onRebind");    super.onRebind(intent);  }  private final ICalculateAIDL.Stub mBinder=new ICalculateAIDL.Stub(){    @Override    public int add(int a, int b) throws RemoteException {      return a+b;    }    @Override    public int minus(int a, int b) throws RemoteException {      return a-b;    }  };}

        在service中,我们使用刚刚生成的ICalculateAIDL.Stub静态抽象类创建了一个Binder对象,实现了其中有关计算的业务方法,并在onBind方法中返回它。另外我们还需要在manifest文件中对该服务进行注册:

    <service      android:name=".CalculateService"      android:enabled="true"      android:exported="true" >      <intent-filter>        <action android:name="com.cqumonk.adil.calculate"/>        <category android:name="android.intent.category.DEFAULT"/>      </intent-filter>    </service>

        这时候,我们的服务端工作就完成了。我们开始编写客户端的代码来调用这个服务。首先,我们定义一个activity,包含四个按钮:

image

        然后我们可以在activity中启动之前定义好的service并调用它所提供的服务:

public class MainActivity extends Activity implements View.OnClickListener {  Button mBind;  Button mUnbind;  Button mAdd;  Button mMinus;  TextView txt_res;  private static final String TAG="CLIENT";  private ICalculateAIDL mCalculateAIDL;  private boolean binded=false;  @Override  protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {    super.onCreate(savedInstanceState);    setContentView(R.layout.activity_main);    mBind= (Button) findViewById(R.id.btn_bind);    mUnbind= (Button) findViewById(R.id.btn_unbind);    mAdd= (Button) findViewById(R.id.btn_add);    mMinus= (Button) findViewById(R.id.btn_minus);    txt_res= (TextView) findViewById(R.id.txt_res);    mBind.setOnClickListener(this);    mUnbind.setOnClickListener(this);    mAdd.setOnClickListener(this);    mMinus.setOnClickListener(this);  }  @Override  protected void onStop() {    super.onStop();    unbind();  }  private void unbind(){    if (binded){      unbindService(mConnection);      binded=false;    }  }  @Override  public void onClick(View v) {    int id=v.getId();    switch (id){      case R.id.btn_bind:        Intent intent=new Intent();        intent.setAction("com.cqumonk.adil.calculate");        bindService(intent,mConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);        break;      case R.id.btn_unbind:        unbind();        break;      case R.id.btn_add:        if(mCalculateAIDL!=null){          try {            int res=mCalculateAIDL.add(3,3);            txt_res.setText(res+"");          } catch (RemoteException e) {            e.printStackTrace();          }        }else{          Toast.makeText(this,"please rebind",Toast.LENGTH_SHORT).show();        }        break;      case R.id.btn_minus:        if(mCalculateAIDL!=null){          try {            int res=mCalculateAIDL.minus(9,4);            txt_res.setText(res+"");          } catch (RemoteException e) {            e.printStackTrace();          }        }else{          Toast.makeText(this,"please rebind",Toast.LENGTH_SHORT).show();        }        break;    }  }  private ServiceConnection mConnection=new ServiceConnection() {    @Override    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {      Log.e(TAG,"connect");      binded=true;      mCalculateAIDL=ICalculateAIDL.Stub.asInterface(service);    }    @Override    public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {      Log.e(TAG,"disconnect");      mCalculateAIDL=null;      binded=false;    }  };}

        当我们点击绑定按钮,观察日志:

image

        点击加法和减法按钮,都可以完成计算并返回值。然后点击解绑按钮:

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        我们并未发现有连接断开的日志打印,这时候,我们继续点击加减法按钮,发现仍然可以完成计算功能,这又是为毛呢?我们看到unbind和destroy的日志打印,说明连接已经断开,service已经被销毁,但是我们返回的stub对象仍然是可以继续使用的。而并不是说service仍然在运行。

过程分析

        首先,我们调用bindservice方法来启动了service:

        一方面连接成功时调用了serviceConnection的onServiceConnected方法。我们从该方法中获取到一个Binder对象(注意,这个binder并不是我们在service中实现的那个哦。当service时本apk中的service时,这里返回的是同一个binder),我们通过此binder来与server进行通信。为了区分,我们称为clientBinder。

public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {      Log.e(TAG,"connect");      binded=true;      mCalculateAIDL= ICalculateAIDL.Stub.asInterface(service);    }

        另一方面,onBind方法返回了我们实现的Stub对象,其实也是一个Binder,用于和Client进行通信。(之前我们定义了一个aidl接口文件,并根据它生成了ICalculateAIDL接口。这个接口中有我们定义的两个方法以及一个静态抽象内部类Stub,它是一个Binder的子类。)我们来看一下Stub是如何定义的:

public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.cqumonk.calculate.aidl.ICalculateAIDL

        它继承了Binder类也实现了ICalculateAIDL接口,我们实现了定义的add和minus方法。我们仍然要强调一下它并不是clientBinder,在负责与clientBinder进行通信交互的同时,它也维护了service描述符与服务端service的映射。

 

        我们在Client中的onServiceConnected里调用了stub对象的asInterface方法,并将之前得到的clientBinder传入:

public static com.cqumonk.calculate.aidl.ICalculateAIDL asInterface(android.os.IBinder obj) {      if ((obj == null)) {        return null;      }      android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);//根据包名获取本地实现的一个接口的实例,如果是本地service则可以获取到      if (((iin != null) && (iin instanceof com.cqumonk.calculate.aidl.ICalculateAIDL))) {        return ((com.cqumonk.calculate.aidl.ICalculateAIDL) iin); //如果得到的实例是ICalculateAIDL的对象,则返回      }      return new com.cqumonk.calculate.aidl.ICalculateAIDL.Stub.Proxy(obj);//如果无法得到本地实现的对象则会返回一个代理对象}

        在这个方法中,首先在系统中查找注册的的service,如果没有找到,那么一定是别的apk实现的service,于是返回一个此service的静态代理类对象供Client调用。我们来看一下这个代理,创建时我们将clientBinder传入了,同时也它实现了ICalculateAIDL接口:

private static class Proxy implements com.cqumonk.calculate.aidl.ICalculateAIDL {      private android.os.IBinder mRemote;      Proxy(android.os.IBinder remote) {        mRemote = remote;      }      @Override      public android.os.IBinder asBinder() {        return mRemote;      }      public java.lang.String getInterfaceDescriptor() {        return DESCRIPTOR;      }      @Override      public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException {        android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();        android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();        int _result;        try {          _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);          _data.writeInt(a); //将参数打包          _data.writeInt(b);          mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0); //调用binderDriver的提供的方法将参数发给服务端          _reply.readException();          _result = _reply.readInt(); //读取到返回结果        } finally {          _reply.recycle();          _data.recycle();        }        return _result;      }      @Override      public int minus(int a, int b) throws android.os.RemoteException {        android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();        android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();        int _result;        try {          _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);          _data.writeInt(a);          _data.writeInt(b);          mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_minus, _data, _reply, 0);          _reply.readException();          _result = _reply.readInt();        } finally {          _reply.recycle();          _data.recycle();        }        return _result;      }    }

        代理中也实现了ICalculateAIDL接口定义的方法,我们以add方法为例,里面将参数打包发送给Server端。在Server端收到请求后,会调用service中我们实现的那个stub对象(mBinder)的onTransact方法:

public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException {      switch (code) {        case INTERFACE_TRANSACTION: {          reply.writeString(DESCRIPTOR);          return true;        }        case TRANSACTION_add: {          data.enforceInterface(DESCRIPTOR);          int _arg0;          _arg0 = data.readInt();          int _arg1;          _arg1 = data.readInt();          int _result = this.add(_arg0, _arg1); //调用我们实现好的方法          reply.writeNoException();          reply.writeInt(_result); //把结果返回          return true;        }        case TRANSACTION_minus: {          data.enforceInterface(DESCRIPTOR);          int _arg0;          _arg0 = data.readInt();          int _arg1;          _arg1 = data.readInt();          int _result = this.minus(_arg0, _arg1);          reply.writeNoException();          reply.writeInt(_result);          return true;        }      }      return super.onTransact(code, data, reply, flags);    }

        调用完成后把结果打包返回给Poxy处理,最后返回给客户端。

总结

        由上面的例子我们可以看出,在跨进程通信的时候,Client端使用的Poxy里面封装了一个binder与Server端的stub(也是一个binder对象)进行交互,两个binder作为接口调用BinderDriver的transact来发送数据包,以及onTransact接收处理数据包。

        通过结合AIDL例子,我们对Android进程间的通信机制进行了分析,如果有错误的地方,欢迎指正。