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Android?Framework原理Binder驅動源碼解析_Android

作者：layz4android ? 更新時間： 2023-03-27 編程語言

引言

相信大家對于Binder這個概念是非常熟悉了，這是Android系統 獨有的進程間通信框架，而對于Binder底層是如何實現進程間通信，大家熟悉嗎，包括Proxy和Stub機制，那么從本章開始就開始介紹Binder進程間通信機制。

1 system_server和service_manager的關系

我們知道，Android系統起始于init進程，我們通過adb shell ps -ef命令可以查看當前系統運行的全部進程，init進程它的進程號是1

我們接著去找system_server進程和service_manager進程

我們通過上圖可以看到，service_manager進程的父進程是init進程，而system_server進程的父進程是zygote進程，那么我們可以看下圖

也就是說，當init進程fork出zygote進程之后，通過zygote進程創建了system_server進程

我們看下system_server的源碼

//------SystemServer的main函數-------//
// The main entry point from zygote.
public static void main(String[] args) {
    new SystemServer().run();
}

在SystemServer源碼的main函數注釋中，已經提示了這個是zygote進程調用main方法，并啟動了SystemServer進程

我們知道，在SystemServer中，持有了像AMS、PMS、WMS等系統服務，但是我們在使用的時候能直接使用這些服務嗎？不是的，SystemServer只是持有了這些服務，并不對外暴露；

ServiceManager.addService("package", m);
final PackageManagerNative pmn = m.new PackageManagerNative();
ServiceManager.addService("package_native", pmn);

而service_manager則是管理這些服務類，例如PMS，在創建了Service之后還是將Service放到了service_manager中，而且只負責運行Binder，也就是說當service_manager要調用某個服務的時候，是通過進程間通信的方式來獲取的。

2 傳統IPC與Binder之間的區別

我們看下FileOutputStream的write方法是如何把數據寫入磁盤的：

public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    // Android-added: close() check before I/O.
    if (closed && len > 0) {
        throw new IOException("Stream Closed");
    }
    // Android-added: Tracking of unbuffered I/O.
    tracker.trackIo(len);
    // Android-changed: Use IoBridge instead of calling native method.
    IoBridge.write(fd, b, off, len);
}

在write方法中，核心方法就是調用了IoBridge的write方法，看注釋就是說IoBridge代替了之前調用native方法，但最終還是調用了native的方法。

像傳統的IPC，在用戶空間發送寫入數據的指令，真正的數據寫入是發生在內核空間，通過ioctl的讀寫操作，寫入數據緩沖區，另一個進程如果需要獲取這個數據，在通過ioctl將數據拷貝到進程2的內存空間中，所以傳統的IPC進程間通信需要2次拷貝；

而Binder的優勢在哪呢？Binder只需要一次拷貝，這里就是用了mmap的方式，那么mmap是如何工作的呢？我們知道所有的讀寫操作都是在內核空間完成的，那么mmap就是開辟一塊物理內存，與內核空間完成映射，并且所有的進程內存空間與這塊物理內存也存在映射關系。

當進程1拿到這塊物理內存的地址之后，便可以將數據拷貝到這塊物理內存，因為進程2和這塊內存存在映射關系，因此進程2便可以拿到進程1的數據，騰訊的MMKV便是基于mmap實現的。

所以相較于傳統的IPC，Binder進程間通信只需要一次拷貝，因此Binder的性能更優。

3 物理內存和虛擬內存

對于物理內存和虛擬內存，可能很多小伙伴對于這個概念比較模糊；這個概念是源自于Linux，其中物理內存是系統硬件提供的內存，這才是真正的內存，例如系統有32M的物理內存，運行33M內存的應用肯定不能work的，這個時候虛擬內存就出現了，目的就是為了解決物理內存不足的情況，因此當一個系統物理內存用盡之后，意味著離崩潰就不遠了。

因此現在大多數的程序就是運行在虛擬內存，而且在應用層是絕對不可能取到物理內存的，例如：

val a:Int = 10

int a = 10
int *addr = &a

那么我們的代碼是存在虛擬內存還是物理內存呢？首先，因為我們的代碼在某一時間并不是全部執行的，在一個類中有1000個方法，可能只有1個方法被執行，這就是程序的局部性原則； 所以只有當部分代碼被CPU執行的時候，才會將代碼加載到物理內存，剩下的大部分代碼會存儲在磁盤中，因此128M的物理內存，可以加載10G的程序代碼。

4 Binder驅動源碼分析

因為service_manager主要負責Binder運行，那么Binder驅動的初始化必然也是在其中，所以我們先去看一下service_manager的源碼；我這邊看的是Android 9.0的源碼，因為底層源碼很少會有改動，所以每個版本基本一致

https://www.androidos.net.cn/android/9.0.0_r8/xref/frameworks/native/cmds/servicemanager ==> service_manager.c
int main(int argc, char** argv)
{
    struct binder_state *bs;
    union selinux_callback cb;
    char *driver;
    if (argc > 1) {
        driver = argv[1];
    } else {
        driver = "/dev/binder";
    }
    //開啟binder驅動 ==> /dev/binder
    bs = binder_open(driver, 128*1024);
    if (!bs) {
        #ifdef VENDORSERVICEMANAGER
                ALOGW("failed to open binder driver %s\n", driver);
        while (true) {
            sleep(UINT_MAX);
        }
        #else
        ALOGE("failed to open binder driver %s\n", driver);
        #endif
        return -1;
    }
    if (binder_become_context_manager(bs)) {
        ALOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    cb.func_audit = audit_callback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);
    cb.func_log = selinux_log_callback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_LOG, cb);
    #ifdef VENDORSERVICEMANAGER
        sehandle = selinux_android_vendor_service_context_handle();
    #else
    sehandle = selinux_android_service_context_handle();
    #endif
    selinux_status_open(true);
    if (sehandle == NULL) {
        ALOGE("SELinux: Failed to acquire sehandle. Aborting.\n");
        abort();
    }
    if (getcon(&service_manager_context) != 0) {
    ALOGE("SELinux: Failed to acquire service_manager context. Aborting.\n");
    abort();
    }
    //開啟循環
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    return 0;
}

首先，我們先看service_manager的源碼，一般C/C++的源碼首先找main函數，這個是程序的入口，首先調用了binder_open，打開了/dev/binder路徑下的驅動driver，我們看下binder_open的實現。

// https://www.androidos.net.cn/android/9.0.0_r8/xref/frameworks/native/cmds/servicemanager ==> binder.c
struct binder_state *binder_open(const char* driver, size_t mapsize)
{
    struct binder_state *bs;
    struct binder_version vers;
    bs = malloc(sizeof(*bs));
    if (!bs) {
        errno = ENOMEM;
        return NULL;
    }
    //① 打開binder驅動文件，類似于打開一個apk，驅動文件是由代碼生成的
    bs->fd = open(driver, O_RDWR | O_CLOEXEC);
    if (bs->fd < 0) {
    fprintf(stderr,"binder: cannot open %s (%s)\n",
        driver, strerror(errno));
    goto fail_open;
    }
    if ((ioctl(bs->fd, BINDER_VERSION, &vers) == -1) ||
    (vers.protocol_version != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION)) {
    fprintf(stderr,
        "binder: kernel driver version (%d) differs from user space version (%d)\n",
        vers.protocol_version, BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION);
    goto fail_open;
    }
    bs->mapsize = mapsize;
    //② 內存映射
    bs->mapped = mmap(NULL, mapsize, PROT_READ, MAP_PRIVATE, bs->fd, 0);
    if (bs->mapped == MAP_FAILED) {
    fprintf(stderr,"binder: cannot map device (%s)\n",
        strerror(errno));
    goto fail_map;
    }
    return bs;
    fail_map:
    close(bs->fd);
    fail_open:
    free(bs);
    return NULL;
}

在binder_open方法中，首先初始化一個binder_state對象，這個會作為binder_open的返回值，并在一開始為其分配內存空間

①：調用open方法，這里是把/dev/binder傳進來，相當于將驅動打開，那么接下來移步至4.1小節，看Binder驅動在內核空間做了什么事？
②：打開驅動之后，調用了mmap方法，通過4.1小節我們知道，這個其實是調用了binder_mmap，那么移步至4.2小節，看下binder_mmap的源碼

4.1 binder_init

接下來，我們看下Binder驅動的源碼，在Binder驅動中也有一個binder.c文件，看下它的初始化方法，在device_initcall中傳入一個方法binder_init，這個方法就是Binder驅動初始化的開始

//http://androidxref.com/kernel_3.18/xref/drivers/staging/android/binder.c
static int __init binder_init(void)
{
   int ret;
   binder_deferred_workqueue = create_singlethread_workqueue("binder");
   if (!binder_deferred_workqueue)
      return -ENOMEM;
   binder_debugfs_dir_entry_root = debugfs_create_dir("binder", NULL);
   if (binder_debugfs_dir_entry_root)
      binder_debugfs_dir_entry_proc = debugfs_create_dir("proc",
                   binder_debugfs_dir_entry_root);
   //注冊Binder設備
   ret = misc_register(&binder_miscdev);
   if (binder_debugfs_dir_entry_root) {
      debugfs_create_file("state",
                S_IRUGO,
                binder_debugfs_dir_entry_root,
                NULL,
                &binder_state_fops);
      debugfs_create_file("stats",
                S_IRUGO,
                binder_debugfs_dir_entry_root,
                NULL,
                &binder_stats_fops);
      debugfs_create_file("transactions",
                S_IRUGO,
                binder_debugfs_dir_entry_root,
                NULL,
                &binder_transactions_fops);
      debugfs_create_file("transaction_log",
                S_IRUGO,
                binder_debugfs_dir_entry_root,
                &binder_transaction_log,
                &binder_transaction_log_fops);
      debugfs_create_file("failed_transaction_log",
                S_IRUGO,
                binder_debugfs_dir_entry_root,
                &binder_transaction_log_failed,
                &binder_transaction_log_fops);
   }
   return ret;
}
//初始化的位置
device_initcall(binder_init);

在binder_init方法中，調用了misc_register，傳入了一個對象binder_miscdev

static struct miscdevice binder_miscdev = {
   .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
   .name = "binder",
   .fops = &binder_fops
};
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,
};

其實這里主要就是干了一件事，對外暴露對驅動的操作，并與驅動內部的方法做映射；這句話可能比較繞，但是看本節開頭的①部分，這里調用了open方法，其實在驅動中就是調用了binder_open方法，只不過外部是無法直接調用binder_open方法

我們看這里注冊了幾個方法，都比較重要：binder_open、binder_mmap、binder_ioctl，我們一個一個來看

4.2 binder_open

這個方法，才是用戶空間真正地打開驅動的位置

static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp)
{
   struct binder_proc *proc;
   binder_debug(BINDER_DEBUG_OPEN_CLOSE, "binder_open: %d:%d\n",
           current->group_leader->pid, current->pid);
   //① 分配內存
   proc = kzalloc(sizeof(*proc), GFP_KERNEL);
   if (proc == NULL)
      return -ENOMEM;
   //②
   get_task_struct(current);
   proc->tsk = current;
   INIT_LIST_HEAD(&proc->todo);
   init_waitqueue_head(&proc->wait);
   proc->default_priority = task_nice(current);
   binder_lock(__func__);
   binder_stats_created(BINDER_STAT_PROC);
   hlist_add_head(&proc->proc_node, &binder_procs);
   proc->pid = current->group_leader->pid;
   INIT_LIST_HEAD(&proc->delivered_death);
   filp->private_data = proc;
   binder_unlock(__func__);
   if (binder_debugfs_dir_entry_proc) {
      char strbuf[11];
      snprintf(strbuf, sizeof(strbuf), "%u", proc->pid);
      proc->debugfs_entry = debugfs_create_file(strbuf, S_IRUGO,
         binder_debugfs_dir_entry_proc, proc, &binder_proc_fops);
   }
   return 0;
}

在這個方法中，首先定義了一個binder_proc引用，這個binder_proc是什么？它是Binder中維護的一個雙向鏈表，用于記錄每個進程的信息，我們看下圖：

因為我們知道，每個進程只要調用服務，那么service_manager都會調用binder_open方法，將這個進程信息存儲在binder_proc鏈表中。

①：所以在調用binder_open之后，調用kzalloc在內核空間為這個進程分配一塊內存
②：然后獲取當前進程信息，并將其放置在binder_proc鏈表的頭部\

打開了驅動，就有了進程間通信的能力。

4.2 binder_mmap

binder_mmap，我們之前簡單介紹過mmap的原理，那么這里我們看下，Binder驅動內部是如何做的

static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
   int ret;
   //內核空間
   struct vm_struct *area;
   //當前進程信息
   struct binder_proc *proc = filp->private_data;
   const char *failure_string;
   struct binder_buffer *buffer;
   if (proc->tsk != current)
      return -EINVAL;
   //①
   if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
      vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
   mutex_lock(&binder_mmap_lock);
   if (proc->buffer) {
      ret = -EBUSY;
      failure_string = "already mapped";
      goto err_already_mapped;
   }
   ......
   //②
   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;
   }
   proc->buffer = area->addr;
   proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer;
   mutex_unlock(&binder_mmap_lock);
#ifdef CONFIG_CPU_CACHE_VIPT
   if (cache_is_vipt_aliasing()) {
      while (CACHE_COLOUR((vma->vm_start ^ (uint32_t)proc->buffer))) {
         pr_info("binder_mmap: %d %lx-%lx maps %p bad alignment\n", proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, proc->buffer);
         vma->vm_start += PAGE_SIZE;
      }
   }
#endif
   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;
   //③
   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;
   INIT_LIST_HEAD(&proc->buffers);
   list_add(&buffer->entry, &proc->buffers);
   buffer->free = 1;
   binder_insert_free_buffer(proc, buffer);
   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;
err_alloc_small_buf_failed:
   kfree(proc->pages);
   proc->pages = NULL;
err_alloc_pages_failed:
   mutex_lock(&binder_mmap_lock);
   vfree(proc->buffer);
   proc->buffer = NULL;
err_get_vm_area_failed:
err_already_mapped:
   mutex_unlock(&binder_mmap_lock);
err_bad_arg:
   pr_err("binder_mmap: %d %lx-%lx %s failed %d\n",
          proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, failure_string, ret);
   return ret;
}

我們先看下binder_mmap的兩個入參，它是從service_manager那邊傳過來的，我們重點關注第二個參數：vma，我們可以把它看做是用戶空間，然后在binder_mmap中創建了一個area，就是內核空間

①：首先，會判斷用戶空間大小是否超過4M，我們可以往前看，當service_manager調用open方法時，傳入的mapsize大小為128 * 1024，也就是128K，也就是說在內核空間開辟了一塊128K的用戶空間內存

②：get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP);調用get_vm_area方法，就是在內核空間尋找一塊連續的內存，多大呢？就是傳進來的用戶空間的大小；然后將內核空間的虛擬地址賦值給用戶進程

③：調用binder_update_page_range方法，這個方法中主要工作就是創建物理內存并做映射關系，看下源碼

static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int allocate,
                void *start, void *end,
                struct vm_area_struct *vma)
{
   void *page_addr;
   unsigned long user_page_addr;
   struct vm_struct tmp_area;
   struct page **page;
   struct mm_struct *mm;
   //......
   if (allocate == 0)
      goto free_range;
   if (vma == NULL) {
      pr_err("%d: binder_alloc_buf failed to map pages in userspace, no vma\n",
         proc->pid);
      goto err_no_vma;
   }
   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);
      //分配一頁的物理內存 4K
      *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;
      }
      tmp_area.addr = page_addr;
      tmp_area.size = PAGE_SIZE + PAGE_SIZE /* guard page? */;
      //將內核空間與其建立映射關系
      ret = map_vm_area(&tmp_area, PAGE_KERNEL, page);
      if (ret) {
         pr_err("%d: binder_alloc_buf failed to map page at %p in kernel\n",
                proc->pid, page_addr);
         goto err_map_kernel_failed;
      }
      user_page_addr =
         (uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset;
      //將用戶空間與其建立映射關系
      ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]);
      if (ret) {
         pr_err("%d: binder_alloc_buf failed to map page at %lx in userspace\n",
                proc->pid, user_page_addr);
         goto err_vm_insert_page_failed;
      }
      /* vm_insert_page does not seem to increment the refcount */
   }
   if (mm) {
      up_write(&mm->mmap_sem);
      mmput(mm);
   }
   return 0;

這里我們看到就是，首先會分配一頁的物理內存4K，然后調用map_vm_area將內核空間虛擬地址與物理內存映射；調用vm_insert_page方法，將用戶空間與物理內存映射，見下圖：

就這樣，完成了物理內存與用戶空間和內核空間的映射，binder_mmap完成了自己的工作。

接著再回到service_manager的main方法中，我們看到調用了binder_open之后，會調用binder_loop方法，這個有點兒類似Android的Handler，也是開啟循環，接收命令去執行任務。

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7150495774290214919

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