Android跨進程通信IPC之14——Binder之native層C++篇--ServiceManager的獲得

移步系列Android跨進程通信IPC系列

1 源碼信息

framework/native/libs/binder/
  - ProcessState.cpp
  - BpBinder.cpp
  - Binder.cpp
  - IServiceManager.cpp
framework/native/include/binder/
  - IServiceManager.h
  - IInterface.h

2 獲取Service Manager簡述

  • 獲取Service Manager是通過defaultServiceManager()方法來完成的。當進程 注冊服務獲取服務之前,都需要調用defaultServiceManager()方法來獲取gDefaultServiceManager對象。
  • 對于gDefaultServiceManager對象,如果存在直接返回。如果不存在直接創建該對象,創建過程包括調用open()打開binder驅動設備,利用mmap()映射內核的地址空間。

3 流程圖

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4 獲取defaultServiceManager

//frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp      33行
sp<IServiceManager> defaultServiceManager()
{
    if (gDefaultServiceManager != NULL) return gDefaultServiceManager;
    {
         //加鎖
        AutoMutex _l(gDefaultServiceManagerLock); 
        while (gDefaultServiceManager == NULL) {
            gDefaultServiceManager = interface_cast<IServiceManager>(
                //這里才是關鍵和重點
                ProcessState::self()->getContextObject(NULL));
            if (gDefaultServiceManager == NULL)
                sleep(1);
        }
    }
    return gDefaultServiceManager;
}
  • 獲取ServiceManager 對象采用單例模式,當gDefaultServiceManager存在,則直接返回,否則創建一個新對象。
  • 這里的創建單利模式和咱們之前的java里面的單例不一樣。它里面多了一層while循環,這是谷歌在2013年1月Todd Poynor提交的修改。因為當第一次嘗試創建獲取ServiceManager時,ServiceManager可能還未準備就緒,所以通過sleep1秒,實現延遲1秒,然后嘗試去獲取直到成功。

gDefualtServiceManager的創建過程又可以分解為3個步驟

  • ProcessState::self() :用于獲取ProcessState對象(也是單例模式),每個進程有且只有一個ProcessState對象,存在則直接返回,不存在則創建。
  • getContextObject(): 用于獲取BpBinder對象,對于hanle=0的BpBinder對象,存在則直接返回,不存在則創建。
  • interface_cast<IServiceManager>():用于獲取BpServiceManager對象。

5 獲取ProcessState對象

5.1 ProcessState::self

//frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp   70行
// 這又是一個進程單體
sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);
    if (gProcess != NULL) {
        return gProcess;
    }
    //實例化 ProcessState,首次創建
    gProcess = new ProcessState;
    return gProcess;
}

獲取ProcessState對象:這也是一個單利模式,從而保證每一個進程只有一個ProcessState對象,其中gProccess和gProccessMutex是保持在Static.cpp的類全局變量。

5.2 ProccessState的構造函數

//frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp       339行
ProcessState::ProcessState()
    //這里打開了打開了Binder驅動,也就是/dev/binder文件,返回文件描述符
    : mDriverFD(open_driver())
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
    , mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
    , mExecutingThreadsCount(0)
    , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(NULL)
    , mBinderContextUserData(NULL)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mThreadPoolSeq(1)
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        //采用內存映射函數mmap,給binder分配一塊虛擬地址空間,涌來了接收事物
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        if (mVMStart == MAP_FAILED) {
            //沒有足夠空間分配給/dev/binder,則關閉驅動。
            close(mDriverFD); 
            mDriverFD = -1;
        }
    }
}

通過上面的構造函數我們知道

  • ProcessState的單利模式的唯一性,因此一個進程只打開binder設備一次,其中ProcessState的成員變量mDriverFD記錄binder驅動的fd,用于訪問binder設備。
  • BINDER_VM_SIZE=(110241024- (40962)),所以binder分配的默認內存大小是10241016也就是1M-8K(1M減去8k)
  • DEFAULT_MAX_BINDER_THREAD=15,binder默認的最大可并發的線程數為16。

5.3 open_driver()方法

//frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp       311行
static int open_driver()
{
    // 打開/dev/binder設備,建立與內核的Binder驅動的交互通道
    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
    if (fd >= 0) {
        fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
        int vers = 0;
        status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
        if (result == -1) {
            close(fd);
            fd = -1;
        }
        if (result != 0 || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {
            close(fd);
            fd = -1;
        }
        size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;

        // 通過ioctl設置binder驅動,能支持的最大線程數
        result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
        if (result == -1) {
            ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(errno));
        }
    } else {
        ALOGW("Opening '/dev/binder' failed: %s\n", strerror(errno));
    }
    return fd;
}

open_driver的作用就是打開/dev/binder設備,設定binder支持的最大線程數。

6 獲取BpBiner對象

6.1 getContextObject()方法

//frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp       85行
sp<IBinder> ProcessState::getContextObject(const sp<IBinder>& /*caller*/)
{
    return getStrongProxyForHandle(0);  
}

我們發現這里面什么都沒做,就是調用getStrongProxyForHandle()方法,大家注意它的入參寫死為0,然后我們繼續深入

6.2 getStrongProxyForHandle()方法

//frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp       179行
sp<IBinder> ProcessState::getStrongProxyForHandle(int32_t handle)
{
    sp<IBinder> result;
    AutoMutex _l(mLock);
    //查找handle對應的資源項
    handle_entry* e = lookupHandleLocked(handle);
    if (e != NULL) {
        IBinder* b = e->binder;
        if (b == NULL || !e->refs->attemptIncWeak(this)) {
            if (handle == 0) {
                Parcel data;
                //通過ping操作測試binder是否已經準備就緒
                status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
                        0, IBinder::PING_TRANSACTION, data, NULL, 0);
                if (status == DEAD_OBJECT)
                   return NULL;
            }
           //當handle值所對應的IBinder不存在或弱引用無效時,則創建BpBinder對象
            b = new BpBinder(handle);
            e->binder = b;
            if (b) e->refs = b->getWeakRefs();
            result = b;
        } else {
            result.force_set(b);
            e->refs->decWeak(this);
        }
    }
    return result;
}

當handle值所對應的IBinder不存在或弱引用無效時會創建BpBinder,否則直接獲取。針對hande==0的特殊情況,通過PING_TRANSACTION來判斷是否準備就緒。如果在context manager還未生效前,一個BpBinder的本地引用就已經被創建,那么驅動將無法提供context manager的引用。

在getStrongProxyForHandle()方法里面先后調用了lookupHandleLocked()方法和創建BpBinder對象

6.3 lookupHandleLocked()方法

//frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp      166行
ProcessState::handle_entry* ProcessState::lookupHandleLocked(int32_t handle)
{
    const size_t N=mHandleToObject.size();
    //當handle大于mHandleToObject的長度時,進入該分支
    if (N <= (size_t)handle) {
        handle_entry e;
        e.binder = NULL;
        e.refs = NULL;
        //從mHandleToObject的第N個位置開始,插入(handle+1-N)個e到隊列中
        status_t err = mHandleToObject.insertAt(e, N, handle+1-N);
        if (err < NO_ERROR) return NULL;
    }
    return &mHandleToObject.editItemAt(handle);
}
  • 根據handle值來查找對應的handle_entry,handle_entry是一個結構體,里面記錄了IBinder和weakref_type兩個指針。
  • 當handle大于mHandleToObject的Vector長度時,則向Vector中添加(handle+1-N)個handle_entry結構體,然后再返回handle向對應位置的handle_entry結構體指針。

6.4 創建BpBinder

//frameworks/native/libs/binder/BpBinder.cpp       89行
BpBinder::BpBinder(int32_t handle)
    : mHandle(handle)
    , mAlive(1)
    , mObitsSent(0)
    , mObituaries(NULL)
{
    //延長對象的生命時間
    extendObjectLifetime(OBJECT_LIFETIME_WEAK); 
    // handle所對應的bindle弱引用+1
    IPCThreadState::self()->incWeakHandle(handle); 
}

創建BpBinder對象中將handle相對應的弱引用+1

7 獲取BpServiceManager對象

7.1 interface_cast()函數

//frameworks/native/include/binder/IInterface.h  42行
template<typename INTERFACE>
inline sp<INTERFACE> interface_cast(const sp<IBinder>& obj)
{
    return INTERFACE::asInterface(obj); 
}

這是一個模板函數,可得出,interface_cast<IServiceManager>()等價于IServiceManager::asInterface()。接下來,再說說asInterface()函數的具體功能。

7.2 IServiceManager::asInterface()函數

對于asInterface()函數,通過搜索代碼,你會發現根本找不到這個方法是在哪里定義這個函數的,其實是通過模板函數來定義的,通過下面兩個代碼完成的

// 位于IServiceManager.h     33行
DECLARE_META_INTERFACE(ServiceManager)
//位于IServiceManager.cpp    108行
IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager,"android.os.IServiceManager")

那我們就來重點說下這兩塊代碼的功能

7.3 DECLARE_META_INTERFACE

//framework/native/include/binder/IInterface.h      74行
#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE)                               
   static const android::String16 descriptor;                          
   static android::sp<I##INTERFACE> asInterface(                       
          const android::sp<android::IBinder>& obj);                  
   virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;    
   I##INTERFACE();                                                     
   virtual ~I##INTERFACE();

位于IServiceManager.h文件中,INTERFACE=ServiceManager展開即可得:

static const android::String16 descriptor;

static android::sp< IServiceManager > asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj)

virtual const android::String16& getInterfaceDescriptor() const;

IServiceManager ();
virtual ~IServiceManager();

該過程主要是聲明asInterface()、getInterfaceDescriptor()方法。

7.4 IMPLEMENT_META_INTERFACE

//framework/native/include/binder/IInterface.h      83行
#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)                       \
    const android::String16 I##INTERFACE::descriptor(NAME);             \
    const android::String16&                                            \
            I##INTERFACE::getInterfaceDescriptor() const {              \
        return I##INTERFACE::descriptor;                                \
    }                                                                   \
    android::sp<I##INTERFACE> I##INTERFACE::asInterface(                \
            const android::sp<android::IBinder>& obj)                   \
    {                                                                   \
        android::sp<I##INTERFACE> intr;                                 \
        if (obj != NULL) {                                              \
            intr = static_cast<I##INTERFACE*>(                          \
                obj->queryLocalInterface(                               \
                        I##INTERFACE::descriptor).get());               \
            if (intr == NULL) {                                         \
                intr = new Bp##INTERFACE(obj);                          \
            }                                                           \
        }                                                               \
        return intr;                                                    \
    }                                                                   \
    I##INTERFACE::I##INTERFACE() { }                                    \
    I##INTERFACE::~I##INTERFACE() { }

位于IServiceManager.cpp文件中,INTERFACE=ServiceManager,NAME="android.os.IServiceManager" 開展即可得:

const 
 android::String16 
 IServiceManager::descriptor(“android.os.IServiceManager”);

const android::String16& IServiceManager::getInterfaceDescriptor() const
{
     return IServiceManager::descriptor;
}

 android::sp<IServiceManager> IServiceManager::asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj)
{
       android::sp<IServiceManager> intr;
        if(obj != NULL) {
           intr = static_cast<IServiceManager *>(
               obj->queryLocalInterface(IServiceManager::descriptor).get());
           if (intr == NULL) {
               intr = new BpServiceManager(obj);  //【見小節4.5】
            }
        }
       return intr;
}
IServiceManager::IServiceManager () { }
IServiceManager::~ IServiceManager() { }

不難發現,上面說的IServiceManager::asInterface() 等價于new BpServiceManager()。在這里,更確切地說應該是new BpServiceManager(BpBinder)。

7.4.1 BpServiceManager實例化

//frameworks/native/libs/binder/IServiceManager.cpp    126行
class BpServiceManager : public BpInterface<IServiceManager>
{
public:
    BpServiceManager(const sp<IBinder>& impl)
        : BpInterface<IServiceManager>(impl)
    {
    }

    virtual sp<IBinder> getService(const String16& name) const
    {
        unsigned n;
        for (n = 0; n < 5; n++){
            sp<IBinder> svc = checkService(name);
            if (svc != NULL) return svc;
            ALOGI("Waiting for service %s...\n", String8(name).string());
            sleep(1);
        }
        return NULL;
            }

    virtual sp<IBinder> checkService( const String16& name) const
    {
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
        data.writeString16(name);
        remote()->transact(CHECK_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
        return reply.readStrongBinder();
    }
    virtual status_t addService(const String16& name, const sp<IBinder>& service,
            bool allowIsolated)
    {
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
        data.writeString16(name);
        data.writeStrongBinder(service);
        data.writeInt32(allowIsolated ? 1 : 0);
        status_t err = remote()->transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, &reply);
        return err == NO_ERROR ? reply.readExceptionCode() : err;
    }

    virtual Vector<String16> listServices()
    {
        Vector<String16> res;
        int n = 0;

        for (;;) {
            Parcel data, reply;
            data.writeInterfaceToken(IServiceManager::getInterfaceDescriptor());
            data.writeInt32(n++);
            status_t err = remote()->transact(LIST_SERVICES_TRANSACTION, data, &reply);
            if (err != NO_ERROR)
                break;
            res.add(reply.readString16());
        }
        return res;
    }
};

創建BpServiceManager對象的過程,會先初始化父類對象:

7.4.2 BpServiceManager實例化

//frameworks/native/include/binder/IInterface.h     135行
template<typename INTERFACE>
class BpInterface : public INTERFACE, public BpRefBase
{
   public: BpInterface(const sp<IBinder>& remote);
   protected:  virtual IBinder*            onAsBinder();
};

7.4.3 BpRefBase初始化

BpRefBase::BpRefBase(const sp<IBinder>& o)
    : mRemote(o.get()), mRefs(NULL), mState(0)
{
    extendObjectLifetime(OBJECT_LIFETIME_WEAK);

    if (mRemote) {
        mRemote->incStrong(this);
        mRefs = mRemote->createWeak(this);
    }
}

new BpServiceManager(),在初始化過程中,比較重要的類BpRefBase的mRemote指向new BpBinder(0),從而BpServiceManager能夠利用Binder進行通信。

8 模板函數

C層的Binder架構,通過下面的兩個宏,非常方便地創建了new Bp##INTERFACE(obj)
代碼如下:

// 用于申明asInterface(),getInterfaceDescriptor()
#define DECLARE_META_INTERFACE(INTERFACE) 
// 用于實現上述兩個方法
#define IMPLEMENT_META_INTERFACE(INTERFACE, NAME)

例如:

// 實現BpServiceManager對象
IMPLEMENT_META_INTERFACE(ServiceManager,"android.os.IServiceManager")

等價于:

const android::String16 IServiceManager::descriptor(“android.os.IServiceManager”);
const android::String16& IServiceManager::getInterfaceDescriptor() const
{
     return IServiceManager::descriptor;
}

 android::sp<IServiceManager> IServiceManager::asInterface(const android::sp<android::IBinder>& obj)
{
       android::sp<IServiceManager> intr;
        if(obj != NULL) {
           intr = static_cast<IServiceManager *>(
               obj->queryLocalInterface(IServiceManager::descriptor).get());
           if (intr == NULL) {
               intr = new BpServiceManager(obj);
            }
        }
       return intr;
}

IServiceManager::IServiceManager () { }
IServiceManager::~ IServiceManager() { }

9 總結

  • defaultServiceManager 等價于new BpServiceManager(new BpBinder(0));
  • ProcessState:: self() 主要工作:
  1. 調用open,打/dev/binder驅動設備
  2. 調用mmap(),創建大小為 1016K的內存地址空間
  3. 設定當前進程最大的并發Binder線程個數為16
  • BpServiceManager巧妙將通信層與業務層邏輯合為一體,通過繼承接口IServiceManager實現接口中的業務邏輯函數;通過成員變量mRemote=new BpBinder(0) 進行Binder通信工作。BpBinder通過handle來指向所對應的BBinder在整個Binder系統總handle=0代表ServiceManager所對應的BBinder

參考

Android跨進程通信IPC之9——Binder之Framework層C++篇1

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