Android10.0 Binder通信原理(八)-Framework层分析

2023-10-31

[Android取经之路] 的源码都基于Android-Q（10.0）进行分析

[Android取经之路] 系列文章：

《系统启动篇》

Android系统架构
 Android是怎么启动的
 Android 10.0系统启动之init进程
 Android10.0系统启动之Zygote进程
 Android 10.0 系统启动之SystemServer进程
 Android 10.0 系统服务之ActivityMnagerService
Android10.0系统启动之Launcher(桌面)启动流程
 Android10.0应用进程创建过程以及Zygote的fork流程
 Android 10.0 PackageManagerService（一）工作原理及启动流程
 Android 10.0 PackageManagerService（二）权限扫描
 Android 10.0 PackageManagerService（三）APK扫描
 Android 10.0 PackageManagerService（四）APK安装流程
《日志系统篇》

Android10.0 日志系统分析(一)-logd、logcat 指令说明、分类和属性
 Android10.0 日志系统分析(二)-logd、logcat架构分析及日志系统初始化
 Android10.0 日志系统分析(三)-logd、logcat读写日志源码分析
 Android10.0 日志系统分析(四)-selinux、kernel日志在logd中的实现
《Binder通信原理》：

《HwBinder通信原理》

1.概述
前面几节，我们已经把Native层和Binder驱动层的Binder数据流转给理清楚了，也知道了相应的概念。这一节让我们继续往上进行分析，我们进入到Framework层，看看Framework是如何实现服务的注册、获取的流程。

2.Binder架构
Framework层要实现服务的注册需要通过JNI 来调用Native C\C++层的相应接口，最终把服务注册到Native层的ServiceManager中。
应用层的进行通过Framework的接口，也经过JNI技术进入Native C\C++,最终在Native层的ServiceManager中得到服务handle，最终转成相应的服务对象。

3.源码分析
3.1 Binder-JNI
当Init进程启动后，孵化Zygote进程时，会有一个虚拟机注册过程，在这个过程中完成了JNI的注册，我们现在不需要深入去理解JNI的原理，后面有时间，我再单独出一章来进行分析。

现在我们只要知道 JAVA和Native侧的函数对应关系在哪里即可。

Binder的JNI中有个三个Binder的映射数组：gBinderMethods、gBinderInternalMethods、gBinderInternalMethods。

我们在撸代码时，是要根据JAVA的函数入口找到JNI的函数调用即可，不要太追求细枝末节。

gBinderMethods：

[/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp]
static const JNINativeMethod gBinderMethods[] = {
     /* name, signature, funcPtr */
    // @CriticalNative
    { "getCallingPid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingPid },
    // @CriticalNative
    { "getCallingUid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingUid },
    // @CriticalNative
    { "isHandlingTransaction", "()Z", (void*)android_os_Binder_isHandlingTransaction },
    // @CriticalNative
    { "clearCallingIdentity", "()J", (void*)android_os_Binder_clearCallingIdentity },
    { "restoreCallingIdentity", "(J)V", (void*)android_os_Binder_restoreCallingIdentity },
    // @CriticalNative
    { "setThreadStrictModePolicy", "(I)V", (void*)android_os_Binder_setThreadStrictModePolicy },
    // @CriticalNative
    { "getThreadStrictModePolicy", "()I", (void*)android_os_Binder_getThreadStrictModePolicy },
    // @CriticalNative
    { "setCallingWorkSourceUid", "(I)J", (void*)android_os_Binder_setCallingWorkSourceUid },
    // @CriticalNative
    { "getCallingWorkSourceUid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingWorkSourceUid },
    // @CriticalNative
    { "clearCallingWorkSource", "()J", (void*)android_os_Binder_clearCallingWorkSource },
    { "restoreCallingWorkSource", "(J)V", (void*)android_os_Binder_restoreCallingWorkSource },
    { "flushPendingCommands", "()V", (void*)android_os_Binder_flushPendingCommands },
    { "getNativeBBinderHolder", "()J", (void*)android_os_Binder_getNativeBBinderHolder },
    { "getNativeFinalizer", "()J", (void*)android_os_Binder_getNativeFinalizer },
    { "blockUntilThreadAvailable", "()V", (void*)android_os_Binder_blockUntilThreadAvailable }
};

gBinderInternalMethods：

[/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp]
static const JNINativeMethod gBinderInternalMethods[] = {
     /* name, signature, funcPtr */
    { "getContextObject", "()Landroid/os/IBinder;", (void*)android_os_BinderInternal_getContextObject },
    { "joinThreadPool", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_joinThreadPool },
    { "disableBackgroundScheduling", "(Z)V", (void*)android_os_BinderInternal_disableBackgroundScheduling },
    { "setMaxThreads", "(I)V", (void*)android_os_BinderInternal_setMaxThreads },
    { "handleGc", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_handleGc },
    { "nSetBinderProxyCountEnabled", "(Z)V", (void*)android_os_BinderInternal_setBinderProxyCountEnabled },
    { "nGetBinderProxyPerUidCounts", "()Landroid/util/SparseIntArray;", (void*)android_os_BinderInternal_getBinderProxyPerUidCounts },
    { "nGetBinderProxyCount", "(I)I", (void*)android_os_BinderInternal_getBinderProxyCount },
    { "nSetBinderProxyCountWatermarks", "(II)V", (void*)android_os_BinderInternal_setBinderProxyCountWatermarks}
};

gBinderInternalMethods：

[/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp]
static const JNINativeMethod gBinderInternalMethods[] = {
     /* name, signature, funcPtr */
    { "getContextObject", "()Landroid/os/IBinder;", (void*)android_os_BinderInternal_getContextObject },
    { "joinThreadPool", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_joinThreadPool },
    { "disableBackgroundScheduling", "(Z)V", (void*)android_os_BinderInternal_disableBackgroundScheduling },
    { "setMaxThreads", "(I)V", (void*)android_os_BinderInternal_setMaxThreads },
    { "handleGc", "()V", (void*)android_os_BinderInternal_handleGc },
    { "nSetBinderProxyCountEnabled", "(Z)V", (void*)android_os_BinderInternal_setBinderProxyCountEnabled },
    { "nGetBinderProxyPerUidCounts", "()Landroid/util/SparseIntArray;", (void*)android_os_BinderInternal_getBinderProxyPerUidCounts },
    { "nGetBinderProxyCount", "(I)I", (void*)android_os_BinderInternal_getBinderProxyCount },
    { "nSetBinderProxyCountWatermarks", "(II)V", (void*)android_os_BinderInternal_setBinderProxyCountWatermarks}
};

3.2 服务注册

在上一节的Framework Binder Demo示例中，我们知道服务注册的时候，调用的是ServiceManager.java的addService()，那我们就拿addService()开刀。

注册服务调用栈：

3.2.1 addService()

[/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java]
public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated,
        int dumpPriority) {
    try {
        //获取ServiceManagerProxy对象，执行addService操作
        getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated, dumpPriority);
    } catch (RemoteException e) {
        Log.e(TAG, "error in addService", e);
    }
}

拿到ServiceManagerProxy对象，来执行addService操作，这个ServiceManagerProxy对象需要我们来揭开面纱。

3.2.2 getIServiceManager()

[/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java]
private static IServiceManager getIServiceManager() {
    if (sServiceManager != null) {
        return sServiceManager;
    }
 
    // Find the service manager
    sServiceManager = ServiceManagerNative
            .asInterface(Binder.allowBlocking(BinderInternal.getContextObject()));
    return sServiceManager;
}

这里也采用了单例模式来获取ServiceManagerProxy对象，减少对象重复创建。

[/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java]
static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)
{
    if (obj == null) {
        return null;
    }
    IServiceManager in =
        (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
    if (in != null) {
        return in;
    }
 
    return new ServiceManagerProxy(obj);
}

asInterface()中的主要作用就是创建ServiceManagerProxy()对象，但是需要带一个IBinder的 obj，我来看看这个obj是如何拿到的。

3.2.3 getContextObject()

[/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/BinderInternal.java]
public static final native IBinder getContextObject();

BinderInternal.java中有一个native方法getContextObject()，JNI调用执行上述方法，在JNI的 gBinderInternalMethods数组中找到了getContextObject的对应关系，即为android_os_BinderInternal_getContextObject。

android_os_BinderInternal_getContextObject()
[/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp]
static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
    return javaObjectForIBinder(env, b);
}

ProcessState::self()->getContextObject(NULL) 在《Binder--Native-C\C++实例分析》的[5.3.1]节已经进行了详细分析，最终等价于 new BpBinder(0)，这里就不重复展开了。

javaObjectForIBinder()

如果参数是JavaBBinder，返回用于创建它的Java对象；否则返回一个BinderProxy的对象。

如果上一个调用被传递给同一个IBinder，而原来的BinderProxy还活着，返回同样的BinderProxy。

[/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp]
jobject javaObjectForIBinder(JNIEnv* env, const sp<IBinder>& val)
{
    if (val == NULL) return NULL;
 
    if (val->checkSubclass(&gBinderOffsets)) {
            //如果参数是JavaBBinder，返回用于创建它的Java对象；否则返回一个BinderProxy的对象。
        jobject object = static_cast<JavaBBinder*>(val.get())->object();
        LOGDEATH("objectForBinder %p: it's our own %p!\n", val.get(), object);
        return object;
    }
 
        //申请一个BinderProxyNativeData的内存
    BinderProxyNativeData* nativeData = new BinderProxyNativeData();
    nativeData->mOrgue = new DeathRecipientList;
    nativeData->mObject = val;
 
    //创建BinderProxy对象，设置BinderProxy的相关参数，能够与JAVA层的BinderProx参与工作
    jobject object = env->CallStaticObjectMethod(gBinderProxyOffsets.mClass,
            gBinderProxyOffsets.mGetInstance, (jlong) nativeData, (jlong) val.get());
    if (env->ExceptionCheck()) {
        return NULL;
    }
    BinderProxyNativeData* actualNativeData = getBPNativeData(env, object);
    if (actualNativeData == nativeData) {
        // Created a new Proxy
        uint32_t numProxies = gNumProxies.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
        uint32_t numLastWarned = gProxiesWarned.load(std::memory_order_relaxed);
        if (numProxies >= numLastWarned + PROXY_WARN_INTERVAL) {
            if (gProxiesWarned.compare_exchange_strong(numLastWarned,
                        numLastWarned + PROXY_WARN_INTERVAL, std::memory_order_relaxed)) {
                ALOGW("Unexpectedly many live BinderProxies: %d\n", numProxies);
            }
        }
    } else {
        delete nativeData;
    }
 
    return object;
}

javaObjectForIBinder()中，申请一个BinderProxyNativeData的内存，传入的BpBinder的对象地址保存到BinderProxyNativeData.mObject成员变量中，通过虚拟机的转换，BinderProxyNativeData在JAVA空间会被转换成 BinderProxy对象。

最终，BinderInternal.getContextObject()等价于 new BinderProxy()，所以getIServiceManager等价于new ServiceManagerProxy(new BinderProxy())。

3.2.4 ServiceManagerProxy.addService()
上一节，我们已经拿到了ServiceManager在JAVA空间的代理，即ServiceManagerProxy，接着调用addService()来进行服务的注册。

[/frameworks/base/core/java/android/os/IServiceManager.java]
public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated, int dumpPriority)
        throws RemoteException {
    Parcel data = Parcel.obtain();
    Parcel reply = Parcel.obtain();
    data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
    data.writeString(name);
    //将Binder对象扁平化，转换成flat_binder_object对象,这里为服务注册，对应的是Binder实体
    data.writeStrongBinder(service); 
    data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);
    data.writeInt(dumpPriority);
       //Code：ADD_SERVICE_TRANSACTION ，parcel的数据 发到C空间，进行事务处理，注册服务。
    mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0); 
    reply.recycle();
    data.recycle();
}

组装一个Parcel数据，把服务的名称和对象写入Parcel中，然后把它拍扁，服务转成flat_binder_object对象，在Native层为Binder实体。

3.2.5 writeStrongBinder()
把传入的服务对象拍扁，转成flat_binder_object对象，代码流程太罗嗦，这里列出以下调用栈流程：

data.writeStrongBinder(service)等价于parcel->writeStrongBinder(new JavaBBinder(env, obj));最终调用的是flatten_binder()，目的是把一个Binder实体“压扁”并写入Parcel。

这里"压扁"的含义，其实就是把Binder对象整理成flat_binder_object变量。如果压扁的是Binder实体，那么flat_binder_object用cookie域记录binder实体的指针，即BBinder指针，而如果打扁的是Binder代理，那么flat_binder_object用handle域记录的binder代理的句柄值。

接着flatten_binder()调用了一个关键的finish_flatten_binder()函数。这个函数内部会记录下刚刚被扁平化的flat_binder_object在parcel中的位置。说得更详细点儿就是，parcel对象内部会有一个buffer，记录着parcel中所有扁平化的数据，有些扁平数据是普通数据，而另一些扁平数据则记录着binder对象。所以parcel中会构造另一个mObjects数组，专门记录那些binder扁平数据所在的位置，示意图如下：

flatten_binder()的流程可以参考《Binder--Native-C\C++实例分析》的[5.4]节

3.2.6 mRemote对象

class ServiceManagerProxy implements IServiceManager {
    public ServiceManagerProxy(IBinder remote) {
        mRemote = remote;
    }
    @UnsupportedAppUsage
    private IBinder mRemote;
}

mRemote 是ServiceManagerProxy的一个成员，执行一个IBinder对象，mRemote在ServiceManagerProxy()构造函数中进行了赋值，从[4.2.3]和[4.2.4] 可知getIServiceManager()中调用了如下内容：

sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(Binder.allowBlocking(BinderInternal.getContextObject()))

从而可知 mRemote = BinderInternal.getContextObject() = new BinderProxy()，所以mRemote就是BinderProxy的对象。

mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0) 等价于BinderProxy.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0)

3.2.7 BiderProxy.transact()

public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags) throws RemoteException {
        //检查Parcel的大小是否大于800K
    Binder.checkParcel(this, code, data, "Unreasonably large binder buffer");
 
    try {
        return transactNative(code, data, reply, flags);
    } finally {
            ...
    }
}

逻辑很简单，先检查Parcel的大小是否大于800K，然后调用了transactNative()进行数据传递。

public native boolean transactNative(int code, Parcel data, Parcel reply,
        int flags) throws RemoteException;

逻辑很简单，先检查Parcel的大小是否大于800K，然后调用了transactNative()进行数据传递。

public native boolean transactNative(int code, Parcel data, Parcel reply,
        int flags) throws RemoteException;

transactNative()一个Native方法，根据之前的JNI数组表，可以查到JNI的对应入口。

static jboolean android_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,
        jint code, jobject dataObj, jobject replyObj, jint flags) // throws RemoteException
{
    ...
    Parcel* data = parcelForJavaObject(env, dataObj);
    ...
    Parcel* reply = parcelForJavaObject(env, replyObj);
    ...
    IBinder* target = getBPNativeData(env, obj)->mObject.get();
    ...
        //根据我们之前获取的对象流程来看，BinderProxy在Native空间，对应的是BpBinder，target即为BpBinder对象
    status_t err = target->transact(code, *data, reply, flags);
    ...
    return JNI_FALSE;
}

根据我们之前获取的对象流程来看，BinderProxy在Native空间，对应的是BpBinder，target即为BpBinder对象。所以target->transact() 等价于BpBinder::transact(), 接下来的流程参考前面Native-C\C++层的分析，这里的细节不再阐述,参考《Binder--Native-C\C++实例分析》和《Binder数据如何定向打击》，也可以看到上面注册服务的调用栈。

3.2.8 服务注册总结
framework层的ServiceManager的调用实际的工作确实交给ServiceManagerProxy的成员变量BinderProxy；而BinderProxy通过jni方式，最终会调用BpBinder对象；可见上层binder架构的核心功能依赖native架构的服务来完成的。

注册服务的核心部分，就是JAVA侧把服务名称和对象，转入Parcel“扁平”数据，通过Native BpBinder，把code：ADD_SERVICE_TRANSACTION发给Binder驱动，再转到Native的ServiceManager，ServiceManager把服务名称和转换后的handler进行存储，供Client进行服务获取。

3.3 服务获取

在上一节的Framework Binder Demo示例中，我们知道服务注册的时候，调用的是ServiceManager.java的getService(),那么获取服务就从getService()入口。

[/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java]
public static IBinder getService(String name) {
    try {
            //从缓存中获取服务对象
        IBinder service = sCache.get(name);
        if (service != null) {
            return service;
        } else {
                 //从Native层服务列表中取服务对象
            return Binder.allowBlocking(rawGetService(name));
        }
    } catch (RemoteException e) {
        Log.e(TAG, "error in getService", e);
    }
    return null;
}

3.3.2 rawGetService()

[/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java]
private static IBinder rawGetService(String name) throws RemoteException {
    ...
        //
        //即为ServiceManagerProxy().getService
    final IBinder binder = getIServiceManager().getService(name);
    ...
    return binder;
}

从上面可知getIServiceManager() 等价于 new ServiceManagerProxy(new BinderProxy())，getIServiceManager().getService(name)等价于ServiceManagerProxy().getService(name)

3.3.3 getService()

[/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java]
public IBinder getService(String name) throws RemoteException {
    Parcel data = Parcel.obtain();
    Parcel reply = Parcel.obtain();
    data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
    data.writeString(name);
    mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
    IBinder binder = reply.readStrongBinder();
    reply.recycle();
    data.recycle();
    return binder;
}

从[4.2.6]可知，mRemote.transact(XXX) 等价于BinderProxy.transact(xx),这里不展开，和[4.2.7流程]一样，只是ServiceManager获取到服务的handle后，存入了reply信息中，这里会再调用reply.readStrongBinder()把binder对象给取出来。

3.3.4 readStrongBinder()

public final IBinder readStrongBinder() {
    return nativeReadStrongBinder(mNativePtr);
}

调用栈如下：

Parcel.cpp -> readStrongBinder() 参考《Binder--Native-C\C++实例分析》中的[6.4]节, javaObjectForIBinder()参考[4.2.3]

readStrongBinder()最终是从reply的Parcel数据中获得BpBinder对象，再转成BinderProxy对象，参与JAVA层的工作。

3.3.5 allowBlocking

[/frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java]
public static IBinder allowBlocking(IBinder binder) {
    try {
        //如果binder是代理类，则设置非阻塞式
        if (binder instanceof BinderProxy) {
            ((BinderProxy) binder).mWarnOnBlocking = false;
        } else if (binder != null && binder.getInterfaceDescriptor() != null
                && binder.queryLocalInterface(binder.getInterfaceDescriptor()) == null) {
            //如果binder是本地对象，binder描述符不为空，且和本地binder描述符不相同 
            Log.w(TAG, "Unable to allow blocking on interface " + binder);
        }
    } catch (RemoteException ignored) {
    }
    return binder;
}

作用：

允许在给定接口上阻塞调用，重写请求的{setWarnOnBlocking（boolean）}值。
只有当您完全确定远程接口是一个永远无法升级的内置系统组件时，才应该很少调用此命令。尤其是，决不能对包托管的、可升级或替换的接口调用此命令，否则，如果远程接口接入，将有系统不稳定的风险。
3.3.6 获取服务小结
和注册服务类似，都是需要依赖Native层的接口与Binder驱动通信，获取服务主要是从Native的ServieManager取到Binder对象。

3.4 Client-Server接口调用
在[3.2] 和[3.3]中，我们知道了服务注册addService()和获取服务getService()的流程，接下来我们再看一看接口调用是如何进行的。

[MyServiceProxy.java]
public void setValue(String str) throws RemoteException {
    Parcel data = Parcel.obtain(); //准备发送数据，结构为Parcel
    Parcel reply = Parcel.obtain();//准备返回数据，结构为Parcel
    try {
            //写入服务的Token，用来验证服务的准确性
        data.writeInterfaceToken(IMyService.descriptor); 
        data.writeString(str); //把参数写入Parcel，服务端会获取该参数
        mRemote.transact(SET_VALUE_TRANSACTION, data, reply, 0); //code：SET_VALUE_TRANSACTION
        reply.readException();
    } finally {
        reply.recycle();
        data.recycle();
    }
}

上面调用的流程，其实和addService()、getService()类似，都是组装Parcel数据，准备服务端的code，调用BinderProxy.transact()发送到服务端。

但是和服务注册不同的是，在服务注册中，Native的ServiceManager是Server端，服务实体是Client端。接口调用时，服务实体是Server端。

服务端接收到CLient的请求后，根据下图的流程，最终流转到服务实体的onTransact()中，对解析出来的Parcel数据进行处理。

4.总结
Framework层获取服务、注册服务，其实都是由JAVA层的ServiceManager代理 ServiecManagerProxy ，通过Binder驱动，访问Native层的ServiceManager，进行服务注册和获取动作。

这一节只是单独在Framework层进行了分析，很多情况下我们都是在应用层进行处理流程，通过AIDL接口进行通信，下一节会对AIDL进行一下分析。

代码路径：

Framework:

/frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java
/frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java
/frameworks/base/core/java/android/os/BinderProxy.java
/frameworks/base/core/java/android/os/BinderProxy.java
/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java
/frameworks/base/core/java/android/os/IServiceManager.java
/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java
/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/BinderInternal.java

JNI:

/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.h
/frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp
/frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.h
/frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.cpp

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