Android 跨进程通信导论，2021 年 Android 面试心得

2021 年 11 月 27 日
本文字数：4737 字
阅读完需：约 16 分钟

try?{double?result?=?mathAidl.add(1,?1);Toast.makeText(MainActivity.this,?"计算结果为："?+?result,?Toast.LENGTH_SHORT).show();mathAidl.play("请观看服务端播放：'西京一村夫'SINITEK 冲刺之路.mp4");}?catch?(RemoteException?e)?{e.printStackTrace();}}};}

以上代码放在：

https://github.com/BuilderPattern/AidlTransactionServer.git

https://github.com/BuilderPattern/AidlTransactionClient.git

(2)如果你是一个比较有求知欲的键盘侠，你通过一顿操作在 IMathAidl.java 中就会发现，该 AIDL 会生成 java 类，实际的交互都这里完成。问题来了，是不是可以不用定义 aidl 接口，直接采用 IMathAidl.java 类中的方式去实现呢？答案是：肯定可以！因为，本质上就是 aidl 通过构建生成对应的 IMathAidl.java 文件来实现具体操作，如下：1.Server 端创建一个 Service 并注册：

public?class?NoAidlService?extends?Service?{

public?IBinder?onBind(Intent?t)?{return?mBinder;}

private?NormalBinder?mBinder?=?new?NormalBinder();

private?class?NormalBinder?extends?Binder?{@Overrideprotected?boolean?onTransact(int?code,?Parcel?data,?Parcel?reply,?int?flags)?throws?RemoteException?{//0 加，1 乘 switch?(code)?{case?0:?{data.enforceInterface("NoAidlService");//检测标识 int?_arg0?=?data.readInt();int?_arg1?=?data.readInt();int?_result?=?_arg0?+?_arg1;reply.writeNoException();reply.writeInt(_result);return?true;}case?1:?{data.enforceInterface("NoAidlService");int?_arg0?=?data.readInt();int?_arg1?=?data.readInt();int?_result?=?_arg0?*?_arg1;reply.writeNoException();reply.writeInt(_result);return?true;}}return?super.onTransact(code,?data,?reply,?flags);}}

}

<service?android:name=".NoAidlService"><intent-filter><action?android:name="com.sinitek.noaidl.myservice"?/><category?android:name="android.intent.category.DEFAULT"?/></intent-filter></service>

2.Client 端连接 Server 端，发送收据/等待回复：

public?class?MainActivity?extends?AppCompatActivity?{

IBinder?mBinder;ServiceConnection?mServiceConnection?=?new?ServiceConnection()?{@Overridepublic?void?onServiceConnected(ComponentName?name,?IBinder?service)?{mBinder?=?service;}

@Overridepublic?void?onServiceDisconnected(ComponentName?name)?{

}};

TextView?mTextView;

@Overrideprotected?void?onCreate(Bundle?savedInstanceState)?{super.onCreate(savedInstanceState);setContentView(R.layout.activity_main);mTextView?=?findViewById(R.id.activity_main_operate_tv);Intent?intent?=?new?Intent("com.sinitek.noaidl.myservice");intent.setPackage("com.sinitek.transactionservernoaidl");bindService(intent,?mServiceConnection,?Context.BIND_AUTO_CREATE);initEvent();}

private?void?initEvent()?{mTextView.setOnClickListener(new?View.OnClickListener()?{@Overridepublic?void?onClick(View?v)?{mRcvSnd();}});}

public?void?mRcvSnd()?{

if?(mBinder?==?null)?{return;}Parcel?_data?=?Parcel.obtain();Parcel?_reply?=?Parcel.obtain();int?_code?=?(int)?(Math.random()?*?6)?%?2;int?_result;try?{_data.writeInterfaceToken("NoAidlService");//客户端标识_data.writeInt(6);_data.writeInt(6);mBinder.transact(_code,?_data,?_reply,?0);_reply.readException();_result?=?_reply.readInt();Toast.makeText(MainActivity.this,?"收到回复："?+?_result,?Toast.LENGTH_SHORT).show();

}?catch?(RemoteException?e)?{e.printStackTrace();}?finally?{_reply.recycle();_data.recycle();}}

}

有关该交互过程比较容易理解，依次：创建 Server》Client 连接 Service》Client 向 Service 发送数据》Service 收到 Client 数据进行一系列分析操作，做出回应》Client 拿到 Service 的响应结果，如下图所示：

下面，我们正式开始对 Binder 通信机制和过程涉及的相关内容进行阐述(如本文有理解误区，万望读者不吝赐教)：

（一）进程间通信有多种方式，这里主要介绍 Android 进程间通信 Binder 特点及实现过程：在 Android 中，一个进程通常无法访问另一个进程的内存。为了进行通信，需将其对象分解成可供操作系统理解的原语，并将其编组为可供开发人员操作的对象。如果开发人员直接编写执行该操作的代码较为繁琐，因此 Android 引入 AIDL 实现进程通信。aidl(Android Interface Definition Language)接口定义语言，可以定义客户端与服务均认可的编程接口，实现进程通信。学习 Binder 前，强烈建议先了解 aidl 的实现过程，通过学习 aidl 的工作过程，我们会对进程通信的流程有大致的概念，有利于底层执行的命令、调用接口和执行上层写入/读取相对应的理解，后面学习底层的过程就好比验证每个过程的更深层实现。比如：C/S 端通信 transact/onTransact 方法内实现数据交互，消息源筛选、数据类型及数据的读写，特点一目了然；鉴于篇幅，有关 aidl 的实现过程请自行学习，尽量熟练掌握(可以学习 Android 开发艺术探索和张鸿洋的博客)。特点：安全、传输性能高和操作相对简单；安全性，对比 socket/管道通信方式，Binder 通信过程中，系统每创建一个进程会分配对应的 PID 和 UID（此特点还可以用于多进程项目的某些方向区分优化），进程之间通过进程 id 匹配确认消息来源；传输性能高，传输数据不需要 tcp 协议的三次握手，传输过程只需一次拷贝，操作简单；共享内存虽然不需要拷贝，但实现起来要复杂很多。

（二）了解下内存映射函数 mmap 和读写数据接口 ioctl：mmap 用于建立用户空间和内核空间的映射关系，实现映射关系内存空间共享数据；建立映射关系的不同内存空间的数据操作，会映射到建立关系的其他内存空间，对应关系如下图：

ioctl 是底层和应用层之间定义的接口协议（用于操作写入/读取数据），不提供单独的 read/write 接口，一次调用实现写入读取数据，满足数据交互同步。假设需要进行写入/读取数据（write_size 和 read_size 都大于 0），在操作写入和读取的过程，先将 write_buffer 里面的数据写入 Binder；然后同步等待数据返回，从 Binder 中读取数据存入 read_buffer。因为 BINDER_WRITE_READ 命令包含写入和读取数据两步操作，且是否进行写入和读取操作都是根据 Binder 的 write_size 和 read_size 确定的。假如只写入，设置 Binder 的 write_size 大于 0，read_size 等于 0 即可；其他情况同理。

（三）接下来对进程通信 C/S 端采用 Binder 通信过程的 write

《Android 学习笔记总结+最新移动架构视频+大厂安卓面试真题+项目实战源码讲义》
【docs.qq.com/doc/DSkNLaERkbnFoS0ZF】完整内容开源分享

/read 及数据传递进行介绍：在 aidl 操作的过程，有单独的 write 和 read 方法，在底层命令是一次执行，写入/读取根据顺序判断是否需要执行（write_size/read_size）对应操作。比如 Server/Client 端执行 write/read 完成后，进入等待接收数据状态，接收到数据之后做相应操作并回应 reply。Binder 写入/读取的数据结构体是 binder_transaction_data，该数据体包含了上述，比如：进程 id、用户 id 用于接收方确认发送方，data_size 缓存区存放的数据长度（由发送方设置，用于接收方确定接收到的数据大小）。系统为每个应用分配一定的内存(虽然应用可以自行配置，但不能超过系统可分配的最大值)，且每次处理完之后会执行 BUFFER_FREE 命令释放内存。上面我们提到 mmap()映射函数，在 Binder 通信的写入/读取过程中，采用的是接收数据缓存的动态分配和释放。程序处理完某缓存区数据之后，底层会调用命令释放缓存区，否则会导致缓存区耗尽而无法接收数据。关于 Binder 的 C/S 端通信，总结性描述：Client 端将函数参数打包，在 transact()中通过服务端 Binder 向 Server 发送数据包请求/等待数据返回，Server 端在 onTransact()中通过客户端 Binder 获取 binder_transaction_data 数据，取出进程 id 及其他数据做相应处理，应答 Client 端。很多讲解这块儿内容的时候，都提到用对方 Client/Server 的 Binder 进行数据操作，实现数据交互。在底层本质上是，进程通过 ServiceManager（简称 SMgr 下面会详细解释）注册，用的时候直接在注册表查找，就可以实现两端都持有彼此的引用（可以暂时理解为对象的引用遍布各处），由于应用层实现不需要修改底层代码，所以这也是便于理解的一种说法。在 Client 和 Server 通信的过程，SMgr 类似于域名服务器，当客户端向服务端发起请求的时候，通过 SMgr 找到初始进程对应 Binder 引用（类比在域名服务器中找到域名对应的主机）进行写入/读取；SMgr 进程的转化及其 Binder 创建，如下图：

通信主要由四部分组成：Server、Client、SMgr 和 Binder 驱动；前两个是需要实现通信的两端，驱动负责把 Server 端 Binder 相关信息通过数据包形式发送到 SMgr，SMgr 收到数据包之后解析数据注册 Server 端的 Binder 引用，后续 SMgr 还会负责在 Binder 的登记表里查找每个进程对应的 Binder 引用。大致过程为：Server 端创建 Binder 实体之后，通过驱动以 transaction_data 数据包的形式发送到 SMgr，通过 SMgr 将对应引用注册到内核 Binder 注册表。以上发送及注册引用的具体过程为：Binder 实体创建之后，驱动会在内核创建其对应的实体节点和用于传递给 SMgr 的 Binder 引用，然后把实体信息和刚刚创建的 Binder 内核引用等信息传递给 SMgr，SMgr 进程解析数据将引用插入 Binder 注册表，Client 端就可以在表中查找该引用执行 write_buffer/read_buffer 等操作；其他进程发送数据，SMgr 接收数据并执行注册过程，如下图：

实际上要完成上面的过程，首先 Server 和 SMgr 也涉及到进程间通信，SMgr 可以理解成系统默认进程，其他进程和 SMgr 通信的时候，SMgr 都是作为 Server 端；那么 SMgr 和 Server 端通信时，SMgr 中的 Binder 引用到底是谁传过来的，都要它注册，那他自己的 Binder 谁注册？比方 SMgr 进程是项目经理，其他进程是项目组织成员，项目经理给每个人的权力(Binder)去完成工作，那么项目经理分配权限，项目经理的权力哪里来？肯定需要管理层赋予他职责。接下来解释下 SMgr 的 Binder 引用哪里来，当某个进程执行 BINDER_SET_CONTEXT_MGR 命令将自身注册成 SMgr 进程时，驱动会为该进程创建好 Binder 实体(0 号引用)，并且其他所有进程都能获取到该引用，系统只能有一个 SMgr 进程。后续任何进程向 SMgr 注册 Binder 时，都要通过该引用(SMgr 的 Binder 实体引用)和 SMgr 进程进行通信。进程注册及进程间通信整个过程，大致理解为 SMgr 作为主导注册/查找对应 Binder 对象进行写入/读取，如下图：

所以，进程间通信就可以分为：SMgr 和其他进程，Server、Client 和 SMgr 两种。本质上都是用对应进程的 Binder 对象实现写入/读取等操作。区别在于进程对应的 Binder 对象：前者系统注册的时候就会定为 0 号引用；后者需要 SMgr(Binder 对象管理中心)实现注册，后续在注册表中根据定义的 key 取出对应进程的 Binder 引用执行操作。

本文参考资料：

https://blog.csdn.net/augfun/article/details/82343249

https://baike.baidu.com/item/mmap/1322217?fr=aladdin

https://baike.baidu.com/item/ioctl/6392403?fr=aladdin

https://developer.android.google.cn/guide/components/aidl.html?hl=zh-cn

http://www.jcodecraeer.com/a/anzhuokaifa/androidkaifa/2015/0319/2619.html

https://www.zhihu.com/question/20122137/answer/14049112