理解 Android Binder 机制（三）：Java层

转载：http://www.codeceo.com/article/android-binder-part-three.html

本文是Android Binder机制解析的第三篇，也是最后一篇文章。本文会讲解Binder Framework Java部分的逻辑。

Binder机制分析的前面两篇文章，请移步这里：

理解 Android Binder 机制（一）：驱动篇

理解 Android Binder 机制（二）：C++层

下文所讲内容的相关源码，在AOSP源码树中的路径如下：

// Binder Framework 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

// Binder Framework Java接口 /frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java /frameworks/base/core/java/android/os/IBinder.java /frameworks/base/core/java/android/os/IInterface.java /frameworks/base/core/java/android/os/Parcel.java

主要结构

Android应用程序使用Java语言开发，Binder框架自然也少不了在Java层提供接口。

前文中我们看到，Binder机制在C++层已经有了完整的实现。因此Java层完全不用重复实现，而是通过JNI衔接了C++层以复用其实现。

下图描述了Binder Framework Java层到C++层的衔接关系。

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这里对图中Java层和JNI层的几个类做一下说明( 关于C++层的讲解请看这里 )：

名称	类型	说明
IInterface	interface	供Java层Binder服务接口继承的接口
IBinder	interface	Java层的IBinder类，提供了transact方法来调用远程服务
Binder	class	实现了IBinder接口，封装了JNI的实现。Java层Binder服务的基类
BinderProxy	class	实现了IBinder接口，封装了JNI的实现。提供transact方法调用远程服务
JavaBBinderHolder	class	内部存储了JavaBBinder
JavaBBinder	class	将C++端的onTransact调用传递到Java端
Parcel	class	Java层的数据包装器，见C++层的Parcel类分析

这里的IInterface，IBinder和C++层的两个类是同名的。这个同名并不是巧合：它们不仅仅同名，它们所起的作用，以及其中包含的接口都是几乎一样的，区别仅仅在于一个是C++层，一个是Java层而已。

除了IInterface，IBinder之外，这里Binder与BinderProxy类也是与C++的类对应的，下面列出了Java层和C++层类的对应关系：

C++	Java层
IInterface	IInterface
IBinder	IBinder
BBinder	Binder
BpProxy	BinderProxy
Parcel	Parcel

JNI的衔接

JNI全称是Java Native Interface，这个是由Java虚拟机提供的机制。这个机制使得native代码可以和Java代码互相通讯。简单来说就是：我们可以在C/C++端调用Java代码，也可以在Java端调用C/C++代码。

关于JNI的详细说明，可以参见Oracle的官方文档：Java Native Interface ，这里不多说明。

实际上，在Android中很多的服务或者机制都是在C/C++层实现的，想要将这些实现复用到Java层，就必须通过JNI进行衔接。AOSP源码中，/frameworks/base/core/jni/ 目录下的源码就是专门用来对接Framework层的JNI实现的。

看一下Binder.java的实现就会发现，这里面有不少的方法都是用native关键字修饰的，并且没有方法实现体，这些方法其实都是在C++中实现的：

public static final native int getCallingPid(); public static final native int getCallingUid(); public static final native long clearCallingIdentity(); public static final native void restoreCallingIdentity(long token); public static final native void setThreadStrictModePolicy(int policyMask); public static final native int getThreadStrictModePolicy(); public static final native void flushPendingCommands(); public static final native void joinThreadPool();

在android_util_Binder.cpp文件中的下面这段代码，设定了Java方法与C++方法的对应关系：

static const JNINativeMethod gBinderMethods[] = {
    { "getCallingPid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingPid },
    { "getCallingUid", "()I", (void*)android_os_Binder_getCallingUid }, { "clearCallingIdentity", "()J", (void*)android_os_Binder_clearCallingIdentity }, { "restoreCallingIdentity", "(J)V", (void*)android_os_Binder_restoreCallingIdentity }, { "setThreadStrictModePolicy", "(I)V", (void*)android_os_Binder_setThreadStrictModePolicy }, { "getThreadStrictModePolicy", "()I", (void*)android_os_Binder_getThreadStrictModePolicy }, { "flushPendingCommands", "()V", (void*)android_os_Binder_flushPendingCommands }, { "init", "()V", (void*)android_os_Binder_init }, { "destroy", "()V", (void*)android_os_Binder_destroy }, { "blockUntilThreadAvailable", "()V", (void*)android_os_Binder_blockUntilThreadAvailable } };

这种对应关系意味着：当Binder.java中的getCallingPid方法被调用的时候，真正的实现其实是android_os_Binder_getCallingPid，当getCallingUid方法被调用的时候，真正的实现其实是android_os_Binder_getCallingUid，其他类同。

然后我们再看一下android_os_Binder_getCallingPid方法的实现就会发现，这里其实就是对接到了libbinder中了：

static jint android_os_Binder_getCallingPid(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    return IPCThreadState::self()->getCallingPid();
}

这里看到了Java端的代码是如何调用的libbinder中的C++方法的。那么，相反的方向是如何调用的呢？最关键的，libbinder中的BBinder::onTransact是如何能够调用到Java中的Binder::onTransact的呢？

这段逻辑就是android_util_Binder.cpp中JavaBBinder::onTransact中处理的了。JavaBBinder是BBinder子类，其类结构如下：

JavaBBinder::onTransact关键代码如下：

virtual status_t onTransact(
   uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags = 0) { JNIEnv* env = javavm_to_jnienv(mVM); IPCThreadState* thread_state = IPCThreadState::self(); const int32_t strict_policy_before = thread_state->getStrictModePolicy(); jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact, code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags); ... }

请注意这段代码中的这一行：

jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
  code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);

这一行代码其实是在调用mObject上offset为mExecTransact的方法。这里的几个参数说明如下：

• mObject 指向了Java端的Binder对象
• gBinderOffsets.mExecTransact 指向了Binder类的execTransact方法
• data 调用execTransact方法的参数
• code, data, reply, flags都是传递给调用方法execTransact的参数

而JNIEnv.CallBooleanMethod这个方法是由虚拟机实现的。即：虚拟机会提供native方法来调用一个Java Object上的方法（关于Android上的Java虚拟机，今后我们会专门讲解）。

这样，就在C++层的JavaBBinder::onTransact中调用了Java层Binder::execTransact方法。而在Binder::execTransact方法中，又调用了自身的onTransact方法，由此保证整个过程串联了起来：

private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj, int flags) { Parcel data = Parcel.obtain(dataObj); Parcel reply = Parcel.obtain(replyObj); boolean res; try { res = onTransact(code, data, reply, flags); } catch (RemoteException|RuntimeException e) { if (LOG_RUNTIME_EXCEPTION) { Log.w(TAG, "Caught a RuntimeException from the binder stub implementation.", e); } if ((flags & FLAG_ONEWAY) != 0) { if (e instanceof RemoteException) { Log.w(TAG, "Binder call failed.", e); } else { Log.w(TAG, "Caught a RuntimeException from the binder stub implementation.", e); } } else { reply.setDataPosition(0); reply.writeException(e); } res = true; } catch (OutOfMemoryError e) { RuntimeException re = new RuntimeException("Out of memory", e); reply.setDataPosition(0); reply.writeException(re); res = true; } checkParcel(this, code, reply, "Unreasonably large binder reply buffer"); reply.recycle(); data.recycle(); StrictMode.clearGatheredViolations(); return res; }

Java Binder服务举例

和C++层一样，这里我们还是通过一个具体的实例来看一下Java层的Binder服务是如何实现的。

下图是ActivityManager实现的类图:

下面是上图中几个类的说明：

类名	说明
IActivityManager	Binder服务的公共接口
ActivityManagerProxy	供客户端调用的远程接口
ActivityManagerNative	Binder服务实现的基类
ActivityManagerService	Binder服务的真正实现

看过Binder C++层实现之后，对于这个结构应该也是很容易理解的，组织结构和C++层服务的实现是一模一样的。

对于Android应用程序的开发者来说，我们不会直接接触到上图中的几个类，而是使用android.app.ActivityManager中的接口。

这里我们就来看一下，android.app.ActivityManager中的接口与上图的实现是什么关系。我们选取其中的一个方法来看一下：

public void getMemoryInfo(MemoryInfo outInfo) {
   try { ActivityManagerNative.getDefault().getMemoryInfo(outInfo); } catch (RemoteException e) { throw e.rethrowFromSystemServer(); } }

这个方法的实现调用了ActivityManagerNative.getDefault()中的方法，因此我们在来看一下ActivityManagerNative.getDefault()返回到到底是什么。

static public IActivityManager getDefault() {
   return gDefault.get(); } private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() { protected IActivityManager create() { IBinder b = ServiceManager.getService("activity"); if (false) { Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b); } IActivityManager am = asInterface(b); if (false) { Log.v("ActivityManager", "default service = " + am); } return am; } };

这段代码中我们看到，这里其实是先通过IBinder b = ServiceManager.getService("activity"); 获取ActivityManager的Binder对象（“activity”是ActivityManagerService的Binder服务标识），接着我们再来看一下asInterface(b)的实现：

static public IActivityManager asInterface(IBinder obj) {
   if (obj == null) { return null; } IActivityManager in = (IActivityManager)obj.queryLocalInterface(descriptor); if (in != null) { return in; } return new ActivityManagerProxy(obj); }

这里应该是比较明白了：首先通过queryLocalInterface确定有没有本地Binder，如果有的话直接返回，否则创建一个ActivityManagerProxy对象。很显然，假设在ActivityManagerService所在的进程调用这个方法，那么queryLocalInterface将直接返回本地Binder，而假设在其他进程中调用，这个方法将返回空，由此导致其他调用获取到的对象其实就是ActivityManagerProxy。而在拿到ActivityManagerProxy对象之后在调用其方法所走的路线我想读者应该也能明白了：那就是通过Binder驱动跨进程调用ActivityManagerService中的方法。

这里的asInterface方法的实现会让我们觉得似曾相识。是的，因为这里的实现方式和C++层的实现是一样的模式。

Java层的ServiceManager

源码路径：

frameworks/base/core/java/android/os/IServiceManager.java
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/BinderInternal.java
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

有Java端的Binder服务，自然也少不了Java端的ServiceManager。我们先看一下Java端的ServiceManager的结构：

通过这个类图我们看到，Java层的ServiceManager和C++层的接口是一样的。

然后我们再选取addService方法看一下实现：

public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) { try { getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated); } catch (RemoteException e) { Log.e(TAG, "error in addService", e); } } private static IServiceManager getIServiceManager() { if (sServiceManager != null) { return sServiceManager; } // Find the service manager sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject()); return sServiceManager; }

很显然，这段代码中，最关键就是下面这个调用：

ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());

然后我们需要再看一下BinderInternal.getContextObject()和ServiceManagerNative.asInterface两个方法。

BinderInternal.getContextObject()是一个JNI方法，其实现代码在android_util_Binder.cpp中：

static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);
    return javaObjectForIBinder(env, b);
}

而ServiceManagerNative.asInterface的实现和其他的Binder服务是一样的套路：

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); }

先通过queryLocalInterface查看能不能获得本地Binder，如果无法获取，则创建并返回ServiceManagerProxy对象。

而ServiceManagerProxy自然也是和其他Binder Proxy一样的实现套路：

public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) throws RemoteException { Parcel data = Parcel.obtain(); Parcel reply = Parcel.obtain(); data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor); data.writeString(name); data.writeStrongBinder(service); data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0); mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0); reply.recycle(); data.recycle(); }

有了上文的讲解，这段代码应该都是比较容易理解的了。

关于AIDL

作为Binder机制的最后一个部分内容，我们来讲解一下开发者经常使用的AIDL机制是怎么回事。

AIDL全称是Android Interface Definition Language，它是Android SDK提供的一种机制。借助这个机制，应用可以提供跨进程的服务供其他应用使用。AIDL的详细说明可以参见官方开发文档：https://developer.android.com/guide/components/aidl.html 。

这里，我们就以官方文档上的例子看来一下AIDL与Binder框架的关系。

开发一个基于AIDL的Service需要三个步骤：

1. 定义一个.aidl文件
2. 实现接口
3. 暴露接口给客户端使用

aidl文件使用Java语言的语法来定义，每个.aidl文件只能包含一个interface，并且要包含interface的所有方法声明。

默认情况下，AIDL支持的数据类型包括：

• 基本数据类型（即int，long，char，boolean等）
• String
• CharSequence
• List（List的元素类型必须是AIDL支持的）
• Map（Map中的元素必须是AIDL支持的）

对于AIDL中的接口，可以包含0个或多个参数，可以返回void或一个值。所有非基本类型的参数必须包含一个描述是数据流向的标签，可能的取值是：in，out或者inout。

下面是一个aidl文件的示例：

// IRemoteService.aidl
package com.example.android;

// Declare any non-default types here with import statements

/** Example service interface */
interface IRemoteService {
    /** Request the process ID of this service, to do evil things with it. */ int getPid(); /** Demonstrates some basic types that you can use as parameters * and return values in AIDL. */ void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, String aString); }

这个文件中包含了两个接口 ：

• getPid 一个无参的接口，返回值类型为int
• basicTypes，包含了几个基本类型作为参数的接口，无返回值

对于包含.aidl文件的工程，Android IDE（以前是Eclipse，现在是Android Studio）在编译项目的时候，会为aidl文件生成对应的Java文件。

针对上面这个aidl文件生成的java文件中包含的结构如下图所示：

在这个生成的Java文件中，包括了：

• 一个名称为IRemoteService的interface，该interface继承自android.os.IInterface并且包含了我们在aidl文件中声明的接口方法
• IRemoteService中包含了一个名称为Stub的静态内部类，这个类是一个抽象类，它继承自android.os.Binder并且实现了IRemoteService接口。这个类中包含了一个onTransact方法
• Stub内部又包含了一个名称为Proxy的静态内部类，Proxy类同样实现了IRemoteService接口

仔细看一下Stub类和Proxy两个中包含的方法，是不是觉得很熟悉？是的，这里和前面介绍的服务实现是一样的模式。这里我们列一下各层类的对应关系：

C++	Java层	AIDL
BpXXX	XXXProxy	IXXX.Stub.Proxy
BnXXX	XXXNative	IXXX.Stub

为了整个结构的完整性，最后我们还是来看一下生成的Stub和Proxy类中的实现逻辑。

Stub是提供给开发者实现业务的父类，而Proxy的实现了对外提供的接口。Stub和Proxy两个类都有一个asBinder的方法。

Stub类中的asBinder实现就是返回自身对象：

@Override
public android.os.IBinder asBinder() {
	return this; }

而Proxy中asBinder的实现是返回构造函数中获取的mRemote对象，相关代码如下：

private android.os.IBinder mRemote;

Proxy(android.os.IBinder remote) {
	mRemote = remote;
}

@Override
public android.os.IBinder asBinder() { return mRemote; }

而这里的mRemote对象其实就是远程服务在当前进程的标识。

上文我们说了，Stub类是用来提供给开发者实现业务逻辑的父类，开发者者继承自Stub然后完成自己的业务逻辑实现，例如这样：

private final IRemoteService.Stub mBinder = new IRemoteService.Stub() {
   public int getPid(){ return Process.myPid(); } public void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean, float aFloat, double aDouble, String aString) { // Does something } };

而这个Proxy类，就是用来给调用者使用的对外接口。我们可以看一下Proxy中的接口到底是如何实现的：

Proxy中getPid方法实现如下所示：

@Override
public int getPid() 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); mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getPid, _data, _reply, 0); _reply.readException(); _result = _reply.readInt(); } finally { _reply.recycle(); _data.recycle(); } return _result; }

这里就是通过Parcel对象以及transact调用对应远程服务的接口。而在Stub类中，生成的onTransact方法对应的处理了这里的请求：

@Override
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_getPid: { data.enforceInterface(DESCRIPTOR); int _result = this.getPid(); reply.writeNoException(); reply.writeInt(_result); return true; } case TRANSACTION_basicTypes: { data.enforceInterface(DESCRIPTOR); int _arg0; _arg0 = data.readInt(); long _arg1; _arg1 = data.readLong(); boolean _arg2; _arg2 = (0 != data.readInt()); float _arg3; _arg3 = data.readFloat(); double _arg4; _arg4 = data.readDouble(); java.lang.String _arg5; _arg5 = data.readString(); this.basicTypes(_arg0, _arg1, _arg2, _arg3, _arg4, _arg5); reply.writeNoException(); return true; } } return super.onTransact(code, data, reply, flags); }

onTransact所要做的就是：

1. 根据code区分请求的是哪个接口
2. 通过data来获取请求的参数
3. 调用由子类实现的抽象方法

有了前文的讲解，对于这部分内容应当不难理解了。

到这里，我们终于讲解完Binder了。

恭喜你，已经掌握了Android系统最复杂的模块，的其中之一了 ：）

– 以上 –

参考资料和推荐读物

• Android Binder
• Android Interface Definition Language
• Android Bander设计与实现 – 设计篇
• Binder系列—开篇
• 彻底理解Android Binder通信架构
• binder驱动——-之内存映射篇
• Android Binder机制(一) Binder的设计和框架
• Android Binder 分析——内存管理