Binder从入门到放弃(上)

作者:OPPO内核团队 发布于:2020-2-18 21:13 分类:Linux内核分析

 

1分pk10一、什么是Binder?

    Binder是安卓平台上的一种IPC framework,其整体的架构如下:

wps8FD6.tmp

1分pk10Binder渗透到了安卓系统的各个软件层次:在应用层,利用Framework中的binder Java接口,开发者可以方便的申请系统服务提供的服务、实现自定义Service组件并开放给其他模块等。由于Native层的binder库使用的是C++,因此安卓框架中的Binder模块会通过JNI接口进入C/C++世界。在最底层,Linux内核提供了binder驱动,完成进程间通信的功能。

Binder对安卓非常重要,绝大多数的进程通信都是通过Binder完成。Binder采用了C/S的通信形式:

wps8FE6.tmp

从进程角度看,参与Binder通信的实体有三个:binder client、binder server和service manager。Binder server中的service组件对外提供了服务,但是需要对外公布,因此它会向service manager注册自己的服务。Binder client想要请求服务的时候统一到service manager去查询,获取了对应的描述符后即可以通过该描述符和service组件进行通信。当然,这些IPC通信并不是直接在client、server和service manager之间进行的,而都是需要通过binder driver间接完成。

1分pk10安卓应用程序开发是基于组件的,也就是说通过四大组件(Activity、Service、Broadcast Receiver和Content Provider),开发者可以象搭积木一样的轻松开发应用程序,而无需关心底层实现。然而安卓这种面向对象的应用框架环境却是基于传统的Linux内核构建的,这使得安卓在进程间通信方面遇到了新的挑战,这也就是为何谷歌摒弃了传统的内核IPC机制(管道、命名管道、domain socket、UDP/TCP socket、system V IPC,share memory等),建立了全新的binder通信形式,具体细节我们下一章分解。

1分pk10二、为什么是Binder?

1分pk10在上一节中,我们简单的描述了binder的C/S通信模型,在内核已经提供了socket形态的C/S通信机制的情况下,在安卓系统上直接使用socket这种IPC机制似乎是顺理成章的,为何还要重新制作一个新的轮子呢?是否需要新建轮子其实是和需求相关的,下面我们会仔细分析安卓系统上,组件之间IPC机制的需求规格,从而窥视谷歌创建全新binder通信机制背后的原因。

1、安卓系统需要的是一个IPC框架

为了提高软件生产效率,安卓的应用框架希望能够模糊进程边界,即在A组件调用B组件的方法的时候,程序员不需要考虑是否跨进程。即便是在不同的进程中,对B组件的服务调用仍然象本地函数调用一样简单。传统Linux内核的IPC机制是无法满足这个需求的,安卓需要一个复杂的IPC framework能够支持线程池管理、自动跟踪引用计数等有挑战性的任务。

wps8FE7.tmp

当然,基于目前Linux内核的IPC机制,也可以构建复杂的IPC framework,不过传统的内核IPC机制并没有考虑面向对象的应用框架,因此很多地方实现起来有些水土不服。上图给了一个简单的例子:在一个地址空间中跟踪对象的引用计数非常简单,可以在该对象内部构建一个引用计数,每当有本进程对象引用service组件对象的时候,引用计数加一,不再引用的时候减一,没有任何对象引用service组件对象的时候,该对象可以被销毁。不过,当引用该service组件的代理对象来自其他进程空间(例如binder client的组件代理对象)的时候,事情就不那么简单了,这需要一个复杂的IPC framework来小心的维护组件对象的引用计数,否则在server端销毁了一个组件对象,而实际上有可能在client端还在远程调度该service组件提供的服务。

wps8FF8.tmp

为了解决这个问题,binder驱动构建了binder ref和binder node数据对象,分别对应到上层软件中的service组件代理和service组件对象,同时也设计了相应的binder通信协议来维护引用计数,解决了传统的IPC机制很难解决的跨进程对象生命周期问题。

2、安卓系统需要的是高效IPC机制

我们再看一下性能方面的需求:由于整个安卓系统的进程间通信量比较大,我们希望能有一个性能卓越的IPC机制。大部分传统IPC机制都需要两次拷贝容易产生性能问题。而binder只进行了一次拷贝,性能优于大部分的传统IPC机制,除了share memory。当然,从内存拷贝的角度看,share memory优于binder,但实际上如果基于share memory设计安卓的IPC framework,那么还是需要构建复杂的同步机制,这也会抵消share memory部分零拷贝带来性能优势,因此Binder并没有选择共享内存方案,而是在简单和性能之间进行了平衡。在binder机制下,具体的内存拷贝如下图所示:

wps9008.tmp

binder server会有专门二段用于binder通信的虚拟内存区间,一段在内核态,一段在用户空间。这两段虚拟地址空间映射到同样的物理地址上,当拷贝数据到binder server的内核态地址空间,实际上用户态也就可以直接访问了。当Binder client要把一个数据块传递到binder server(通过binder transaction)的时候,实际上会在binder server的内核虚拟地址空间中分配一块内存,并把binder client的用户地址空间的数据拷贝到binder server的内核空间。因为binder server的binder内存区域被同时映射到用户空间和内核空间,因此就可以省略一次数据考虑,提高了性能。

并不是说安卓不使用共享内存机制,实际上当进程之间要传递大量的数据的时候(例如APP的图形数据要传递到surfaceflinger进行实际的显示)还是使用了share memory机制(Ashmem)。安卓使用文件描述符来标示一块匿名共享内存,binder机制可以把文件描述符从一个进程传递到另外的进程,完成文件的共享。一个简单的示意图如下:

wps9009.tmp

1分pk10在上图中,binder client传递了fdx(binder client有效的描述符)到binder server,实际上binder驱动会通过既有的内核找到对应的file object对象,然后在binder server端找到一个空闲的fd y(binder server进程有效),让其和binder client指向同一个对象。这个binder client传递了fd x到binder server,在server端变成fd y并实现了和client进程中fd x指向同一个文件的目标。而传统的IPC机制(除了socket)没有这种机制。

1分pk103、安卓系统需要的是稳定的IPC机制

1分pk10数据传输形态(非共享内存)的IPC机制有两种形态:byte stream和message-based。如果使用字节流形态的方式(例如PIPE或者socket),那么对于reader一侧,我们需要在内核构建一个ring buffer,把writer写入的数据拷贝到reader的这个环形缓冲区。而在reader一侧的,如何管理这个ring buffer是一个头疼的事情。因此binder采用了message-based的形态,并形成了如下的缓冲区管理方式:

wps901A.tmp

1分pk10需要进行Binder通信的两个进程传递结构化的message数据,根据message的大小在内核分配同样大小的binder缓冲区(从binder内存区中分配,内核用binder alloc对象来抽象),并完成用户空间到内核空间的拷贝。Binder server在用户态的程序直接可以访问到binder buffer中的message数据。

从内存管理的角度来看,这样的方案是一个稳定性比较高的方案。每个进程可以使用的binder内存是有限制的,一个进程不能使用超过1M的内存,杜绝了恶意APP无限制的通过IPC使用内存资源。此外,如果撰写APP的工程师不那么谨慎,有些传统的Linux IPC机制容易导致内存泄露,从而导致系统稳定性问题。同样的,如果对通信中的异常(例如server进程被杀掉)没有有良好的处理机制,也会造成稳定性问题。Binder通信机制提供了death-notification机制,优雅的处理了通信两端异常退出的异常,增强了系统的稳定性。

1分pk104、安卓系统需要的是安全的IPC机制

从安全性(以及稳定性)的角度,各个安卓应用在自己的sandbox中运行并用一个系统唯一的id来标示该应用(uid)。由于APP和系统服务进程是完全隔离的,安卓设计了transaction-based的进程间通信机制:binder,APP通过binder请求系统服务。由于binder driver隔离了通信的两段进程。因此实际上在binder driver中是最好的一个嵌入安全检查的地方,具体可以参考下面的安全检查机制示意图:

wps901B.tmp

安卓是一个开放的系统,因此安全性显得尤为重要。在安卓世界,uid用来标示一个应用,在内核(而非用户空间)中附加UID/PID标识并在具体提供服务的进程端进行安全检查,主要体现在下面两个方面:

1分pk10(1)系统提供了唯一的上下文管理者:service manager并且只有信任的uid才能注册service组件。

1分pk10(2)系统把特定的资源权限赋权给Binder server(service组件绑定的进程),当binder client请求服务的时候对uid进行安全检查。

1分pk10传统的IPC机制在内核态并不支持uid/pid的识别,通过上层的通信协议增加发起端的id并不安全,而且传统的IPC机制没有安全检查机制,这种情况下任何人都可以撰写恶意APP并通过IPC访问系统服务,获取用户隐私数据。

解决了what和why之后,我们后续的章节将主要讲述binder的软件框架和通信框架,在了解了蓝图之后,我们再深入到binder是如何在各种场景下工作的。随着binder场景解析,我们也顺便描述了binder驱动中的主要数据结构。

三、Binder软件框架和通信框架

1、软件框架

一个大概的软件结构如下:

wps902C.tmp

1分pk10所有的通信协议都是分层的,binder也不例外,只不过简单一些。Binder通信主要有三层:应用层,IPC层,内核层。如果使用Java写应用,那么IPC层次要更丰富一些,需要通过Java layer、jni和Native IPC layer完成所有的IPC通信过程。如果使用C++在Native层写应用,那么基本上BpBinder和BBinder这样的Native IPC机制就足够了,这时候,软件结构退化成(后续我们基本上是基于这个软件结构描述):

wps902D.tmp

对于应用层而言,互相通信的实体交互的是类似start activity、add service这样的应用相关的协议数据,通信双方并不知道底层实现,感觉它们之间是直接通信似得。而实际上,应用层数据是通过Native IPC层、kerenl层的封装,解析,映射完成了最后的通信过程。在Native IPC层,BpBinder和BBinder之间通信之间的封包有自己的格式,IPC header会标记通信的起点和终点(binder ref或者binder node)、通信类型等信息,而应用层数据只是IPC层的payload。同样的,表面上是BpBinder和BBinder两个实体在交互IPC数据,实际上需要底层binder driver提供通信支持。

2、通信框架

分别位于binder client和server中的应用层实体进行数据交互的过程交过transaction,当然,为了保证binder transaction能够正确、稳定的完成,binder代理实体、binder实体以及binder driver之间需要进行非常复杂的操作,因此,binder通信定义了若干的通信协议码,下面表格列出了几个常用的binder实体或者binder代理实体发向binder driver的通信协议码:

1分pk10Binder command code

描述

BC_TRANSACTION

Binder代理实体请求数据通信服务

BC_REPLY

1分pk10Binder实体完成了服务请求的回应

1分pk10BC_INCREFS

BC_DECREFS

1分pk10管理binder ref的引用计数

......

......

1分pk10下面的表格列出了几个常用的binder driver发向binder实体或者binder代理实体的通信协议码:

1分pk10Binder response code

描述

BR_TRANSACTION

Binder driver收到transaction请求,将其转发给binder实体对象

BR_REPLY

1分pk10Binder driver通知binder代理实体,server端已经完成服务请求,返回结果。

BR_TRANSACTION_COMPLETE

1分pk10Binder driver通知binder代理实体,它发出的transaction请求已经收到。或者,Binder driver通知binder实体,它发出的transaction reply已经收到。

......

......

    Binder通信的形态很多种,有些只涉及binder server中的实体对象和binder driver的交互。例如:BC_REGISTER_LOOPER。不过使用最多、过程最复杂的还是传递应用数据的binder transaction过程,具体如下:

wps904D.tmp

1分pk10Binder client和server之间的进程间通信实际上是通过binder driver中转的。在这样的通信框架中,client/server向binder driver发送transaction/reply是直接通过ioctl完成的,而相反的方向,binder driver向client/server发送的transaction/reply则有些复杂,毕竟在用户空间的client/server不可能不断的轮询接收数据。正因为如此,在binder通信中有了binder work的概念,具体的方式如下:

wps904E.tmp

对于binder transaction这个场景,Binder work对象是嵌入在transaction对象内的,binder driver在把transaction(服务请求)送达到target的时候需要做两个动作:

1分pk10(1)选择一个合适的binder work链表把本transaction相关的work挂入链表。

1分pk10(2)唤醒target process或者target thread

1分pk10对于异步binder通信,work是挂入binder node对应的work链表。如果是同步binder通信,那么要看是否能够找到空闲的binder thread,如果找到那么挂入线程的 work todo list,否者挂入binder process的链表。

3、应用层通信数据格式

1分pk10本身应用层的数据应该是通信两端的实体自己的事情,不过由于需要交互binder实体对象信息,因此这里也简单描述其数据格式,如下:

wps904F.tmp

1分pk10Binder Client和server之间通信的基本单元是应用层的数据+相关的binder实体对象数据,这个基本的单元可以是1个或者多个。为了区分开各个基本的单元,在应用层数据缓冲区的尾部有一个数组保存了各个binder实体对象的位置。每一个binder实体用flat_binder_object来抽象,主要的成员包括:

成员

描述

header

说明该binder实体的类型,可能的类型包括:

(1)本地binder实体对象

(2)远端binder实体对象(handle)

(3)文件描述符

1分pk10binder_uintptr_t binder

描述本地binder实体对象

__u32 handle

1分pk10描述远端binder实体对象

1分pk10binder_uintptr_t cookie

描述本地binder实体对象

1分pk10我们这里可以举一个简单的例子:假设我们写了一个APP,实现了一个xxx服务组件,在向service manager注册的时候就需要发起一次transaction,这时候缓冲区的数据就包括了上面图片中的应用层数据和一个xxx服务组件对应的binder实体对象。这时候应用层数据中会包括“xxx service”这样的字符串信息,这是方便其他client可以通过这个字符串来寻址到本service组件必须要的信息。除了应用层数据之外,还需要传递xxx service组件对应的binder实体。上面的例子说的是注册service组件的场景,因此传递的是本地binder实体对象。如果场景切换成client端申请服务的场景,这时候没有本地对象,因此需要传递的是远端的binder实体对象,即handle。因此flat_binder_object描述的是transaction相关的binder实体对象,可能是本地的,也可能是远端的。

1分pk104、Binder帧数据格式

    Binder IPC层的数据格式如下:

wps905F.tmp

1分pk10Binder IPC层看到的帧数据单元是协议码+协议码数据,一个完整的帧数据是由一个或者多个帧数据单元组成。协议码区域就是上文中描述的BC_XXX和BR_XXX,不同的协议码有不同的协议码数据,同样的我们采用binder transaction为例说明协议码数据区域。BR_TRANSACTION、BR_REPLY、BC_TRANSACTION和BC_REPLY这四个协议码的数据都是binder_transaction_data,和应用层的数据关系如下:

wps9070.tmp

1分pk10Binder transaction信息包括:本次通信的目的地、sender pid和uid等通用信息,此外还有一些成员描述应用层的数据buffer信息,具体大家可以参考源代码。顺便提一句的是这里的sender pid和uid都是内核态的binder driver附加的,用户态的程序无法自己标记,从而保证了通信的安全性。

了解了整体框架之后,我们后面的章节将进入细节,通过几个典型binder通信场景的分析来加强对binder通信的理解,这些将在下篇文档中呈现,敬请期待!

参考文献:

1、Android系统源代码情景分析,罗升阳著

2、http://gityuan.com/tags/#binder,袁辉辉的博客

标签: binder

评论:

floater
2020-04-08 16:53
文章里的图片太不清晰了,能更新下吗
hymmx
2020-02-21 20:48
拜读完了以后感觉真的是从入门到放弃

2020-02-19 10:10
写得真好,what-why-how层次分明。就是图片好不清晰啊,字都看不清。
linuxer
2020-02-19 21:06
@路人甲:可以关注“内核工匠”这个公众号,上面有清晰版本的图片,我实在是懒得搞了。
顺便推销一下:“内核工匠”是OPPO内核团队维护的一个公众号,希望能以工匠精神来研究内核,优化内核,有兴趣的可以加盟,哈哈~~~~~

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