摘要

聚合多篇文章详述 Binder 的一些概念，以及一些扩展理解。

一、Binder 概述

Binder 是一种进程间通信机制。Binder其实也不是Android提出来的一套新的进程间通信机制，它是基于OpenBinder来实现的。OpenBinder最先是由Be Inc.开发的，接着Palm Inc.也跟着使用。现在OpenBinder的作者Dianne Hackborn就是在Google工作，负责Android平台的开发工作。

注：Binder的介绍来源于Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划

1.1 为什么要Binder？

Android 系统是基于 Linux 内核的，Linux 已经提供了管道、消息队列、共享内存和 Socket 等 IPC 机制。那为什么 Android 还要提供 Binder 来实现 IPC 呢？主要是基于性能、稳定性和安全性几方面的原因。

1.1.1 性能

Socket 作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用。Binder 只需要一次数据拷贝，性能上仅次于共享内存。

注：各种IPC方式数据拷贝次数，此表来源于Android Binder 设计与实现 - 设计篇

1.1.2 稳定性

Binder 基于 C/S 架构，客户端（Client）有什么需求就丢给服务端（Server）去完成，架构清晰、职责明确又相互独立，自然稳定性更好。共享内存虽然无需拷贝，但是控制复杂，难以使用。从稳定性的角度讲，Binder 机制是优于内存共享的。

1.1.3 安全性

Android 作为一个开放性的平台，市场上有各类海量的应用供用户选择安装，因此安全性对于 Android 平台而言极其重要。作为用户当然不希望我们下载的 APP 偷偷读取我的通信录，上传我的隐私数据，后台偷跑流量、消耗手机电量。

传统的 IPC 没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保。

首先传统的 IPC 接收方无法获得对方可靠的进程用户ID/进程ID（UID/PID），从而无法鉴别对方身份。Android 为每个安装好的 APP 分配了自己的 UID，故而进程的 UID 是鉴别进程身份的重要标志。传统的 IPC 只能由用户在数据包中填入 UID/PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标识只有由 IPC 机制在内核中添加。

其次传统的 IPC 访问接入点是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。同时 Binder 既支持实名 Binder，又支持匿名 Binder，安全性高。

二、 Linux 下传统的进程间通信原理

2.1 CPU上下文切换

Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将 CPU 轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。

延伸思考：音乐或视频播放器在 CPU 时间片切换的条件下怎么保持持续的运行?

首先，CPU 的执行速度是非常快的，因此通常 CPU 在访问内存的路上设置了很多缓存，比如高速缓存，二级三级缓存等等，这些缓存就是为了解决 CPU 的高速与 IO 设备的低速之间不匹配的问题。
当 CPU 接收到用户需要播放音乐的指示时，CPU 接下来就会把音乐load到声卡（由于时间片的原因，不会马上把整首音乐都load到声卡），那么声卡就会得一串播放音乐的指令，同时这部分播放指令也缓存在自己的硬件设备中。那么即使这时候 CPU 时间片耗尽，但声卡得到的播放序列时长仍然大于一个 CPU 时间片，就可以保持音乐的持续播放。

而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器。

2.1.1 什么是 CPU 上下文

在计算机体系结构中，CPU 内部包括程序计数器 PC、存储器数据寄存器 MDR、指令寄存器 IR 和存储器地址寄存器 MAR等。

CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文，因为它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境。

• 寄存器是 CPU 内置的 容量小、但速度极快的内存。
• 程序计数器（Program Counter）则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。

2.1.2 什么是 CPU 上下文切换

就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

2.2 CPU 上下文切换的类型

根据任务的不同，可以分为以下三种类型

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

2.2.1 进程上下文切换

Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，分别对应着下图中 CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。

• 内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；
• 用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。

进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

2.2.1.1 系统调用

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用 open() 打开文件，然后调用 read() 读取文件内容，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。

在这个过程中就发生了 CPU 上下文切换，整个过程是这样的：
1、保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位。
2、为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。
3、跳转到内核态运行内核任务。
4、当系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。

所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。（用户态-内核态-用户态）

不过，需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的：进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行；而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。系统调用属于同进程内的 CPU 上下文切换。但实际上，系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免的。

2.2.1.2 进程上下文切换与系统调用的区别

首先，进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

因此，进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存内核态资源（当前进程的内核状态和 CPU 寄存器）之前，需要先把该进程的用户态资源（虚拟内存、栈等）保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

如下图所示，保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在 CPU 上运行才能完成。

2.2.1.3 进程上下文切换存在的性能问题

根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是导致平均负载升高的一个重要因素。

另外，我们知道， Linux 通过 TLB（Translation Lookaside Buffer）来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。

2.2.1.4 发生进程上下文切换的场景

1. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
2. 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
3. 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
4. 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行
5. 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

2.2.2 线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

所以，对于线程和进程，我们可以这么理解：

• 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
• 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
• 另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

2.2.2.1 发生线程上下文切换的场景

1. 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
2. 前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据

2.2.3 中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。

另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗 CPU，切换次数过多也会耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

2.3 进程间通信的基本概念

上图展示了 Liunx 中跨进程通信涉及到的一些基本概念：

• 进程隔离
• 进程空间划分：用户空间(User Space)/内核空间(Kernel Space)
• 系统调用：用户态/内核态

2.3.1 进程隔离

简单的说就是操作系统中，进程与进程间内存是不共享的。两个进程就像两个平行的世界，A 进程没法直接访问 B 进程的数据，这就是进程隔离的通俗解释。A 进程和 B 进程之间要进行数据交互就得采用特殊的通信机制：进程间通信 ( IPC )。

2.3.2 进程空间划分：用户空间(User Space)/内核空间(Kernel Space)

见 2.2.1 关于用户空间/内核空间的解释。

2.3.3 系统调用：用户态/内核态

见 2.2.1.1 关于系统调用的解释。

2.4 Linux 下的传统 IPC 通信原理

通常的做法是消息发送方将要发送的数据存放在内存缓存区中，通过系统调用进入内核态。然后内核程序在内核空间分配内存，开辟一块内核缓存区，调用 copyfromuser() 函数将数据从用户空间的内存缓存区拷贝到内核空间的内核缓存区中。同样的，接收方进程在接收数据时在自己的用户空间开辟一块内存缓存区，然后内核程序调用 copytouser() 函数将数据从内核缓存区拷贝到接收进程的内存缓存区。这样数据发送方进程和数据接收方进程就完成了一次数据传输，我们称完成了一次进程间通信。如下图：

这种传统的 IPC 通信方式有两个问题：

1. 性能低下，一次数据传递需要经历：内存缓存区 –> 内核缓存区 –> 内存缓存区，需要 2 次数据拷贝；
2. 接收数据的缓存区由数据接收进程提供，但是接收进程并不知道需要多大的空间来存放将要传递过来的数据，因此只能开辟尽可能大的内存空间或者先调用 API 接收消息头来获取消息体的大小，这两种做法不是浪费空间就是浪费时间。

三、Binder 跨进程通信原理

3.1 动态内核可加载模块 && 内存映射

正如前面所说，跨进程通信是需要内核空间做支持的。传统的 IPC 机制如管道、Socket 都是内核的一部分，因此通过内核支持来实现进程间通信自然是没问题的。但是 Binder 并不是 Linux 系统内核的一部分，那怎么办呢？这就得益于 Linux 的动态内核可加载模块（Loadable Kernel Module，LKM）的机制；模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但是不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分运行。这样，Android 系统就可以通过动态添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间通过这个内核模块作为桥梁来实现通信。

在 Android 系统中，这个运行在内核空间，负责各个用户进程通过 Binder 实现通信的内核模块就叫 Binder 驱动（Binder Dirver）。

那么在 Android 系统中用户进程之间是如何通过这个内核模块（Binder 驱动）来实现通信的呢？难道是和前面说的传统 IPC 机制一样，先将数据从发送方进程拷贝到内核缓存区，然后再将数据从内核缓存区拷贝到接收方进程，通过两次拷贝来实现吗？显然不是，否则也不会有开篇所说的 Binder 在性能方面的优势了。

这就不得不通道 Linux 下的另一个概念：内存映射。

Binder IPC 机制中涉及到的内存映射通过 mmap() 来实现，mmap() 是操作系统中一种内存映射的方法。内存映射简单的讲就是将用户空间的一块内存区域映射到内核空间。映射关系建立后，用户对这块内存区域的修改可以直接反应到内核空间；反之内核空间对这段区域的修改也能直接反应到用户空间。

内存映射能减少数据拷贝次数，实现用户空间和内核空间的高效互动。两个空间各自的修改能直接反映在映射的内存区域，从而被对方空间及时感知。也正因为如此，内存映射能够提供对进程间通信的支持。

3.2 Binder IPC 实现原理

Binder IPC 正是基于内存映射（mmap）来实现的，但是 mmap() 通常是用在有物理介质的文件系统上的。

比如进程中的用户区域是不能直接和物理设备打交道的，如果想要把磁盘上的数据读取到进程的用户区域，需要两次拷贝（磁盘–>内核空间–>用户空间）；通常在这种场景下 mmap() 就能发挥作用，通过在物理介质和用户空间之间建立映射，减少数据的拷贝次数，用内存读写取代I/O读写，提高文件读取效率。

而 Binder 并不存在物理介质，因此 Binder 驱动使用 mmap() 并不是为了在物理介质和用户空间之间建立映射，而是用来在内核空间创建数据接收的缓存空间。

一次完整的 Binder IPC 通信过程通常是这样：

1. 首先 Binder 驱动在内核空间创建一个数据接收缓存区；
2. 接着在内核空间开辟一块内核缓存区，建立内核缓存区和内核中数据接收缓存区之间的映射关系，以及内核中数据接收缓存区和接收进程用户空间地址的映射关系；
3. 发送方进程通过系统调用 copyfromuser() 将数据 copy 到内核中的内核缓存区，由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射，因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间，这样便完成了一次进程间的通信。

如下图：

四、Binder 通信模型

介绍完 Binder IPC 的底层通信原理，接下来我们看看实现层面是如何设计的。

一次完整的进程间通信必然至少包含两个进程，通常我们称通信的双方分别为客户端进程（Client）和服务端进程（Server），由于进程隔离机制的存在，通信双方必然需要借助 Binder 来实现。

4.1 Client/Server/ServiceManager/驱动

前面我们介绍过，Binder 是基于 C/S 架构的。由一系列的组件组成，包括 Client、Server、ServiceManager、Binder 驱动。其中 Client、Server、Service Manager 运行在用户空间，Binder 驱动运行在内核空间。其中 Service Manager 和 Binder 驱动由系统提供，而 Client、Server 由应用程序来实现。Client、Server 和 ServiceManager 均是通过系统调用 open、mmap 和 ioctl 来访问设备文件 /dev/binder，从而实现与 Binder 驱动的交互来间接的实现跨进程通信。

Android Binder 设计与实现一文中对 Client、Server、ServiceManager、Binder 驱动有很详细的描述，以下是部分摘录：

Binder 驱动
Binder 驱动就如同路由器一样，是整个通信的核心；驱动负责进程之间 Binder 通信的建立，Binder 在进程之间的传递，Binder 引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。

ServiceManager 与实名 Binder
ServiceManager 和 DNS 类似，作用是将字符形式的 Binder 名字转化成 Client 中对该 Binder 的引用，使得 Client 能够通过 Binder 的名字获得对 Binder 实体的引用。注册了名字的 Binder 叫实名 Binder，就像网站一样除了除了有 IP 地址意外还有自己的网址。Server 创建了 Binder，并为它起一个字符形式，可读易记得名字，将这个 Binder 实体连同名字一起以数据包的形式通过 Binder 驱动发送给 ServiceManager ，通知 ServiceManager 注册一个名为“张三”的 Binder，它位于某个 Server 中。驱动为这个穿越进程边界的 Binder 创建位于内核中的实体节点以及 ServiceManager 对实体的引用，将名字以及新建的引用打包传给 ServiceManager。ServiceManger 收到数据后从中取出名字和引用填入查找表。

细心的读者可能会发现，ServierManager 是一个进程，Server 是另一个进程，Server 向 ServiceManager 中注册 Binder 必然涉及到进程间通信。当前实现进程间通信又要用到进程间通信，这就好像蛋可以孵出鸡的前提却是要先找只鸡下蛋！Binder 的实现比较巧妙，就是预先创造一只鸡来下蛋。ServiceManager 和其他进程同样采用 Bidner 通信，ServiceManager 是 Server 端，有自己的 Binder 实体，其他进程都是 Client，需要通过这个 Binder 的引用来实现 Binder 的注册，查询和获取。ServiceManager 提供的 Binder 比较特殊，它没有名字也不需要注册。当一个进程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令将自己注册成 ServiceManager 时 Binder 驱动会自动为它创建 Binder 实体（这就是那只预先造好的那只鸡）。其次这个 Binder 实体的引用在所有 Client 中都固定为 0 而无需通过其它手段获得。也就是说，一个 Server 想要向 ServiceManager 注册自己的 Binder 就必须通过这个 0 号引用和 ServiceManager 的 Binder 通信。类比互联网，0 号引用就好比是域名服务器的地址，你必须预先动态或者手工配置好。要注意的是，这里说的 Client 是相对于 ServiceManager 而言的，一个进程或者应用程序可能是提供服务的 Server，但对于 ServiceManager 来说它仍然是个 Client。

Client 获得实名 Binder 的引用
Server 向 ServiceManager 中注册了 Binder 以后， Client 就能通过名字获得 Binder 的引用了。Client 也利用保留的 0 号引用向 ServiceManager 请求访问某个 Binder: 我申请访问名字叫张三的 Binder 引用。ServiceManager 收到这个请求后从请求数据包中取出 Binder 名称，在查找表里找到对应的条目，取出对应的 Binder 引用作为回复发送给发起请求的 Client。从面向对象的角度看，Server 中的 Binder 实体现在有两个引用：一个位于 ServiceManager 中，一个位于发起请求的 Client 中。如果接下来有更多的 Client 请求该 Binder，系统中就会有更多的引用指向该 Binder ，就像 Java 中一个对象有多个引用一样。

4.2 Binder 通信过程

至此，我们大致能总结出 Binder 通信过程：

1. 首先，一个进程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令通过 Binder 驱动将自己注册成为 ServiceManager；
2. Server 通过驱动向 ServiceManager 中注册 Binder（Server 中的 Binder 实体），表明可以对外提供服务。驱动为这个 Binder 创建位于内核中的实体节点以及 ServiceManager 对实体的引用，将名字以及新建的引用打包传给 ServiceManager，ServiceManger 将其填入查找表。
3. Client 通过名字，在 Binder 驱动的帮助下从 ServiceManager 中获取到对 Binder 实体的引用，通过这个引用就能实现和 Server 进程的通信。

我们看到整个通信过程都需要 Binder 驱动的接入。下图能更加直观的展现整个通信过程(为了进一步抽象通信过程以及呈现上的方便，下图我们忽略了 Binder 实体及其引用的概念)：

4.3 Binder 通信中的代理模式

我们已经解释清楚 Client、Server 借助 Binder 驱动完成跨进程通信的实现机制了，但是还有个问题会让我们困惑。A 进程想要 B 进程中某个对象（object）是如何实现的呢？毕竟它们分属不同的进程，A 进程 没法直接使用 B 进程中的 object。

前面我们介绍过跨进程通信的过程都有 Binder 驱动的参与，因此在数据流经 Binder 驱动的时候驱动会对数据做一层转换。当 A 进程想要获取 B 进程中的 object 时，驱动并不会真的把 object 返回给 A，而是返回了一个跟 object 看起来一模一样的代理对象 objectProxy，这个 objectProxy 具有和 object 一摸一样的方法，但是这些方法并没有 B 进程中 object 对象那些方法的能力，这些方法只需要把把请求参数交给驱动即可。对于 A 进程来说和直接调用 object 中的方法是一样的。

当 Binder 驱动接收到 A 进程的消息后，发现这是个 objectProxy 就去查询自己维护的表单，一查发现这是 B 进程 object 的代理对象。于是就会去通知 B 进程调用 object 的方法，并要求 B 进程把返回结果发给自己。当驱动拿到 B 进程的返回结果后就会转发给 A 进程，一次通信就完成了。

4.4 Binder 的完整定义

现在我们可以对 Binder 做个更加全面的定义了：

• 从进程间通信的角度看，Binder 是一种进程间通信的机制；
• 从 Server 进程的角度看，Binder 指的是 Server 中的 Binder 实体对象；
• 从 Client 进程的角度看，Binder 指的是对 Binder 代理对象，是 Binder 实体对象的一个远程代理；
• 从传输过程的角度看，Binder 是一个可以跨进程传输的对象；Binder 驱动会对这个跨越进程边界的对象一点点特殊处理，自动完成代理对象和本地对象之间的转换。

参考

1. 极客时间：《Linux性能优化实战》
2. 一文让你明白CPU上下文切换
3. 写给 Android 应用工程师的 Binder 原理剖析
4. Android Binder设计与实现 - 设计篇