细读《深入理解 Android 内核设计思想》（五）Binder 机制 [下] - Go语言中文社区

细读《深入理解 Android 内核设计思想》（五）Binder 机制 [下]

对冗余挑拣重点，对重点深入补充，输出结构清晰的精简版

  1. 深入 binder 驱动内部
    binder_ioctl
    binder_get_thread
    binder_ioctl_write_read
    binder_thread_write
    binder_transaction
    binder_thread_read
    小结
  2. binder Q&A
    如何找到目标进程 Binder 实体
    如何实现 Binder 线程的睡眠与唤醒
  3. 最后

深入 binder 驱动内部

前两篇文章都有提到 binder_ioctl 方法，在 Binder 机制 [上] 中介绍了 binder_ioctl 支持的命令；Binder 机制 [中] 中提到 IPCThreadState 会调用到 binder_ioctl 方法。

书中对 binder 驱动内部调用的讲解没有分为较清晰的步骤，一口气就是 20 页篇幅的源码详解，理解起来有些难度，容易迷失。在细读了三四遍后，终于感觉对整体有些掌握了，结合前面的学习与自己的理解，将一次 IPC 调用中 binder 驱动的工作分为以下 5 步：

1.准备数据，根据命令分发给具体的方法去处理
2.找到目标进程的相关信息
3.将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块
4.记录待处理的任务，唤醒目标线程
5.调用线程进入休眠
6.目标进程直接拿到数据进行处理，处理完后唤醒调用线程
7.调用线程返回处理结果

与上篇文章一样仍以 getService() 为例，按照上面的工作步骤为脉络，深入分析驱动层中的执行逻辑，彻底搞定 binder 驱动！

binder_ioctl

在 IPCThreadState 中这样调用了 binder_ioctl() 方法：

    ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr)

binder_ioctl() 方法中会根据 BINDER_WRITE_READ、BINDER_SET_MAX_THREADS 等不同 cmd 转调到不同的方法去执行，这里我们只关注 BINDER_WRITE_READ，简化后代码如下：

static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg){
    int ret;
    //拿到调用进程在 binder_open() 中记录的 binder_proc
    struct binder_proc *proc = filp->private_data;
    struct binder_thread *thread;
    binder_lock(__func__);
    //获取调用线程 binder_thread
    thread = binder_get_thread(proc);
    switch (cmd) {
    case BINDER_WRITE_READ:
        //处理 binder 数据读写,binder IPC 通信的核心逻辑
    	ret = binder_ioctl_write_read(filp, cmd, arg, thread);
    	if (ret)
    		goto err;
    	break;
    case BINDER_SET_MAX_THREADS:{...} //设置 binder 最大线程数
    case BINDER_SET_CONTEXT_MGR:{...} //设置 service 大管家，即 ServiceManager
    case BINDER_THREAD_EXIT:{...} //binder 线程退出命令，释放相关资源
    case BINDER_VERSION: {...} //获取 binder 驱动版本号
    ...
}

在 Binder 机制 [上] 中详细介绍过 binder_open() 方法，它主要做了两个工作：1.创建及初始化每个进程独有一份的、用来存放 binder 相关数据的 binder_proc 结构体，2.将 binder_proc 记录起来，方便后续使用。正是通过 file 来记录的：

static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp){
    ...
    filp->private_data = proc;
    ...
}

拿到调用进程后，进一步通过 binder_get_thread() 方法拿到调用线程，然后就交给 binder_ioctl_write_read() 方法去执行具体的 binder 数据读写了，可见 binder_ioctl() 方法本身的逻辑非常简单，将数据 arg 透传了出去。下面分别来看 binder_get_thread()、binder_ioctl_write_read() 这两个方法。

binder_get_thread

static struct binder_thread *binder_get_thread(struct binder_proc *proc){
    struct binder_thread *thread = NULL;
    struct rb_node *parent = NULL;
    struct rb_node **p = &proc->threads.rb_node; //从 proc 中获取红黑树根节点
    //查找 pid 等于当前线程 id 的thread，该红黑树以 pid 大小为序存放
    while (*p) {
        parent = *p;
        thread = rb_entry(parent, struct binder_thread, rb_node);
        if (current->pid < thread->pid) //current->pid 是当前调用线程的 id
            p = &(*p)->rb_left;
        else if (current->pid > thread->pid)
            p = &(*p)->rb_right;
        else
            break;
    }
    if (*p == NULL) {//如果没有找到，则新创建一个
        thread = kzalloc(sizeof(*thread), GFP_KERNEL);
        if (thread == NULL)
            return NULL;
        binder_stats_created(BINDER_STAT_THREAD);
        thread->proc = proc;
        thread->pid = current->pid;
        init_waitqueue_head(&thread->wait);    //初始化等待队列
        INIT_LIST_HEAD(&thread->todo);       //初始化待处理队列
        rb_link_node(&thread->rb_node, parent, p);  //加入到 proc 的 threads 红黑树中
        rb_insert_color(&thread->rb_node, &proc->threads);
        thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_NEED_RETURN;
        thread->return_error = BR_OK;
        thread->return_error2 = BR_OK;
    }
    return thread;
}

binder_thread 是用来描述线程的结构体，binder_get_thread() 方法中逻辑也很简单，首先从调用进程 proc 中查找当前线程是否已被记录，如果找到就直接返回，否则新建一个返回，并记录到 proc 中。也就是说所有调用 binder_ioctl() 的线程，都会被记录起来。

binder_ioctl_write_read

此方法分为两部分来看，首先是整体：

static int binder_ioctl_write_read(struct file *filp,
				unsigned int cmd, unsigned long arg,
				struct binder_thread *thread){
    int ret = 0;
    struct binder_proc *proc = filp->private_data;
    unsigned int size = _IOC_SIZE(cmd);
    void __user *ubuf = (void __user *)arg; //用户传下来的数据赋值给 ubuf
    struct binder_write_read bwr;
    //把用户空间数据 ubuf 拷贝到 bwr
    if (copy_from_user(&bwr, ubuf, sizeof(bwr))) {
    	ret = -EFAULT;
    	goto out;
    }
    处理数据...
    //将读写后的数据写回给用户空间
    if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr))) {
    	ret = -EFAULT;
    	goto out;
    }
out:
	return ret;
}

起初看到 copy_from_user() 方法时难以理解，因为它看起来是将我们要传输的数据拷贝到内核空间了，但目前还没有看到 server 端的任何线索，bwr 跟 server 端没有映射关系，那后续再将 bwr 传输给 server 端的时候又要拷贝，这样岂不是多次拷贝了？

其实这里的 copy_from_user() 方法并没有拷贝要传输的数据，而仅是拷贝了持有传输数据内存地址的 bwr。后续处理数据时会根据 bwr 信息真正的去拷贝要传输的数据。

处理完数据后，会将处理结果体现在 bwr 中，然后返回给用户空间处理。那是如何处理数据的呢？所谓的处理数据，就是对数据的读写而已：

    if (bwr.write_size > 0) {//写数据
    	ret = binder_thread_write(proc, 
             thread,
             bwr.write_buffer, bwr.write_size,
             &bwr.write_consumed);
        trace_binder_write_done(ret);
        if (ret < 0) { //写失败
            bwr.read_consumed = 0;
            if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
                ret = -EFAULT;
            goto out;
        }
    }
    if (bwr.read_size > 0) {//读数据
    	ret = binder_thread_read(proc, thread, bwr.read_buffer,
            bwr.read_size,
            &bwr.read_consumed,
            filp->f_flags & O_NONBLOCK);
        trace_binder_read_done(ret);
        if (!list_empty(&proc->todo))
            wake_up_interruptible(&proc->wait);//唤醒等待状态的线程
        if (ret < 0) { //读失败
            if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
                ret = -EFAULT;
            goto out;
        }
    }

可见 binder 驱动内部依赖用户空间的 binder_write_read 决定是要读取还是写入数据：其内部变量 read_size>0 则代表要读取数据，write_size>0 代表要写入数据，若都大于 0 则先写入，后读取。

至此焦点应该集中在 binder_thread_write() 和 binder_thread_read()，下面分析这两个方法。

binder_thread_write

在上面的 binder_ioctl_write_read() 方法中调用 binder_thread_write() 时传入了 bwr.write_buffer、bwr.write_size 等，先搞清楚这些参数是什么。

最开始是在用户空间 IPCThreadState 的 transact() 中通过 writeTransactionData() 方法创建数据并写入 mOut 的，writeTransactionData 方法代码如下：

status_t IPCThreadState::writeTransactionData(int32_t cmd, uint32_t binderFlags,
    int32_t handle, uint32_t code, const Parcel& data, status_t* statusBuffer){
    binder_transaction_data tr; //到驱动内部后会取出此结构体进行处理
    tr.target.ptr = 0;
    tr.target.handle = handle; //目标 server 的 binder 的句柄
    tr.code = code; //请求码，getService() 服务对应的是 GET_SERVICE_TRANSACTION
    tr.flags = binderFlags;
    tr.cookie = 0;
    tr.sender_pid = 0;
    tr.sender_euid = 0;
    const status_t err = data.errorCheck(); //验证数据合理性
    if (err == NO_ERROR) {
        tr.data_size = data.ipcDataSize(); //传输数据大小
        tr.data.ptr.buffer = data.ipcData(); //传输数据
        tr.offsets_size = data.ipcObjectsCount()*sizeof(binder_size_t);
        tr.data.ptr.offsets = data.ipcObjects();
    } else {...}
    mOut.writeInt32(cmd); // transact 传入的 cmd 是 BC_TRANSACTION
    mOut.write(&tr, sizeof(tr)); //打包成 binder_transaction_data
    return NO_ERROR;
}

然后在 IPCThreadState 的 talkWithDriver() 方法中对 write_buffer 赋值：

    bwr.write_buffer = (uintptr_t)mOut.data();

搞清楚了数据的来源，再来看 binder_thread_write() 方法，binder_thread_write() 方法中处理了大量的 BC_XXX 命令，代码很长，这里我们只关注当前正在处理的 BC_TRANSACTION 命令，简化后代码如下：

static int binder_thread_write(struct binder_proc *proc,
        struct binder_thread *thread,
        binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
        binder_size_t *consumed){
    uint32_t cmd;
    void __user *buffer = (void __user *)(uintptr_t)binder_buffer; //就是 bwr.write_buffer
    void __user *ptr = buffer + *consumed; //数据起始地址
    void __user *end = buffer + size; //数据结束地址
    while (ptr < end && thread->return_error == BR_OK) { //可能有多个命令及对应数据要处理，所以要循环
        if (get_user(cmd, (uint32_t __user *)ptr)) // 读取一个 cmd
            return -EFAULT;
        ptr += sizeof(uint32_t); //跳过 cmd 所占的空间，指向要处理的数据
        switch (cmd) {
            case BC_TRANSACTION:
            case BC_REPLY: {
                 struct binder_transaction_data tr; //与 writeTransactionData 中准备的数据结构体对应
                 if (copy_from_user(&tr, ptr, sizeof(tr))) //拷贝到内核空间 tr 中
                    return -EFAULT;
                 ptr += sizeof(tr); //跳过数据所占空间，指向下一个 cmd
                 binder_transaction(proc, thread, &tr, cmd == BC_REPLY); //处理数据
                 break;
            }
            处理其他 BC_XX 命令...
        }
    *consumed = ptr - buffer; //被写入处理消耗的数据量，对应于用户空间的 bwr.write_consumed

binder_thread_write() 中从 bwr.write_buffer 中取出了 cmd 和 cmd 对应的数据，进一步交给 binder_transaction() 处理，需要注意的是，BC_TRANSACTION、BC_REPLY 这两个命令都是由 binder_transaction() 处理的。

简单梳理一下，由 binder_ioctl -> binder_ioctl_write_read -> binder_thread_write ，到目前为止还只是在准备数据，没有看到跟目标进程相关的任何处理，都属于 “准备数据，根据命令分发给具体的方法去处理” 第 1 个工作。而到此为止，第 1 个工作便结束，下一步的 binder_transaction() 方法终于要开始后面的工作了。

binder_transaction

binder_transaction() 方法中代码较长，先总结它干了哪些事：对应开头列出的工作，此方法中做了非常关键的 2-4 步：

  • 找到目标进程的相关信息
  • 将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块
  • 记录待处理的任务，唤醒目标线程

以这些工作为线索，将代码分为对应的部分来看，首先是找到目标进程的相关信息，简化后代码如下：

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
			       struct binder_thread *thread,
			       struct binder_transaction_data *tr, int reply){
    struct binder_transaction *t; //用于描述本次 server 端要进行的 transaction
    struct binder_work *tcomplete; //用于描述当前调用线程未完成的 transaction
    binder_size_t *offp, *off_end;
    struct binder_proc *target_proc; //目标进程
    struct binder_thread *target_thread = NULL; //目标线程
    struct binder_node *target_node = NULL; //目标 binder 节点
    struct list_head *target_list; //目标 TODO 队列
    wait_queue_head_t *target_wait; //目标等待队列
    if(reply){ 
        in_reply_to = thread->transaction_stack;
        ...处理 BC_REPLY，暂不关注
    }else{ 
        //处理 BC_TRANSACTION
        if (tr->target.handle) { //handle 不为 0
            struct binder_ref *ref;
            //根据 handle 找到目标 binder 实体节点的引用
            ref = binder_get_ref(proc, tr->target.handle);
            target_node = ref->node; //拿到目标 binder 节点
        } else { 
            // handle 为 0 则代表目标 binder 是 service manager
            // 对于本次调用来说目标就是 service manager
            target_node = binder_context_mgr_node;
        }
    }
    target_proc = target_node->proc; //拿到目标进程
    if (!(tr->flags & TF_ONE_WAY) && thread->transaction_stack) {
    	struct binder_transaction *tmp;
    	tmp = thread->transaction_stack;
    	while (tmp) {
            if (tmp->from && tmp->from->proc == target_proc)
                target_thread = tmp->from; //拿到目标线程
            tmp = tmp->from_parent;
    	}
    }
    target_list = &target_thread->todo; //拿到目标 TODO 队列
    target_wait = &target_thread->wait; //拿到目标等待队列

binder_transaction、binder_work 等结构体在上一篇中有介绍，上面代码中也详细注释了它们的含义。比较关键的是 binder_get_ref() 方法，它是如何找到目标 binder 的呢？这里暂不延伸，下文再做分析。

继续看 binder_transaction() 方法的第 2 个工作，将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块：

    t = kzalloc(sizeof(*t), GFP_KERNEL); //创建用于描述本次 server 端要进行的 transaction
    tcomplete = kzalloc(sizeof(*tcomplete), GFP_KERNEL); //创建用于描述当前调用线程未完成的 transaction
    if (!reply && !(tr->flags & TF_ONE_WAY)) //将信息记录到 t 中：
        t->from = thread; //记录调用线程
    else
        t->from = NULL;
    t->sender_euid = task_euid(proc->tsk);
    t->to_proc = target_proc; //记录目标进程
    t->to_thread = target_thread; //记录目标线程
    t->code = tr->code; //记录请求码，getService() 对应的是 GET_SERVICE_TRANSACTION
    t->flags = tr->flags;
    //实际申请目标进程所映射的物理内存，准备接收要传输的数据
    t->buffer = binder_alloc_buf(target_proc, tr->data_size,
        tr->offsets_size, !reply && (t->flags & TF_ONE_WAY));
    //申请到 t->buffer 后，从用户空间将数据拷贝进来，这里就是一次拷贝数据的地方！！
    if (copy_from_user(t->buffer->data, (const void __user *)(uintptr_t)
        tr->data.ptr.buffer, tr->data_size)) {
        return_error = BR_FAILED_REPLY;
        goto err_copy_data_failed;
    }

为什么在拷贝之前要先申请物理内存呢？在 Binder 机制 [上] 中介绍 binder_mmap() 时详细分析过，虽然 binder_mmap() 直接映射了 (1M-8K) 的虚拟内存，但却只申请了 1 页的物理页面，等到实际使用时再动态申请。也就是说，在 binder_ioctl() 实际传输数据的时候，再通过 binder_alloc_buf() 方法去申请物理内存。

至此已经将要传输的数据拷贝到目标进程，目标进程可以直接读取到了，接下来要做的就是将目标进程要处理的任务记录起来，然后唤醒目标进程，这样在目标进程被唤醒后，才能知道要处理什么任务。

最后来看 binder_transaction() 方法的第 3 个工作，记录待处理的任务，唤醒目标线程：

	if (reply) { //如果是处理 BC_REPLY，pop 出来栈顶记录的 transaction(实际上是删除链表头元素)
		binder_pop_transaction(target_thread, in_reply_to);
	} else if (!(t->flags & TF_ONE_WAY)) {
        //如果不是 oneway，将 server 端要处理的 transaction 记录到当前调用线程
		t->need_reply = 1;
		t->from_parent = thread->transaction_stack;
		thread->transaction_stack = t;
	} else {
		...暂不关注 oneway 的情况
	}
	t->work.type = BINDER_WORK_TRANSACTION;
    list_add_tail(&t->work.entry, target_list); //加入目标的处理队列中
    tcomplete->type = BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE; //设置调用线程待处理的任务类型
    list_add_tail(&tcomplete->entry, &thread->todo); //记录调用线程待处理的任务
    if (target_wait)
        wake_up_interruptible(target_wait); //唤醒目标线程

再次梳理一下，至此已经完成了前四个工作：

1.准备数据，根据命令分发给具体的方法去处理
2.找到目标进程的相关信息
3.将数据一次拷贝到目标进程所映射的物理内存块
4.记录待处理的任务，唤醒目标线程

其中第 1 个工作涉及到的方法为 binder_ioctl() -> binder_get_thread() -> binder_ioctl_write_read() -> binder_thread_write() ，主要是一些数据的准备和方法转跳，没做什么实质的事情。而 binder_transaction() 方法中做了非常重要的 2-4 工作。

剩下的工作还有：

5.调用线程进入休眠
6.目标进程直接拿到数据进行处理，处理完后唤醒调用线程
7.调用线程返回处理结果

可以想到，5 和 6 其实没有时序上的限制，而是并行处理的。下面先来看第 5 个工作：调用线程是如何进入休眠等待服务端执行结果的。

binder_thread_read

在唤醒目标线程后，调用线程就执行完 binder_thread_write() 写完了数据，返回到 binder_ioctl_write_read() 方法中，接着执行 binder_thread_read() 方法。

而调用线程的休眠就是在此方法中触发的，下面将 binder_thread_read() 分为两部分来看，首先是是否阻塞当前线程的判断逻辑：

static int binder_thread_read(struct binder_proc *proc,
            struct binder_thread *thread,
            binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
            binder_size_t *consumed, int non_block){
    void __user *buffer = (void __user *)(uintptr_t)binder_buffer; //bwr.read_buffer
    void __user *ptr = buffer + *consumed; //数据起始地址
    void __user *end = buffer + size; //数据结束地址
    if (*consumed == 0) {
        if (put_user(BR_NOOP, (uint32_t __user *)ptr))
            return -EFAULT;
        ptr += sizeof(uint32_t);
    }
    //是否要准备睡眠当前线程
    wait_for_proc_work = thread->transaction_stack == NULL &&
            list_empty
                            
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