Android开发艺术探索笔记-2.IPC机制
cfanr Lv4
  2016-07-10 23:42:17 2016-07-10 23:42  

2.1 Android IPC简介

IPC是Inter-Process Communication的缩写，是进程间的通信或跨进程通信，指两个进程之间进行数据交换的过程。线程是CPU调度的最小单位，是一种有限的系统资源，而进程一般指一个执行单元，可以包含多个线程。任何一个系统都有IPC机制，Linux上是通过命令管道、共享内容、信号量来进行进程间通信的。

2.2 Android中的多进程模式

(1). 开启多进程模式
为四大组件在AndroidManifest中指定android:process属性：

  • 指定完整进程名，如android:process=”com.google.play.remote”。
  • 以“:”开头，比如设置为android:process=”:remote”。则系统会在实际运行的进程名前加上应用程序的包名，即变成“com.google.play:remote”

另外一种非常规的方法是通过JNI在native层去fork一个新的进程。
Android系统会为每个应用分配一个唯一的UID，具有相同UID的应用才能共享数据。两个应用通过ShareUID跑在同一个进程中是有要求的，需要这两个应用有相同的ShareUID并且签名相同才可以。

(2). 多进程模式的运行机制
Android为每个应用（或者说进程）分配一个独立的虚拟机，不同的虚拟机在内存分配上有不同的地址空间，会导致在不同的虚拟机访问同一个类的对象会产生多份副本。使用多进程一般会造成以下4个问题：

  • 静态成员和单例模式完全失效；（不是同一内存，多个副本）
  • 线程同步机制完全失效；（不是同一内存，对象不一样，锁对象或锁全局类都无法保证线程同步）
  • SharePreferences的可靠性下降（不支持并发读写）；
  • Application会多次创建；（不同进程的组件拥有独立的虚拟机、Application和内存空间）

2.3 IPC基础概念介绍

(1).Serializable接口

  • 最好指定serialVersionUID，以防止可能由于类变动而引起的反序列化失败
  • 静态成员变量属于类不属于对象，不参与序列化过程
  • 用transient关键字标记的成员变量不参与序列化过程

(2).Parcelable接口
Parcelable主要用在内存序列化上，可以直接序列化的有Intent、Bundle、Bitmap以及List和Map(前提里面元素可以序列化)等。

对比：

  • Serializable是Java中的序列化接口，使用简单但是开销很大，序列化和反序列化过程需要大量I/O操作。
  • Parcelable是Android中的序列化方式，更适合用Android平台上，使用起来稍微麻烦，但是效率高，是Android推荐的序列化方式，因此首选Parcelable。
  • Parcelable主要用在内存序列化上，但是把它用在序列化到设备 或 通过网络传输会比较麻烦，这两种场景下建议使用Serializable。

(3).Binder

什么是Binder？

  • Binder是Android中的一个类，它实现了IBinder接口。
  • 从IPC角度来说，Binder是Android中的一种跨进程通信方式。
  • Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder，该通信方式在Linux中没有
  • 从Android Framework角度说，Binder是ServiceManager连接各种Manager(ActivityManager、WindowsManager…)和相应ManagerService的桥梁
  • 从应用层角度，Binder是客户端和服务器端进行通信的媒介，当bindService的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象，客户端通过这个对象获取服务端提供服务（包括普通服务和基于AIDL的服务）或数据

Binder的工作机制

附：Binder 架构分为 Client、Server、Service Manager 和 Binder Driver。
Binder架构设计图.png

  • Client: 服务调用者，一般就是我们应用开发者，通过调用诸如List packs = getActivity().getPackageManager().getInstalledPackages(0);
     这样的代码，来向 ServerManager 请求 Package 服务。
  • Server: 服务提供者，这里面会有许多我们常用的服务，例如 ActivityService 、 WindowMananger， 这些系统服务提供的功能，是的我们能够使用 Wifi，Display等等设备，从而完成我们的需求。
  • Service Manager: 这里是类似于前文中的DNS，绝大多数的服务都是通过 Service Manager来获取，通过这个 DNS 来屏蔽掉 对其他Server的直接操作。
  • Binder Driver: 底层的支持逻辑，在这里承担路由的工作，不论风雨，使命必达，即使对面的server挂掉了，也会给你相应的死亡通知单 (Death Notification)

总结起来说，应用程序(Client) 首先向 Service Manager 发送请求 WindowManager 的服务，Service Manager 查看已经注册在里面的服务的列表，找到相应的服务后，通过 Binder kernel 将其中的 Binder 对象返回给客户端，从而完成对服务的请求。

既然Linux没有Binder，那Android为什么要设计Binder?

性能和安全。在移动设备上，广泛地使用跨进程通信肯定对通信机制本身提出了严格的要求；Binder相对出传统的Socket方式，更加高效；另外，传统的进程通信方式对于通信双方的身份并没有做出严格的验证，只有在上层协议上进行架设；比如Socket通信ip地址是客户端手动填入的，都可以进行伪造；而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检，因而大大提升了安全性。这个也是Android权限模型的基础。

第一. Binder能够很好的实现Client-Server架构;
第二. Binder的传输效率和可操作性很好;
Socket传输效率很低；消息队列和管道又采用存储-转发方式，使用它们进行IPC通信时，需要经过2次内存拷贝，效率太低！共享内存，内存拷贝次数是0，但共享内存操作复杂
第三. Binder机制的安全性很高;

2.4 Android中的IPC方式

(1).使用Bundle
四大组件中三大组件（Activity、Service、Receiver）都支持在Intent中传递Bundle数据

(2).使用文件共享
存在并发读写问题。由于系统对SharedPreferences文件的读写有一定的缓存策略，即在内存中会有一份SharedPreferences文件的缓存，因此在多进程模式下，系统对它的读写就变得不可靠，当面对高并发读写访问的时候，有很大几率会丢失数据，因此，不建议在进程间通信中使用SharedPreferences。

(3).使用Messenger
Messenger是轻量级的IPC方案，它的底层实现是AIDL。但Messenger是以串行的方式处理请求的，即服务端只能一个个处理，不能实现并发。
Messenger工作原理图

(4).使用AIDL

  • 服务端：创建Service监听客户端请求，创建AIDL文件声明需要暴露给客户端的接口，在Service中实现这个AIDL接口。
  • 客户端：绑定服务端Service，将服务端返回的Binder对象转成AIDL接口所属类型，就可以调用AIDL中的方法了。

a.AIDL支持的数据类型有限: 基本数据类型、String和CharSequence、ArrayList、HashMap、Parcelable以及AIDL
b.某些类即使和AIDL文件在同一个包中也要显式import进来；
c.AIDL中除了基本数据类，其他类型的参数都要标上方向: in, out或者inout
d.AIDL接口中支持方法，不支持声明静态变量；
e.为了方便AIDL的开发，建议把所有和AIDL相关的类和文件全部放入同一个包中，这样做的好处是，当客户端是另一个应用的时候，可以直接把整个包复制到客户端工程中。
f.RemoteCallbackList是系统专门提供的用于删除跨进程Listener的接口。RemoteCallbackList是一个泛型，支持管理任意的AIDL接口，因为所有的AIDL接口都继承自IInterface接口。

(5).使用ContentProvider
和Messenger一样，底层实现是Binder。

  • 自定义ContenProvider需要实现6个抽象方法：onCreate, 由系统回调，并运行在主线程; query、update、insert、delete、getType: 由外界回调，并运行在Binder线程池中。
  • ContentProvider还支持文件数据，比如图片、视频等，系统提供的MediaStore就是文件类型的ContentProvider；
  • ContentProvider对底层的数据存储方式没有任何要求，可以是SQLite、文件，甚至是内存中的一个对象都行；
  • 要观察ContentProvider中的数据变化情况，可以通过ContentResolver
    的registerContentObserver方法来注册观察者；

(6).使用Socket
Socket是网络通信中“套接字”的概念，分为流式套接字和用户数据包套接字两种，分别对应网络的传输控制层的TCP和UDP协议。

2.5 Binder连接池

由于一般每使用一个AIDL就需要创建一个Service，而当项目很大时，创建很多个Service的话会消耗很多资源，所以最好将所有的AIDL放在同一个Service中去管理。

整个工作机制是：每个业务模块创建自己的AIDL接口并实现此接口，这个时候不同业务模块之间是不能有耦合的，所有实现细节我们要单独开来，然后向服务端提供自己的唯一标识和其对应的Binder对象；对于服务端来说，只需要一个Service，服务端提供一个queryBinder接口，这个接口能够根据业务模块的特征来返回相应的Binder对象给它们，不同的业务模块拿到所需的Binder对象后就可以进行远程方法调用了。

Binder连接池的主要作用就是将每个业务模块的Binder请求统一转发到远程Service去执行，从而避免了重复创建Service的过程。
Binder连接池工作原理

2.6 选用合适的IPC方式

IPC方式的优缺点和适用场景

另附，另外比较全面介绍Binder的相关文章:

<完>