Android10 Android Binder 进程间通信

Android10 Binder机制7-线程池管理

Binder线程创建与其所在进程的创建中产生，Java层进程的创建都是通过Process.start()方法

发布日期 2021-03-22

一. 概述

Android系统启动完成后，ActivityManager, PackageManager等各大服务都运行在system_server进程，app应用需要使用系统服务都是通过binder来完成进程之间的通信，那么对于binder线程是如何管理的呢，又是如何创建的呢？其实无论是system_server进程，还是app进程，都是在进程fork完成后，便会在新进程中执行onZygoteInit()的过程中，启动binder线程池。接下来，就以此为起点展开从线程的视角来看看binder的世界。

二. Binder线程创建

Binder线程创建与其所在进程的创建中产生，Java层进程的创建都是通过Process.start()方法，向Zygote进程发出创建进程的socket消息，Zygote收到消息后会调用Zygote.forkAndSpecialize()来fork出新进程，在新进程中会调用到RuntimeInit.nativeZygoteInit方法，该方法经过jni映射，最终会调用到app_main.cpp中的onZygoteInit，那么接下来从这个方法说起。

2.1 onZygoteInit

[-> app_main.cpp]

virtual void onZygoteInit()
{
    //获取ProcessState对象
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    //启动新binder线程 【见小节2.2】
    proc->startThreadPool();
}

ProcessState::self()是单例模式，主要工作是调用open()打开/dev/binder驱动设备，再利用mmap()映射内核的地址空间，将Binder驱动的fd赋值ProcessState对象中的变量mDriverFD，用于交互操作。startThreadPool()是创建一个新的binder线程，不断进行talkWithDriver()。

2.2 PS.startThreadPool

[-> ProcessState.cpp]

void ProcessState::startThreadPool()
{
    AutoMutex _l(mLock);    //多线程同步
    if (!mThreadPoolStarted) {
        mThreadPoolStarted = true;
        spawnPooledThread(true);  【见小节2.3】
    }
}

启动Binder线程池后, 则设置mThreadPoolStarted=true. 通过变量mThreadPoolStarted来保证每个应用进程只允许启动一个binder线程池, 且本次创建的是binder主线程(isMain=true). 其余binder线程池中的线程都是由Binder驱动来控制创建的。

2.3 PS.spawnPooledThread

[-> ProcessState.cpp]

void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
    if (mThreadPoolStarted) {
        //获取Binder线程名【见小节2.3.1】
        String8 name = makeBinderThreadName();
        //此处isMain=true【见小节2.3.2】
        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
        t->run(name.string());
    }
}

2.3.1 makeBinderThreadName

[-> ProcessState.cpp]

String8 ProcessState::makeBinderThreadName() {
    int32_t s = android_atomic_add(1, &mThreadPoolSeq);
    String8 name;
    name.appendFormat("Binder_%X", s);
    return name;
}

获取Binder线程名，格式为Binder_x, 其中x为整数。每个进程中的binder编码是从1开始，依次递增; 只有通过spawnPooledThread方法来创建的线程才符合这个格式，对于直接将当前线程通过joinThreadPool加入线程池的线程名则不符合这个命名规则。 另外,目前Android N中Binder命令已改为Binder:<pid>_x格式, 则对于分析问题很有帮忙,通过binder名称的pid字段可以快速定位该binder线程所属的进程p.

2.3.2 PoolThread.run

[-> ProcessState.cpp]

class PoolThread : public Thread
{
public:
    PoolThread(bool isMain)
        : mIsMain(isMain)
    {
    }

protected:
    virtual bool threadLoop()
    {
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain); //【见小节2.4】
        return false;
    }
    const bool mIsMain;
};

从函数名看起来是创建线程池，其实就只是创建一个线程，该PoolThread继承Thread类。t->run()方法最终调用 PoolThread的threadLoop()方法。

2.4 IPC.joinThreadPool

[-> IPCThreadState.cpp]

void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
    //创建Binder线程
    mOut.writeInt32(isMain ? BC_ENTER_LOOPER : BC_REGISTER_LOOPER);
    set_sched_policy(mMyThreadId, SP_FOREGROUND); //设置前台调度策略

    status_t result;
    do {
        processPendingDerefs(); //清除队列的引用[见小节2.5]
        result = getAndExecuteCommand(); //处理下一条指令[见小节2.6]

        if (result < NO_ERROR && result != TIMED_OUT
                && result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF) {
            abort();
        }

        if(result == TIMED_OUT && !isMain) {
            break; ////非主线程出现timeout则线程退出
        }
    } while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);

    mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);  // 线程退出循环
    talkWithDriver(false); //false代表bwr数据的read_buffer为空
}
  • 对于isMain=true的情况下， command为BC_ENTER_LOOPER，代表的是Binder主线程，不会退出的线程；
  • 对于isMain=false的情况下，command为BC_REGISTER_LOOPER，表示是由binder驱动创建的线程。

2.5 processPendingDerefs

[-> IPCThreadState.cpp]

void IPCThreadState::processPendingDerefs()
{
    if (mIn.dataPosition() >= mIn.dataSize()) {
        size_t numPending = mPendingWeakDerefs.size();
        if (numPending > 0) {
            for (size_t i = 0; i < numPending; i++) {
                RefBase::weakref_type* refs = mPendingWeakDerefs[i];
                refs->decWeak(mProcess.get()); //弱引用减一
            }
            mPendingWeakDerefs.clear();
        }

        numPending = mPendingStrongDerefs.size();
        if (numPending > 0) {
            for (size_t i = 0; i < numPending; i++) {
                BBinder* obj = mPendingStrongDerefs[i];
                obj->decStrong(mProcess.get()); //强引用减一
            }
            mPendingStrongDerefs.clear();
        }
    }
}

2.6 getAndExecuteCommand

[-> IPCThreadState.cpp]

status_t IPCThreadState::getAndExecuteCommand()
{
    status_t result;
    int32_t cmd;

    result = talkWithDriver(); //与binder进行交互[见小节2.7]
    if (result >= NO_ERROR) {
        size_t IN = mIn.dataAvail();
        if (IN < sizeof(int32_t)) return result;
        cmd = mIn.readInt32();

        pthread_mutex_lock(&mProcess->mThreadCountLock);
        mProcess->mExecutingThreadsCount++;
        pthread_mutex_unlock(&mProcess->mThreadCountLock);

        result = executeCommand(cmd); //执行Binder响应码 [见小节2.8]

        pthread_mutex_lock(&mProcess->mThreadCountLock);
        mProcess->mExecutingThreadsCount--;
        pthread_cond_broadcast(&mProcess->mThreadCountDecrement);
        pthread_mutex_unlock(&mProcess->mThreadCountLock);

        set_sched_policy(mMyThreadId, SP_FOREGROUND);
    }
    return result;
}

2.7 talkWithDriver

//mOut有数据，mIn还没有数据。doReceive默认值为true
status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive)
{
    binder_write_read bwr;
    ...
    // 当同时没有输入和输出数据则直接返回
    if ((bwr.write_size == 0) && (bwr.read_size == 0)) return NO_ERROR;
    ...

    do {
        //ioctl执行binder读写操作，经过syscall，进入Binder驱动。调用Binder_ioctl
        if (ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr) >= 0)
            err = NO_ERROR;
        ...
    } while (err == -EINTR);
    ...
    return err;
}

在这里调用的isMain=true，也就是向mOut例如写入的便是BC_ENTER_LOOPER. 经过talkWithDriver(), 接下来从binder_thread_write()往下说BC_ENTER_LOOPER的处理过程。

2.7.1 binder_thread_write

[-> binder.c]

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;
    void __user *ptr = buffer + *consumed;
    void __user *end = buffer + size;
    while (ptr < end && thread->return_error == BR_OK) {
        //拷贝用户空间的cmd命令，此时为BC_ENTER_LOOPER
        if (get_user(cmd, (uint32_t __user *)ptr)) -EFAULT;
        ptr += sizeof(uint32_t);
        switch (cmd) {
          case BC_REGISTER_LOOPER:
              if (thread->looper & BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED) {
                //出错原因：线程调用完BC_ENTER_LOOPER，不能执行该分支
                thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_INVALID;

              } else if (proc->requested_threads == 0) {
                //出错原因：没有请求就创建线程
                thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_INVALID;

              } else {
                proc->requested_threads--;
                proc->requested_threads_started++;
              }
              thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED;
              break;

          case BC_ENTER_LOOPER:
              if (thread->looper & BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED) {
                //出错原因：线程调用完BC_REGISTER_LOOPER，不能立刻执行该分支
                thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_INVALID;
              }
              //创建Binder主线程
              thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED;
              break;

          case BC_EXIT_LOOPER:
              thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_EXITED;
              break;
        }
        ...
    }
    *consumed = ptr - buffer;
  }
  return 0;
}

处理完BC_ENTER_LOOPER命令后，一般情况下成功设置thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED。那么binder线程的创建是在什么时候呢？ 那就当该线程有事务需要处理的时候，进入binder_thread_read()过程。

2.7.2 binder_thread_read

binder_thread_read（）{
  ...
retry:
    //当前线程todo队列为空且transaction栈为空，则代表该线程是空闲的
    wait_for_proc_work = thread->transaction_stack == NULL &&
        list_empty(&thread->todo);

    if (thread->return_error != BR_OK && ptr < end) {
        ...
        put_user(thread->return_error, (uint32_t __user *)ptr);
        ptr += sizeof(uint32_t);
        goto done; //发生error，则直接进入done
    }

    thread->looper |= BINDER_LOOPER_STATE_WAITING;
    if (wait_for_proc_work)
        proc->ready_threads++; //可用线程个数+1
    binder_unlock(__func__);

    if (wait_for_proc_work) {
        if (non_block) {
            ...
        } else
            //当进程todo队列没有数据,则进入休眠等待状态
            ret = wait_event_freezable_exclusive(proc->wait, binder_has_proc_work(proc, thread));
    } else {
        if (non_block) {
            ...
        } else
            //当线程todo队列没有数据，则进入休眠等待状态
            ret = wait_event_freezable(thread->wait, binder_has_thread_work(thread));
    }

    binder_lock(__func__);
    if (wait_for_proc_work)
        proc->ready_threads--; //可用线程个数-1
    thread->looper &= ~BINDER_LOOPER_STATE_WAITING;

    if (ret)
        return ret; //对于非阻塞的调用，直接返回

    while (1) {
        uint32_t cmd;
        struct binder_transaction_data tr;
        struct binder_work *w;
        struct binder_transaction *t = NULL;

        //先考虑从线程todo队列获取事务数据
        if (!list_empty(&thread->todo)) {
            w = list_first_entry(&thread->todo, struct binder_work, entry);
        //线程todo队列没有数据, 则从进程todo对获取事务数据
        } else if (!list_empty(&proc->todo) && wait_for_proc_work) {
            w = list_first_entry(&proc->todo, struct binder_work, entry);
        } else {
            ... //没有数据,则返回retry
        }

        switch (w->type) {
            case BINDER_WORK_TRANSACTION: ...  break;
            case BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE:...  break;
            case BINDER_WORK_NODE: ...    break;
            case BINDER_WORK_DEAD_BINDER:
            case BINDER_WORK_DEAD_BINDER_AND_CLEAR:
            case BINDER_WORK_CLEAR_DEATH_NOTIFICATION:
                struct binder_ref_death *death;
                uint32_t cmd;

                death = container_of(w, struct binder_ref_death, work);
                if (w->type == BINDER_WORK_CLEAR_DEATH_NOTIFICATION)
                  cmd = BR_CLEAR_DEATH_NOTIFICATION_DONE;
                else
                  cmd = BR_DEAD_BINDER;
                put_user(cmd, (uint32_t __user *)ptr;
                ptr += sizeof(uint32_t);
                put_user(death->cookie, (void * __user *)ptr);
                ptr += sizeof(void *);
                ...
                if (cmd == BR_DEAD_BINDER)
                  goto done; //Binder驱动向client端发送死亡通知，则进入done
                break;
        }

        if (!t)
            continue; //只有BINDER_WORK_TRANSACTION命令才能继续往下执行
        ...
        break;
    }

done:
    *consumed = ptr - buffer;
    //创建线程的条件
    if (proc->requested_threads + proc->ready_threads == 0 &&
        proc->requested_threads_started < proc->max_threads &&
        (thread->looper & (BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED |
         BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED))) {
        proc->requested_threads++;
        // 生成BR_SPAWN_LOOPER命令，用于创建新的线程
        put_user(BR_SPAWN_LOOPER, (uint32_t __user *)buffer)；
    }
    return 0;
}

当发生以下3种情况之一，便会进入done：

  • 当前线程的return_error发生error的情况；
  • 当Binder驱动向client端发送死亡通知的情况；
  • 当类型为BINDER_WORK_TRANSACTION(即收到命令是BC_TRANSACTION或BC_REPLY)的情况；

任何一个Binder线程当同时满足以下条件，则会生成用于创建新线程的BR_SPAWN_LOOPER命令：

  1. 当前进程中没有请求创建binder线程，即requested_threads = 0；
  2. 当前进程没有空闲可用的binder线程，即ready_threads = 0；（线程进入休眠状态的个数就是空闲线程数）
  3. 当前进程已启动线程个数小于最大上限(默认15)；
  4. 当前线程已接收到BC_ENTER_LOOPER或者BC_REGISTER_LOOPER命令，即当前处于BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED或者BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED状态。【小节2.6】已设置状态为BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED，显然这条件是满足的。

从system_server的binder线程一直的执行流: IPC.joinThreadPool –> IPC.getAndExecuteCommand() -> IPC.talkWithDriver() ,但talkWithDriver收到事务之后, 便进入IPC.executeCommand(), 接下来,从executeCommand说起.

2.8 IPC.executeCommand

status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
    status_t result = NO_ERROR;
    switch ((uint32_t)cmd) {
      ...
      case BR_SPAWN_LOOPER:
          //创建新的binder线程 【见小节2.3】
          mProcess->spawnPooledThread(false);
          break;
      ...
    }
    return result;
}

Binder主线程的创建是在其所在进程创建的过程一起创建的，后面再创建的普通binder线程是由spawnPooledThread(false)方法所创建的。

2.9 思考

默认地，每个进程的binder线程池的线程个数上限为15，该上限不统计通过BC_ENTER_LOOPER命令创建的binder主线程， 只计算BC_REGISTER_LOOPER命令创建的线程。 对此，或者很多人不理解，例个栗子：某个进程的主线程执行如下方法，那么该进程可创建的binder线程个数上限是多少呢？

ProcessState::self()->setThreadPoolMaxThreadCount(6);  // 6个线程
ProcessState::self()->startThreadPool();   // 1个线程
IPCThread::self()->joinThreadPool();   // 1个线程

首先线程池的binder线程个数上限为6个，通过startThreadPool()创建的主线程不算在最大线程上限，最后一句是将当前线程成为binder线程，所以说可创建的binder线程个数上限为8，如果还不理解，建议再多看看这几个方案的源码，多思考整个binder架构。

三. 总结

Binder设计架构中，只有第一个Binder主线程(也就是Binder_1线程)是由应用程序主动创建，Binder线程池的普通线程都是由Binder驱动根据IPC通信需求创建，Binder线程的创建流程图：

binder_thread_create

每次由Zygote fork出新进程的过程中，伴随着创建binder线程池，调用spawnPooledThread来创建binder主线程。当线程执行binder_thread_read的过程中，发现当前没有空闲线程，没有请求创建线程，且没有达到上限，则创建新的binder线程。

Binder的transaction有3种类型：

  1. call: 发起进程的线程不一定是在Binder线程， 大多數情況下，接收者只指向进程，并不确定会有哪个线程来处理，所以不指定线程；
  2. reply: 发起者一定是binder线程，并且接收者线程便是上次call时的发起线程(该线程不一定是binder线程，可以是任意线程)。
  3. async: 与call类型差不多，唯一不同的是async是oneway方式不需要回复，发起进程的线程不一定是在Binder线程， 接收者只指向进程，并不确定会有哪个线程来处理，所以不指定线程。

Binder系统中可分为3类binder线程：

  • Binder主线程：进程创建过程会调用startThreadPool()过程中再进入spawnPooledThread(true)，来创建Binder主线程。编号从1开始，也就是意味着binder主线程名为binder_1，并且主线程是不会退出的。
  • Binder普通线程：是由Binder Driver来根据是否有空闲的binder线程来决定是否创建binder线程，回调spawnPooledThread(false) ，isMain=false，该线程名格式为binder_x。
  • Binder其他线程：其他线程是指并没有调用spawnPooledThread方法，而是直接调用IPC.joinThreadPool()，将当前线程直接加入binder线程队列。例如： mediaserver和servicemanager的主线程都是binder线程，但system_server的主线程并非binder线程。
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