Android FrameWork - Binder 启动ServiceManager

概述

ServiceManager是Binder IPC通信过程中的守护进程，本身也是一个Binder服务，但并没有采用libbinder中的多线程模型来与Binder驱动通信，而是自行编写了binder.c直接和Binder驱动来通信，并且只有一个循环binder_loop来进行读取和处理事务，这样的好处是简单而高效。

ServiceManager本身工作相对简单，其功能：查询和注册服务。对于Binder IPC通信过程中，其实更多的情形是BpBinder和BBinder之间的通信，比如ActivityManagerProxy和ActivityManagerService之间的通信等。

流程图

详细UML解析

ServiceManager启动过程主要以下几个阶段：

打开binder驱动：binder_open；

注册成为binder服务的大管家：binder_become_context_manager；

进入无限循环，处理client端发来的请求：binder_loop；

启动过程

ServiceManager是由init进程通过解析init.rc文件而创建的，其所对应的可执行程序/system/bin/servicemanager，所对应的源文件是service_manager.c，进程名为/system/bin/servicemanager。ServiceManager是由init进程通过解析init.rc文件而创建的，其所对应的可执行程序/system/bin/servicemanager，所对应的源文件是service_manager.c，进程名为/system/bin/servicemanager。

启动Service Manager的入口函数是service_manager.c中的main()方法，代码如下:

int main(int argc, char **argv) {
    struct binder_state *bs;
    //打开binder驱动，申请128k字节大小的内存空间 
    bs = binder_open(128*1024);
    ...

    //成为上下文管理者 
    if (binder_become_context_manager(bs)) {
        return -1;
    }

    selinux_enabled = is_selinux_enabled(); //selinux权限是否使能
    sehandle = selinux_android_service_context_handle();
    selinux_status_open(true);

    if (selinux_enabled > 0) {
        if (sehandle == NULL) {  
            abort(); //无法获取sehandle
        }
        if (getcon(&service_manager_context) != 0) {
            abort(); //无法获取service_manager上下文
        }
    }
    ...

    //进入无限循环，处理client端发来的请求 
    binder_loop(bs, svcmgr_handler);
    return 0;
}

binder_open

struct binder_state *binder_open(size_t mapsize)
{
    struct binder_state *bs;【见小节2.2.1】
    struct binder_version vers;

    bs = malloc(sizeof(*bs));
    if (!bs) {
        errno = ENOMEM;
        return NULL;
    }

    //通过系统调用陷入内核，打开Binder设备驱动
    bs->fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
    if (bs->fd < 0) {
        goto fail_open; // 无法打开binder设备
    }

     //通过系统调用，ioctl获取binder版本信息
    if ((ioctl(bs->fd, BINDER_VERSION, &vers) == -1) ||
        (vers.protocol_version != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION)) {
        goto fail_open; //内核空间与用户空间的binder不是同一版本
    }

    bs->mapsize = mapsize;
    //通过系统调用，mmap内存映射，mmap必须是page的整数倍
    bs->mapped = mmap(NULL, mapsize, PROT_READ, MAP_PRIVATE, bs->fd, 0);
    if (bs->mapped == MAP_FAILED) {
        goto fail_map; // binder设备内存无法映射
    }

    return bs;

fail_map:
    close(bs->fd);
fail_open:
    free(bs);
    return NULL;
}

先调用open()打开binder设备，open()方法经过系统调用，进入Binder驱动，然后调用方法binder_open()，该方法会在Binder驱动层创建一个binder_proc对象，再将binder_proc对象赋值给fd->private_data，同时放入全局链表binder_procs。再通过ioctl()检验当前binder版本与Binder驱动层的版本是否一致。

调用mmap()进行内存映射，同理mmap()方法经过系统调用，对应于Binder驱动层的binder_mmap()方法，该方法会在Binder驱动层创建Binder_buffer对象，并放入当前binder_proc的proc->buffers链表。

binder_become_context_manager

int binder_become_context_manager(struct binder_state *bs)
{
    //通过ioctl，传递BINDER_SET_CONTEXT_MGR指令
    return ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);
}

static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    binder_lock(__func__);
    switch (cmd) {
      case BINDER_SET_CONTEXT_MGR:
          ret = binder_ioctl_set_ctx_mgr(filp);//【见小节2.3.2】
          break;
      }
      case :...
    }
    binder_unlock(__func__);
}

根据参数BINDER_SET_CONTEXT_MGR，最终调用binder_ioctl_set_ctx_mgr()方法，这个过程会持有binder_main_lock。

static int binder_ioctl_set_ctx_mgr(struct file *filp)
{
    int ret = 0;
    struct binder_proc *proc = filp->private_data;
    kuid_t curr_euid = current_euid();

    //保证只创建一次mgr_node对象
    if (binder_context_mgr_node != NULL) {
        ret = -EBUSY; 
        goto out;
    }

    if (uid_valid(binder_context_mgr_uid)) {
        ...
    } else {
        //设置当前线程euid作为Service Manager的uid
        binder_context_mgr_uid = curr_euid;
    }

    //创建ServiceManager实体【见小节2.3.3】
    binder_context_mgr_node = binder_new_node(proc, 0, 0);
    ...
    binder_context_mgr_node->local_weak_refs++;
    binder_context_mgr_node->local_strong_refs++;
    binder_context_mgr_node->has_strong_ref = 1;
    binder_context_mgr_node->has_weak_ref = 1;
out:
    return ret;
}

创建了全局的binder_node对象binder_context_mgr_node，并将binder_context_mgr_node的强弱引用各加1.

binder_loop

void binder_loop(struct binder_state *bs, binder_handler func) {
    int res;
    struct binder_write_read bwr;
    uint32_t readbuf[32];

    bwr.write_size = 0;
    bwr.write_consumed = 0;
    bwr.write_buffer = 0;

    readbuf[0] = BC_ENTER_LOOPER;
    //将BC_ENTER_LOOPER命令发送给binder驱动，让Service Manager进入循环 
    binder_write(bs, readbuf, sizeof(uint32_t));

    for (;;) {
        bwr.read_size = sizeof(readbuf);
        bwr.read_consumed = 0;
        bwr.read_buffer = (uintptr_t) readbuf;

        res = ioctl(bs->fd, BINDER_WRITE_READ, &bwr); //进入循环，不断地binder读写过程
        if (res < 0) {
            break;
        }

        // 解析binder信息 
        res = binder_parse(bs, 0, (uintptr_t) readbuf, bwr.read_consumed, func);
        if (res == 0) {
            break;
        }
        if (res < 0) {
            break;
        }
    }
}

binder_parse

int binder_parse(struct binder_state *bs, struct binder_io *bio,
                 uintptr_t ptr, size_t size, binder_handler func)
{
    int r = 1;
    uintptr_t end = ptr + (uintptr_t) size;

    while (ptr < end) {
        uint32_t cmd = *(uint32_t *) ptr;
        ptr += sizeof(uint32_t);
        switch(cmd) {
        case BR_NOOP:  //无操作，退出循环
            break;
        case BR_TRANSACTION_COMPLETE:
            break;
        case BR_INCREFS:
        case BR_ACQUIRE:
        case BR_RELEASE:
        case BR_DECREFS:
            ptr += sizeof(struct binder_ptr_cookie);
            break;
        case BR_TRANSACTION: {
            struct binder_transaction_data *txn = (struct binder_transaction_data *) ptr;
            ...
            binder_dump_txn(txn);
            if (func) {
                unsigned rdata[256/4];
                struct binder_io msg; 
                struct binder_io reply;
                int res;
                
                bio_init(&reply, rdata, sizeof(rdata), 4);
                bio_init_from_txn(&msg, txn); //从txn解析出binder_io信息
                
                res = func(bs, txn, &msg, &reply);
                
                binder_send_reply(bs, &reply, txn->data.ptr.buffer, res);
            }
            ptr += sizeof(*txn);
            break;
        }
        case BR_REPLY: {
            struct binder_transaction_data *txn = (struct binder_transaction_data *) ptr;
            ...
            binder_dump_txn(txn);
            if (bio) {
                bio_init_from_txn(bio, txn);
                bio = 0;
            }
            ptr += sizeof(*txn);
            r = 0;
            break;
        }
        case BR_DEAD_BINDER: {
            struct binder_death *death = (struct binder_death *)(uintptr_t) *(binder_uintptr_t *)ptr;
            ptr += sizeof(binder_uintptr_t);
            // binder死亡消息
            death->func(bs, death->ptr);
            break;
        }
        case BR_FAILED_REPLY:
            r = -1;
            break;
        case BR_DEAD_REPLY:
            r = -1;
            break;
        default:
            return -1;
        }
    }
    return r;
}

解析binder信息，此处参数ptr指向BC_ENTER_LOOPER，func指向svcmgr_handler。故有请求到来，则调用svcmgr_handler。

int svcmgr_handler(struct binder_state *bs,
                   struct binder_transaction_data *txn,
                   struct binder_io *msg,
                   struct binder_io *reply)
{
    struct svcinfo *si; 
    uint16_t *s;
    size_t len;
    uint32_t handle;
    uint32_t strict_policy;
    int allow_isolated;
    ...
    
    strict_policy = bio_get_uint32(msg);
    s = bio_get_string16(msg, &len);
    ...

    switch(txn->code) {
    case SVC_MGR_GET_SERVICE:
    case SVC_MGR_CHECK_SERVICE: 
        s = bio_get_string16(msg, &len); //服务名
        //根据名称查找相应服务 
        handle = do_find_service(bs, s, len, txn->sender_euid, txn->sender_pid);
       
        bio_put_ref(reply, handle);
        return 0;

    case SVC_MGR_ADD_SERVICE: 
        s = bio_get_string16(msg, &len); //服务名
        handle = bio_get_ref(msg); //handle
        allow_isolated = bio_get_uint32(msg) ? 1 : 0;
         //注册指定服务 
        if (do_add_service(bs, s, len, handle, txn->sender_euid,
            allow_isolated, txn->sender_pid))
            return -1;
        break;

    case SVC_MGR_LIST_SERVICES: {  
        uint32_t n = bio_get_uint32(msg);

        if (!svc_can_list(txn->sender_pid)) {
            return -1;
        }
        si = svclist;
        while ((n-- > 0) && si)
            si = si->next;
        if (si) {
            bio_put_string16(reply, si->name);
            return 0;
        }
        return -1;
    }
    default:
        return -1;
    }

    bio_put_uint32(reply, 0);
    return 0;
}

该方法的功能：查询服务，注册服务，以及列举所有服务

核心工作

servicemanager的核心工作就是注册服务和查询服务。

do_find_service

uint32_t do_find_service(struct binder_state *bs, const uint16_t *s, size_t len, uid_t uid, pid_t spid)
{
    //查询相应的服务 
    struct svcinfo *si = find_svc(s, len);

    if (!si || !si->handle) {
        return 0;
    }

    if (!si->allow_isolated) {
        uid_t appid = uid % AID_USER;
        //检查该服务是否允许孤立于进程而单独存在
        if (appid >= AID_ISOLATED_START && appid <= AID_ISOLATED_END) {
            return 0;
        }
    }

    //服务是否满足查询条件
    if (!svc_can_find(s, len, spid)) {
        return 0;
    }
    return si->handle;
}

do_add_service

int do_add_service(struct binder_state *bs,
                   const uint16_t *s, size_t len,
                   uint32_t handle, uid_t uid, int allow_isolated,
                   pid_t spid)
{
    struct svcinfo *si;

    if (!handle || (len == 0) || (len > 127))
        return -1;

    //权限检查
    if (!svc_can_register(s, len, spid)) {
        return -1;
    }

    //服务检索
    si = find_svc(s, len);
    if (si) {
        if (si->handle) {
            svcinfo_death(bs, si); //服务已注册时，释放相应的服务
        }
        si->handle = handle;
    } else {
        si = malloc(sizeof(*si) + (len + 1) * sizeof(uint16_t));
        if (!si) {  //内存不足，无法分配足够内存
            return -1;
        }
        si->handle = handle;
        si->len = len;
        memcpy(si->name, s, (len + 1) * sizeof(uint16_t)); //内存拷贝服务信息
        si->name[len] = '\0';
        si->death.func = (void*) svcinfo_death;
        si->death.ptr = si;
        si->allow_isolated = allow_isolated;
        si->next = svclist; // svclist保存所有已注册的服务
        svclist = si;
    }

    //以BC_ACQUIRE命令，handle为目标的信息，通过ioctl发送给binder驱动
    binder_acquire(bs, handle);
    //以BC_REQUEST_DEATH_NOTIFICATION命令的信息，通过ioctl发送给binder驱动，主要用于清理内存等收尾工作。
    binder_link_to_death(bs, handle, &si->death);
    return 0;
}

注册服务的分以下3部分工作：

svc_can_register：检查权限，检查selinux权限是否满足；
find_svc：服务检索，根据服务名来查询匹配的服务；
svcinfo_death：释放服务，当查询到已存在同名的服务，则先清理该服务信息，再将当前的服务加入到服务列表svclist；

总结

ServiceManger集中管理系统内的所有服务，通过权限控制进程是否有权注册服务,通过字符串名称来查找对应的Service; 由于ServiceManger进程建立跟所有向其注册服务的死亡通知, 那么当服务所在进程死亡后, 会只需告知ServiceManager. 每个Client通过查询ServiceManager可获取Server进程的情况，降低所有Client进程直接检测会导致负载过重。

ServiceManager启动流程：

打开binder驱动，并调用mmap()方法分配128k的内存映射空间：binder_open();
通知binder驱动使其成为守护进程：binder_become_context_manager()；
验证selinux权限，判断进程是否有权注册或查看指定服务；
进入循环状态，等待Client端的请求：binder_loop()。
注册服务的过程，根据服务名称，但同一个服务已注册，重新注册前会先移除之前的注册信息；
死亡通知: 当binder所在进程死亡后,会调用binder_release方法,然后调用binder_node_release.这个过程便会发出死亡通知的回调.

ServiceManager最核心的两个功能为查询和注册服务：

注册服务：记录服务名和handle信息，保存到svclist列表；
查询服务：根据服务名查询相应的的handle信息。