进阶之路 | 奇妙的IPC之旅

前言

本文已经收录到我的Github个人博客，欢迎大佬们光临寒舍：

我的GIthub博客

学习清单：

IPC的基础概念
多进程和多线程的概念
Android中的序列化机制和Binder
Android中的IPC方式
Binder连接池的概念及运用
各种IPC的优缺点

一.为什么要学习`IPC`？

IPC是Inter-Process Communication的缩写，含义是进程间通信，是指两个进程之间进行数据交换的过程。

有些读者可能疑惑: "那什么是进程呢？什么是线程呢？多进程和多线程有什么区别呢？"

进程：是资源分配的最小单位，一般指一个执行单元，在PC和移动设备上指一个程序或应用。
线程：CPU调度的最小单位，线程是一种有限的系统资源。

两者关系：一个进程可包含多个线程，即一个应用程序上可以同时执行多个任务。

主线程（UI线程）：UI操作

有限个子线程：耗时操作

注意：不可在主线程做大量耗时操作，会导致ANR（应用无响应）。解决办法:将耗时任务放在线程中。

IPC不是Android所特有的，Android中最有特色的IPC方式是Binder。而日常开发中涉及到的知识：AIDL，插件化，组件化等等，都离不开Binder。由此可见，IPC是挺重要的。

二.核心知识点归纳

2.1 `Android`中的多进程模式

Q1：开启多线程的方式：

（常用）在AndroidMenifest中给四大组件指定属性android:process

precess的命名规则：

默认进程：没有指定该属性则运行在默认进程，其进程名就是包名。

以“：”为命名开头的进程：“:”的含义是在进程名前面加上包名，属于当前应用私有进程

完整命名的进程：属于全局进程，其他应用可以通过ShareUID方式和他跑在用一个进程中（需要ShareUID和签名相同）。

（不常用）通过JNI在native层fork一个新的进程。

Q2：多进程模式的运行机制：

Andoird为每个进程分配了一个独立的虚拟机，不同虚拟机在内存分配上有不同的地址空间，这也导致了不同虚拟机中访问同一个对象会产生多份副本。

带来四个方面的问题：

静态变量和单例模式失效-->原因：不同虚拟机中访问同一个对象会产生多份副本。

线程同步机制失效-->原因：内存不同，线程无法同步。

SharedPreference的可靠性下降-->原因：底层是通过读写XML文件实现的，发生并发问题。

Application多次创建-->原因：Android系统会为新的进程分配独立虚拟机，相当于应用重新启动了一次。

2.2 `IPC`基础概念

这里主要介绍三方面内容：

Serializable

Parcelable

Binder

只有熟悉这三方面的内容，才能更好理解IPC的各种方式

2.2.1 什么是序列化

含义：序列化表示将一个对象转换成可存储或可传输的状态。序列化后的对象可以在网络上进行传输，也可以存储到本地。
使用场景：需要通过Intent和Binder等传输类对象就必须完成对象的序列化过程。
两种方式：实现Serializable/Parcelable接口。

2.2.2 `Serializable`接口

Java提供的序列化接口，使用方式比较简单：

实体类实现Serializable

手动设置/系统自动生成serialVersionUID

//Serializable Demo

public class Person implements Serializable{

    private static final long serialVersionUID = 7382351359868556980L;

    private String name;

    private int age;

    public int getAge() {

        return age;

    }

    public void setAge(int age) {

        this.age = age;

    }

    public String getName() {

        return name;

    }

    public void setName(String name) {

        this.name = name;

    }

}

这里特别注意一下serialVersionUID：

含义：是Serializable接口中用来辅助序列化和反序列化过程。

注意：原则上序列化后的数据中的serialVersionUID要和当前类的serialVersionUID 相同才能正常的序列化。当类发生非常规性变化（修改了类名/修改了成员变量的类型）的时候，序列化失败。

2.2.3 `Parcelable`接口

是Android中的序列化接口，使用的时候，类中需要实现下面几点：

实现Parcelable接口

内容描述

序列化方法

反序列化方法



public class User implements Parcelable {

    public int userId;

    public String userName;

    public boolean isMale;

    public Book book;

    public User() {

    }

    public User(int userId, String userName, boolean isMale) {

        this.userId = userId;

        this.userName = userName;

        this.isMale = isMale;

    }

    //返回内容描述 return 0 即可

    public int describeContents() {

        return 0;

    }

	//序列化

    public void writeToParcel(Parcel out, int flags) {

        out.writeInt(userId);

        out.writeString(userName);

        out.writeInt(isMale ? 1 : 0);

        out.writeParcelable(book, 0);

    }

    //反序列化

    public static final Parcelable.Creator<User> CREATOR = new Parcelable.Creator<User>() {

        //从序列化的对象中创建原始对象

        public User createFromParcel(Parcel in) {

            return new User(in);

        }

        public User[] newArray(int size) {

            return new User[size];

        }

    };

    //从序列化的对象中创建原始对象

    private User(Parcel in) {

        userId = in.readInt();

        userName = in.readString();

        isMale = in.readInt() == 1;

        book = in.readParcelable(Thread.currentThread().getContextClassLoader());

    }

    @Override

    public String toString() {

        return String.format("User:{userId:%s, userName:%s, isMale:%s}, with child:{%s}",

                userId, userName, isMale, book);

    }

}

2.2.4 Serializable和Parcelable接口的比较

	`Serializable`接口	`Parcelable`接口
平台	Java	Andorid
序列化原理	将一个对象转换成可存储或者可传输的状态	将对象进行分解,且分解后的每一部分都是传递可支持的数据类型
优缺点	优点：使用简单缺点：开销大（因为需要进行大量的IO操作）	优点：高效缺点：使用麻烦
使用场景	将对象序列化到存储设备或者通过网络传输	主要用在内存序列化上

2.2.5 Binder

Q1：Binder是什么？

从API角度：是一个类，实现IBinder接口。
从IPC角度：是Android中的一种跨进程通信方式。
从Framework角度：是ServiceManager，连接各种Manager和相应ManagerService的桥梁。
从应用层：是客户端和服务端进行通信的媒介。客户端通过它可获取服务端提供的服务或者数据。

Q2:Android是基于Linux内核基础上设计的，却没有把管道/消息队列/共享内存/信号量/Socket等一些IPC通信手段作为Android的主要IPC方式，而是新增了Binder机制，其优点有:

A1:传输效率高、可操作性强

传输效率主要影响因素是内存拷贝的次数，拷贝次数越少，传输速率越高。几种数据传输方式比较

方式	拷贝次数	操作难度
Binder	1	简易
消息队列	2	简易
Socket	2	简易
管道	2	简易
共享内存	0	复杂

从Android进程架构角度分析：对于消息队列、Socket和管道来说，数据先从发送方的缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，再从内核缓存区拷贝到接收方的缓存区，一共两次拷贝，如图：

对Binder来说：数据从发送方的缓存区拷贝到内核的缓存区，而接收方的缓存区与内核的缓存区是映射到同一块物理地址的，节省了一次数据拷贝的过程

A2：实现C/S架构方便

Linux的众IPC方式除了Socket以外都不是基于C/S架构，而Socket主要用于网络间的通信且传输效率较低。Binder基于C/S 架构，Server端与Client端相对独立，稳定性较好。

A3:安全性高

传统Linux IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID，从而无法鉴别对方身份；而Binder机制为每个进程分配了UID/PID且在Binder通信时会根据UID/PID进行有效性检测。

Q3:Binder框架定义了哪四个角色呢？

A1:Server&Client

服务器&客户端。在Binder驱动和Service Manager提供的基础设施上，进行Client-Server之间的通信。

A2:ServiceManager:

服务的管理者，将Binder名字转换为Client中对该Binder的引用，使得Client可以通过Binder名字获得Server中Binder实体的引用。

A3:Binder驱动

与硬件设备没有关系，其工作方式与设备驱动程序是一样的，工作于内核态。
提供open()、mmap()、poll()、ioctl()等标准文件操作。
以字符驱动设备中的misc设备注册在设备目录/dev下，用户通过/dev/binder访问该它。
负责进程之间binder通信的建立，传递，计数管理以及数据的传递交互等底层支持。
驱动和应用程序之间定义了一套接口协议，主要功能由ioctl()接口实现，由于ioctl()灵活、方便且能够一次调用实现先写后读以满足同步交互，因此不必分别调用write()和read()接口。
其代码位于linux目录的drivers/misc/binder.c中。

ioctl(input/output control)是一个专用于设备输入输出操作的系统调用,该调用传入一个跟设备有关的请求码，系统调用的功能完全取决于请求码

Q4：Binder 工作原理是什么

服务器端：在服务端创建好了一个Binder对象后，内部就会开启一个线程用于接收Binder驱动发送的消息，收到消息后会执行onTranscat()，并按照参数执行不同的服务端代码。
Binder驱动：在服务端成功创建Binder对象后，Binder驱动也会创建一个mRemote对象（也是Binder类），客户端可借助它调用transcat()即可向服务端发送消息。
客户端：客户端要想访问Binder的远程服务，就必须获取远程服务的Binder对象在Binder驱动层对应的mRemote引用。当获取到mRemote对象的引用后，就可以调用相应Binder对象的暴露给客户端的方法。

当发出远程请求后客户端会挂起，直到返回数据才会唤醒Client

Q5：当服务端进程异常终止的话，造成Binder死亡的话，怎么办？

在客户端绑定远程服务成功后，给Binder设置死亡代理，当Binder死亡的时候，我们会收到通知，从而重新发起连接请求。

private IBinder.DeathRecipient mDeathRecipient = new IBinder.DeathRecipient(){

@Override

public void binderDied(){

if(mBookManager == null){

return;

}

mBookManager.asBinder().unlinkToDeath(mDeathRecipient,0);

mBookManager = null;

// TODO：这里重新绑定远程Service

}

}

mService = IBookManager.Stub.asInterface(binder);

binder.linkToDeath(mDeathRecipient,0);

2.3 `Android`中的`IPC`方式

Android中的IPC方式有很多种，但本质都是基于Binder构建的

2.3.1 `Bundle`

原理：Bundle底层实现了Parcelable接口，它可方便的在不同的进程中传输。
注意：Bundle不支持的数据类型无法在进程中被传递。

小课堂测试：在A进程进行计算后的结果不是Bundle所支持的数据类型，该如何传给B进程？

答案: 将在A进程进行的计算过程转移到B进程中的一个Service里去做，这样可成功避免进程间的通信问题。

Intent和Bundle的区别与联系：

Intent底层其实是通过Bundle进行传递数据的

使用难易：Intent比较简单，Bundle比较复杂

Intent旨在数据传递，bundle旨在存取数据

2.3.2 文件共享

概念：两个进程通过读/写同一个文件来交换数据。比如A进程把数据写入文件，B进程通过读取这个文件来获取数据。
适用场景：对数据同步要求不高的进程之间进行通信，并且要妥善处理并发读/写的问题。
特殊情况：SharedPreferences也是文件存储的一种，但不建议采用。因为系统对SharedPreferences的读/写有一定的缓存策略，即在内存中有一份该文件的缓存，因此在多进程模式下，其读/写会变得不可靠，甚至丢失数据。

2.3.3 AIDL

2.3.3.1 概念

AIDL(Android Interface Definition Language，Android接口定义语言)：如果在一个进程中要调用另一个进程中对象的方法，可使用AIDL生成可序列化的参数，AIDL会生成一个服务端对象的代理类，通过它客户端实现间接调用服务端对象的方法。

2.3.3.2 支持的数据类型

基本数据类型
String和CharSequence

想了解String和CharSequence区别的读者，可以看下这篇文章：String和CharSequence的区别

ArrayList、HashMap且里面的每个元素都能被AIDL支持
实现Parcelable接口的对象
所有AIDL接口本身

注意：除了基本数据类型，其它类型的参数必须标上方向：in、out或inout，用于表示在跨进程通信中数据的流向。

2.3.3.3 两种`AIDL`文件

用于定义Parcelable对象，以供其他AIDL文件使用AIDL中非默认支持的数据类型的。
用于定义方法接口，以供系统使用来完成跨进程通信的。

注意：

自定义的Parcelable对象必须把Java文件和自定义的AIDL文件显式的import进来，无论是否在同一包内。

AIDL文件用到自定义Parcelable的对象，必须新建一个和它同名的AIDL文件，并在其中声明它为Parcelable类型。

2.3.3.4 本质，关键类和方法

a:本质是系统提供了一套可快速实现Binder的工具。

b:关键类和方法是什么？

AIDL接口：继承IInterface。
Stub类：Binder的实现类，服务端通过这个类来提供服务。
Proxy类：服务器的本地代理，客户端通过这个类调用服务器的方法。
asInterface()：客户端调用，将服务端的返回的Binder对象，转换成客户端所需要的AIDL接口类型对象。

返回对象：

若客户端和服务端位于同一进程，则直接返回Stub对象本身；

否则，返回的是系统封装后的Stub.proxy对象。

asBinder()：返回代理Proxy的Binder对象。
onTransact()：运行服务端的Binder线程池中，当客户端发起跨进程请求时，远程请求会通过系统底层封装后交由此方法来处理。
transact()：运行在客户端，当客户端发起远程请求的同时将当前线程挂起。之后调用服务端的onTransact()直到远程请求返回，当前线程才继续执行。

2.3.3.5 实现方法

如果感兴趣的读者想要了解具体的AIDL实现IPC的流程，笔者分享一篇文章：android跨进程通信（IPC）：使用AIDL

A.服务端：

创建一个aidl文件；
创建一个Service，实现AIDL的接口函数并暴露AIDL接口。

B.客户端：

通过bindService绑定服务端的Service；
绑定成功后，将服务端返回的Binder对象转化成AIDL接口所属的类型，进而调用相应的AIDL中的方法。

总结：服务端里的某个Service给和它绑定的特定客户端进程提供Binder对象，客户端通过AIDL接口的静态方法asInterface() 将Binder对象转化成AIDL接口的代理对象，通过这个代理对象就可以发起远程调用请求。

2.3.3.6 可能产生`ANR`的情形

A.客户端：

调用服务端的方法是运行在服务端的Binder线程池中，若主线程所调用的方法里执行了较耗时的任务，同时会导致客户端线程长时间阻塞，易导致客户端ANR。
在onServiceConnected()和onServiceDisconnected()里直接调用服务端的耗时方法，易导致客户端ANR。

B.服务端：

服务端的方法本身就运行在服务端的Binder线程中，可在其中执行耗时操作，而无需再开启子线程。
回调客户端Listener的方法是运行在客户端的Binder线程中，若所调用的方法里执行了较耗时的任务，易导致服务端ANR。

解决客户端频繁调用服务器方法导致性能极大损耗的办法：实现观察者模式。

即当客户端关注的数据发生变化时，再让服务端通知客户端去做相应的业务处理。

2.3.3.7 解注册失败的问题

原因: Binder进行对象传输实际是通过序列化和反序列化进行，即Binder会把客户端传递过来的对象重新转化并生成一个新的对象，虽然在注册和解注册的过程中使用的是同一个客户端传递的对象，但经过Binder传到服务端后会生成两个不同的对象。另外，多次跨进程传输的同一个客户端对象会在服务端生成不同的对象，但它们在底层的Binder对象是相同的。
解决办法：当客户端解注册的时候，遍历服务端所有的Listener，找到和解注册Listener具有相同的Binder对象的服务端Listener，删掉即可。

需要用到RemoteCallBackList：Android系统专门提供的用于删除跨进程listener的接口。其内部自动实现了线程同步的功能。

2.3.4 `Messager`

Q1.什么是Messager？

A1：Messager是轻量级的IPC方案，通过它可在不同进程中传递Message对象。

Messenger.send(Message);

Q2：特点是什么？

底层实现是AIDL，即对AIDL进行了封装，更便于进行进程间通信。
其服务端以串行的方式来处理客户端的请求，不存在并发执行的情形，故无需考虑线程同步的问题。
可在不同进程中传递Message对象，Messager可支持的数据类型即Messenge可支持的数据类型。

Messenge可支持的数据类型：

arg1、arg2、what字段：int型数据

obj字段：Object对象，支持系统提供的Parcelable对象

setData：Bundle对象

有两个构造函数，分别接收Handler对象和Binder对象。

Q3:实现的方法：

读者如果对Messenger的具体使用感兴趣的话，可以看下这篇文章：IPC-Messenger使用实例

A1：服务端：

创建一个Service用于提供服务；
其中创建一个Handler用于接收客户端进程发来的数据；
利用Handler创建一个Messenger对象；
在Service的onBind()中返回Messenger对应的Binder对象。

A2：客户端：

通过bindService绑定服务端的Service；
通过绑定后返回的IBinder对象创建一个Messenger，进而可向服务器端进程发送Message数据。（至此只完成单向通信）
在客户端创建一个Handler并由此创建一个Messenger，并通过Message的replyTo字段传递给服务器端进程。服务端通过读取Message得到Messenger对象，进而向客户端进程传递数据。（完成双向通信）

Q4:缺点：

主要作用是传递 Message，难以实现远程方法调用。
以串行的方式处理客户端发来的消息的，不适合高并发的场景。

解决方式：使用AIDL的方式处理IPC以应对高并发的场景

2.3.5 `ContentProvider`

ContentProvider是Android提供的专门用来进行不同应用间数据共享的方式,底层同样是通过Binder实现的。

除了onCreate()运行在UI线程中，其他的query()、update()、insert()、delete()和getType()都运行在Binder线程池中。
CRUD四大操作存在多线程并发访问，要注意在方法内部要做好线程同步。
一个SQLiteDatabase内部对数据库的操作有同步处理，但多个SQLiteDatabase之间无法同步。

2.3.6 `Socket`

Socket不仅可以跨进程，还可以跨设备通信

Q1:使用类型是什么？

流套接字：基于TCP协议，采用流的方式提供可靠的字节流服务。
数据流套接字：基于UDP协议，采用数据报文提供数据打包发送的服务。

Q2：实现方法是什么？

A1：服务端：

创建一个Service，在线程中建立TCP服务、监听相应的端口等待客户端连接请求；
与客户端连接时，会生成新的Socket对象，利用它可与客户端进行数据传输；
与客户端断开连接时，关闭相应的Socket并结束线程。

A2：客户端：

开启一个线程、通过Socket发出连接请求；
连接成功后，读取服务端消息；
断开连接，关闭Socket。

2.3.7 优缺点比较

名称	优点	缺点	适用场景
`Bundle`	简单易用	只能传输`Bundle`支持的数据类型	四大组件间的进程间通信
文件共享	简单易用	不适合高并发场景，无法做到进程间的即时通信	无并发访问，交换简单数据且实时性不高
`AIDL`	支持一对多并发和实时通信	使用稍复杂，需要处理线程同步	一对多且有`RPC`需求
`Messenger`	支持一对多串行通信	不能很好处理高并发，不支持`RPC`，只能传输`Bundle`支持的数据类型	低并发的一对多
`ContentProvider`	支持一对多并发数据共享	可理解为受约束的`AIDL`	一对多进程间数据共享
`Socket`	支持一对多并发数据共享	实现细节繁琐	网络数据交换

2.4 `Binder`连接池

有多个业务模块都需要AIDL来进行IPC，此时需要为每个模块创建特定的aidl文件，那么相应的Service就会很多。必然会出现系统资源耗费严重、应用过度重量级的问题。因此需要Binder连接池，通过将每个业务模块的Binder请求统一转发到一个远程Service中去执行的方式，从而避免重复创建Service。

Q1：工作原理是什么？

每个业务模块创建自己的AIDL接口并实现此接口，然后向服务端提供自己的唯一标识和其对应的Binder对象。服务端只需要一个Service，服务器提供一个queryBinder接口，它会根据业务模块的特征来返回相应的Binder对像，不同的业务模块拿到所需的Binder对象后就可进行远程方法的调用了。

Q2：实现方式是什么？

读者如果对具体的实现方式感兴趣的话，可以看一下这篇文章：Android IPC机制(四):细说Binder连接池

为每个业务模块创建AIDL接口并具体实现
为Binder连接池创建AIDL接口IBinderPool.aidl并具体实现
远程服务BinderPoolService的实现，在onBind()返回实例化的IBinderPool实现类对象
Binder连接池的具体实现，来绑定远程服务
客户端的调用

三.碎碎念

恭喜你，已经完成了这次奇妙的IPC之旅了，如果你感到对概念还是有点模糊不清的话，没关系，很正常，不用太纠结于细节，你可以继续进行下面的旅程了，未来的你，再看这篇文章，也许会有更深的体会，到时候就会有茅舍顿开的感觉了。未来的你，一定会更优秀！！！

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。《离骚》--屈原

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