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理解Binder线程池的管理

基于Android 6.0源码剖析,分析Binder线程池以及binder线程启动过程。

frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp
framework/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp
kernel/drivers/staging/android/binder.c

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,上篇文章 彻底理解Android Binder通信架构 ,从整体架构以及通信协议的角度来阐述了Binder架构。那对于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【见小节2.2】
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    //启动新binder线程 【见小节2.3】
    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 ProcessState::self

[-> ProcessState.cpp]

sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);
    if (gProcess != NULL) {
        return gProcess;
    }

    //实例化ProcessState 【见小节2.2.1】
    gProcess = new ProcessState;
    return gProcess;
}

这也是 单例模式 ,从而保证每一个进程只有一个 ProcessState 对象。其中 gProcessgProcessMutex 是保存在 Static.cpp 类的全局变量。

2.2.1 ProcessState实例化

[-> ProcessState.cpp]

ProcessState::ProcessState()
    : mDriverFD(open_driver()) // 打开Binder驱动【见小节2.2.2】
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
    , mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
    , mExecutingThreadsCount(0)
    , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(NULL)
    , mBinderContextUserData(NULL)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mThreadPoolSeq(1)
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        //采用内存映射函数mmap,给binder分配一块虚拟地址空间,用来接收事务
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        if (mVMStart == MAP_FAILED) {
            close(mDriverFD); //没有足够空间分配给/dev/binder,则关闭驱动
            mDriverFD = -1;
        }
    }
}
  • ProcessState 的单例模式的惟一性,因此一个进程只打开binder设备一次,其中ProcessState的成员变量 mDriverFD 记录binder驱动的fd,用于访问binder设备。
  • BINDER_VM_SIZE = (1*1024*1024) - (4096 *2) , 每个进程分配给binder的默认内存大小为1M-8k。
  • DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS = 15 ,binder默认的最大可并发访问的线程数为16。

2.2.2 PS.open_driver

[-> ProcessState.cpp]

static int open_driver()
{
    // 打开/dev/binder设备,建立与内核的Binder驱动的交互通道
    int fd = open("/dev/binder", O_RDWR);
    if (fd >= 0) {
        fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
        int vers = 0;
        status_t result = ioctl(fd, BINDER_VERSION, &vers);
        if (result == -1) {
            close(fd);
            fd = -1;
        }
        if (result != 0 || vers != BINDER_CURRENT_PROTOCOL_VERSION) {
            close(fd);
            fd = -1;
        }
        size_t maxThreads = DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS;

        // 通过ioctl设置binder驱动,能支持的最大线程数
        result = ioctl(fd, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads);
        if (result == -1) {
            ...
        }
    } else {
        ...
    }
    return fd;
}

open_driver作用是打开/dev/binder设备,设定binder支持的最大线程数。关于binder驱动的相应方法,见文章Binder Driver初探。

2.3 PS.startThreadPool

[-> ProcessState.cpp]

void ProcessState::startThreadPool()
{
    AutoMutex _l(mLock);    //多线程同步 自动锁
    if (!mThreadPoolStarted) {
        mThreadPoolStarted = true;
        spawnPooledThread(true);  【见小节2.4】
    }
}

启动Binder线程池,通过变量mThreadPoolStarted来保证每个应用进程只允许创建一个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。

2.4 PS.spawnPooledThread

[-> ProcessState.cpp]

void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
    if (mThreadPoolStarted) {
        //获取Binder线程名【见小节2.4.1】
        String8 name = makeBinderThreadName(); 
        //此处isMain=true【见小节2.4.2】
        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain); 
        t->run(name.string());
    }
}

2.4.1 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。

2.4.2 PoolThread.run

class PoolThread : public Thread
{
    ...
    virtual bool threadLoop()
    {
         //加入线程池【见小节2.5】
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
        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。

2.5 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
        result = getAndExecuteCommand(); //处理下一条指令
        ...

        //非主线程出现timeout则线程退出
        if(result == TIMED_OUT && !isMain) {
            break;
        }
        //发生ECONNREFUSED或EBADF,则不管什么线程直接退出
    } 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。

在这里调用的isMain=true,也就是向mOut例如写入的便是 BC_ENTER_LOOPER ,接下来程序往哪进行呢?在文章 彻底理解Android Binder通信架构 详细讲解了Binder通信过程,那么从 binder_thread_write() 往下说 BC_ENTER_LOOPER 的处理过程。

2.6 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 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

        if (t->buffer->target_node) {
            ...
            cmd = BR_TRANSACTION;  //设置命令为BR_TRANSACTION
        } else {
            ...
            cmd = BR_REPLY; //设置命令为BR_REPLY
        }
        ...

        //将cmd和数据写回用户空间
        if (put_user(cmd, (uint32_t __user *)ptr))  return -EFAULT;
        ptr += sizeof(uint32_t);
        if (copy_to_user(ptr, &tr, sizeof(tr)))   return -EFAULT;
        ptr += sizeof(tr);
        ...
        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2.4】
          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);  
ProcessState::self()->startThreadPool();  
IPCThread::self()->joinThreadPool();

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:

理解Binder线程池的管理

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, 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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