深入Android HAL binder

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HAL binder是Android O(8.0)专门用于HAL（Hardware Abstract Layer)层（native）进程与其clients之间的通信机制（clients可以是native进程，也可以是Java Framework进程)。 HAL binder替代了早先使用的socket通信，其kernel层实际是基于原有的binder驱动，但为了配合Client与Server之间的数据传输，需要使用特定的中间层HIDL来进行接口与数据的转换。那么，相对之前的HAL通信方式（socket），基于HIDL的HAL通信有什么优势了？从系统架构的角度，HIDL为客户端与服务端提供了清晰的接口；从效率的角度，binder IPC实际在传输数据上只有一次拷贝，而socket实际传输需要两次数据拷贝。

目前Android有两种类型的HAL：

相关代码

  • /android/system/tools/hidl/： 根据HAL接口 .hal来产生相应的Proxy(client端接口）以及stub(server端接口）。
  • /android/system/libhwbinder/： 初始化binder线程，负责与binder驱动交互，读写数据；
  • /android/system/libhidl： HIDL状态与HAL服务管理接口；
  • /android/os/HwBinder： Java层Hardware binder代码，获取server端接口以及向server发起IPC调用；
  • android_os_HwBinder.cpp (JNI)：Java层HAL binder的JNI代码，负责将Java层的请求传递给相应的server进程；
  • /android/hardware/interfaces/： 各个模块HAL层接口，每个模块都包含了一个Android.bp的脚步来生成对应的代理(Proxy)与存根对象(stub)，如radio接口IRadio.hal,sensors接口ISensors.hal；
  • /android/kernel/drivers/staging/android/： binder驱动；

下图是HAL binder的结构简图, 了解Binder的同学应该很快能看出，这个结构跟binder的C/S IPC架构很相似，区别的地方在对于HAL binder来说，server进程是Android的native进程而已。在接下来的两篇文章里，我将以Telephony Framwork(RILJ)与native进程RILD是如何通过hardware binder来进行通信为例，从以下两个方面来说明HAL Binder的实现机制与工作原理：

  • HAL服务管家HwServiceMananger是如何启动以及如何注册、获取系统服务；
  • RILJ如何通过HAL binder与RILD进行通信？

HwBinder Architecture

关于Android.bp脚本可以参考https://android.googlesource.com/platform/build/soong/

这篇文章，主要来看下第一个问题，HAL binder是如何启动以及管理所有HAL服务的。跟常规的binder通信（AMS，PMS等使用的binder）一样，HAL binder也需要有一个专门的服务管家，来统一管理系统的服务，同时为客户端提供诸如注册、获取服务等API。

HwServiceMananger的启动

在/android/system/hwservicemanager/hwservicemanager.rc目录下，有个启动脚本hwservicemanager.rc，init进程在启动之后会对该脚本进行解析：

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service hwservicemanager /system/bin/hwservicemanager
    user system
    disabled
    group system readproc
    critical
    onrestart setprop hwservicemanager.ready false
    onrestart class_restart hal
    onrestart class_restart early_hal
    writepid /dev/cpuset/system-background/tasks
    class animation

在/android/system/core/rootdir/init.rc文件中，有个控制指令，专门来启动hwservicemananger这个系统服务：

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on post-fs
    # Load properties from
    #     /system/build.prop,
    #     /odm/build.prop,
    #     /vendor/build.prop and
    #     /factory/factory.prop
    load_system_props
    # start essential services
    start logd
    start servicemanager
    start hwservicemanager
    start vndservicemanager

这样，系统加载hwservicemanager，进入main函数：

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class BinderCallback : public LooperCallback {
public:
    BinderCallback() {}
    ~BinderCallback() override {}

    int handleEvent(int /* fd */, int /* events */, void* /* data */) override {
        IPCThreadState::self()->handlePolledCommands();
        return 1;  // Continue receiving callbacks.
    }
};

int main() {
    // 初始化hwbinder驱动，设置线程池
    configureRpcThreadpool(1, true /* callerWillJoin */);

    ServiceManager *manager = new ServiceManager();

    if (!manager->add(serviceName, manager)) {
        ALOGE("Failed to register hwservicemanager with itself.");
    }
    // TokenManager有何作用？
    TokenManager *tokenManager = new TokenManager();

    if (!manager->add(serviceName, tokenManager)) {
        ALOGE("Failed to register ITokenManager with hwservicemanager.");
    }

    sp<Looper> looper(Looper::prepare(0 /* opts */));

    int binder_fd = -1;
    // 设置线程进入等待状态，准备处理IPC请求
    IPCThreadState::self()->setupPolling(&binder_fd);
    if (binder_fd < 0) {
        ALOGE("Failed to aquire binder FD. Aborting...");
        return -1;
    }
    // Flush after setupPolling(), to make sure the binder driver
    // knows about this thread handling commands.
    IPCThreadState::self()->flushCommands();
    // IPC请求回调，有数据时会调用该回调进行处理
    sp<BinderCallback> cb(new BinderCallback);
    if (looper->addFd(binder_fd, Looper::POLL_CALLBACK, Looper::EVENT_INPUT, cb,
            nullptr) != 1) {
        ALOGE("Failed to add hwbinder FD to Looper. Aborting...");
        return -1;
    }

    // Tell IPCThreadState we're the service manager
    sp<BnHwServiceManager> service = new BnHwServiceManager(manager);
    IPCThreadState::self()->setTheContextObject(service);
    
    ioctl(binder_fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);
    ...    
    rc = property_set("hwservicemanager.ready", "true");

    while (true) {
        looper->pollAll(-1 /* timeoutMillis */);
    }

    return 0;
}

ServiceManager启动主要需要做以下几件事情：

  • 初始化/dev/hwbinder驱动，为其分配一块虚拟内存用于IPC数据交换；
  • 向hwbinder注册HAL服务管家(IPC上下文管理者）；
  • 监听/dev/hwbinder是否有数据可读，如有则调用回调执行指令；

hwbinder驱动初始化

HwServiceManager启动的第一件事情，就是配置binder线程池，告知驱动当前需要启动多少个线程处理IPC指令：对于HwServiceManager而言，只需要一个binder线程，即调用者线程即可（调用者线程何时加入binder线程池下面会讲到），而无需启动新的线程。

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// HidlBinderSupport.cpp
void configureBinderRpcThreadpool(size_t maxThreads, bool callerWillJoin) {
    ProcessState::self()->setThreadPoolConfiguration(maxThreads, callerWillJoin /*callerJoinsPool*/);
}

ProcessState只有一个实例（ProcessState可以看成是hwbinder用户空间进程状态管理者），因此在调用ProcessState():self的时候，如果当前ProcessState没有创建全局实例，则会创建一个实例：

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

创建ProcessState的时候，主要做两件事：

  • 打开/dev/hwbinder驱动，验证binder版本以及协议版本，并配置最大的binder线程数量（对于hwbinder，默认的最大线程数量为0）；
  • 将/dev/hwbinder映射到一块大小约为1M的虚拟内存上用于交换IPC数据；
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ProcessState::ProcessState()
    : mDriverFD(open_driver()) // 配置最大线程数
    , mVMStart(MAP_FAILED)
    , mThreadCountLock(PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER)
    , mThreadCountDecrement(PTHREAD_COND_INITIALIZER)
    , mExecutingThreadsCount(0)
    , mMaxThreads(DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS)
    , mStarvationStartTimeMs(0)
    , mManagesContexts(false)
    , mBinderContextCheckFunc(NULL)
    , mBinderContextUserData(NULL)
    , mThreadPoolStarted(false)
    , mSpawnThreadOnStart(true)
    , mThreadPoolSeq(1)
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        // mmap the binder, providing a chunk of virtual address space to receive transactions.
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        if (mVMStart == MAP_FAILED) {
            // *sigh*
            ALOGE("Using /dev/hwbinder failed: unable to mmap transaction memory.\n");
            close(mDriverFD);
            mDriverFD = -1;
        }
    }
    else {
        ALOGE("Binder driver could not be opened.  Terminating.");
    }
}

ProcessState初始化完成后，获取到相应实例，配置线程池(对于每个HAL服务来是，一般线程池只有一个线程，就是服务进行注册时所在的
主线程），告知线程当前所需的最大线程数目：

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status_t ProcessState::setThreadPoolMaxThreadCount(size_t maxThreads) {
    status_t result = NO_ERROR;
    if (ioctl(mDriverFD, BINDER_SET_MAX_THREADS, &maxThreads) != -1) {
        mMaxThreads = maxThreads;
    } else {
        result = -errno;
        ALOGE("Binder ioctl to set max threads failed: %s", strerror(-result));
    }
    return result;
}

注册HAL服务管家

线程池配置完成后，获取当前线程的Looper（对的，就是Framework层常用的Handler消息循环在native的对应），并告知HwBinder驱动由当前线程来处理HAL服务上下文相关的指令， 设置Looper消息回调。接着，就是注册HAL服务的管家ServiceManager了。

ServiceManager继承了IServiceManager接口，负责管理系统中所有的HAL服务，为其他进程提供服务注册、查找等功能：

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/**
 * Manages all the hidl hals on a device.
 * 
 * Terminology:
 *   Package: "android.hidl.manager"
 *   Major version: "1"
 *   Minor version: "0"
 *   Version: "1.0"
 *   Interface name: "IServiceManager"
 *   Fully-qualified interface name: "android.hidl.manager@1.0::IServiceManager"
 *   Instance name: "manager"
 *   Fully-qualified instance name: "android.hidl.manager@1.0::IServiceManager/manager"
 */
interface IServiceManager {

    // Retrieve an existing service that supports the requested version.
    get(string fqName, string name) generates (interface service);

    /**
     * Register a service. The service manager must retrieve the (inherited)
     * interfaces that this service implements, and register them along with
     * the service.
     *
     */
    add(string name, interface service) generates (bool success);

    enum Transport : uint8_t {
        EMPTY,
        HWBINDER,
        PASSTHROUGH,
    };

    // Get the transport of a service.
    getTransport(string fqName, string name) generates (Transport transport);

    // List all registered services. Must be sorted.
    list() generates (vec<string> fqInstanceNames);

    // List all instances of a particular service. Must be sorted.
    listByInterface(string fqName) generates (vec<string> instanceNames);

    /**
     * Register for service notifications for a particular service. Must support
     * multiple registrations.
     */
    registerForNotifications(string fqName,
                             string name,
                             IServiceNotification callback)
        generates (bool success);

    ...

    /**
     * When the passthrough service manager returns a service via
     * get(string, string), it must dispatch a registerPassthroughClient call
     * to the binderized service manager to indicate the current process has
     * called get(). Binderized service manager must record this PID, which can
     * be retrieved via debugDump.
     */
    // 注册直通式客户端
    registerPassthroughClient(string fqName, string name);
};

接着， 让BnHwServiceManager成为HAL服务的上下文管家，需要做两件事：一是告知IPCThreadState负责上下文管理的对象，用于接收来自其他进程的IPC请求；一是告知kernel上下文管理者的是一个handle为0的IBinder对象，kernel会为其保存一个节点，以便IPC时使用。

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// Tell IPCThreadState we're the service manager
sp<BnHwServiceManager> service = new BnHwServiceManager(manager);
IPCThreadState::self()->setTheContextObject(service);
// Then tell binder kernel
ioctl(binder_fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);

BnHwServiceManager是ServiceManager服务端的stub对象，与客户端代理ProxyBpHwServiceManager相对应，具体怎么来的，在下一篇文章中再详细讲述

最后，设置hwservicemanager.ready，表面当前hwservicemanager已经处于可用状态；pollAll则表示hwservicemanager进入消息循环等待的过程，一旦/dev/hwbinder有数据可读，就会调用之前注册的BinderCallback进行处理。

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rc = property_set("hwservicemanager.ready", "true");

while (true) {
    looper->pollAll(-1 /* timeoutMillis */);
}

在接下来的一篇文章，基于Telephony与RILD的通信来讲述HAL服务的具体工作流程。

参考文献

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