Binder 多线程情景分析-六虎

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binder_thread 的创立

当应用层调用到 ioclt 时，会堕入内核调用到 binder 驱动中的 binder_ioctl：

static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    //......
	thread = binder_get_thread(proc);
	if (thread == NULL) {
		ret = -ENOMEM;
		goto err;
	}
    //......
}

接下来咱们来看看 binder_get_thread 的具体完成：

static struct binder_thread *binder_get_thread(struct binder_proc *proc)
{
	struct binder_thread *thread;
	struct binder_thread *new_thread;
	binder_inner_proc_lock(proc); //加锁
    //留意终究一个参数是 NULL
	thread = binder_get_thread_ilocked(proc, NULL);
	binder_inner_proc_unlock(proc);
	if (!thread) {
        //构建一个 binder_thread 对象
		new_thread = kzalloc(sizeof(*thread), GFP_KERNEL);
		if (new_thread == NULL)
			return NULL;
        //再调用 binder_get_thread_ilocked  
		binder_inner_proc_lock(proc);
		thread = binder_get_thread_ilocked(proc, new_thread);
		binder_inner_proc_unlock(proc);
		if (thread != new_thread)
			kfree(new_thread);
	}
	return thread;
}
static struct binder_thread *binder_get_thread_ilocked(
		struct binder_proc *proc, struct binder_thread *new_thread)
{
	struct binder_thread *thread = NULL;
	struct rb_node *parent = NULL;
    //proc->threads 是一个红黑树
	struct rb_node **p = &proc->threads.rb_node;
    //依据线程的 pid 查找
	while (*p) {
		parent = *p;
		thread = rb_entry(parent, struct binder_thread, rb_node);
		if (current->pid < thread->pid)
			p = &(*p)->rb_left;
		else if (current->pid > thread->pid)
			p = &(*p)->rb_right;
		else
			return thread;
	}
    //第一次进入查找不到，回来 NULL
	if (!new_thread)
		return NULL;
    //第2次进入，初始化 binder_thread，并将其刺进 proc->threads 红黑树中
	thread = new_thread;
	binder_stats_created(BINDER_STAT_THREAD);
	thread->proc = proc;
	thread->pid = current->pid;
	get_task_struct(current);
	thread->task = current;
	atomic_set(&thread->tmp_ref, 0);
	init_waitqueue_head(&thread->wait);
	INIT_LIST_HEAD(&thread->todo);
	rb_link_node(&thread->rb_node, parent, p);
	rb_insert_color(&thread->rb_node, &proc->threads);
	thread->looper_need_return = true;
	thread->return_error.work.type = BINDER_WORK_RETURN_ERROR;
	thread->return_error.cmd = BR_OK;
	thread->reply_error.work.type = BINDER_WORK_RETURN_ERROR;
	thread->reply_error.cmd = BR_OK;
	INIT_LIST_HEAD(&new_thread->waiting_thread_node);
	return thread;
}

总结一下：对于应用层的线程，Binder 驱动中会有一个数据结构 binder_thread 描述记载它，这个数据结构保存在 binder_proc 的成员红黑树 threads 中。

接下来咱们再来看看服务端中的线程池 PoolThread：

ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

先看 startThreadPool 的源码：

void ProcessState::startThreadPool()
{
    AutoMutex _l(mLock);
    if (!mThreadPoolStarted) {
        //修改 mThreadPoolStarted 为 true，然后接着调用 spawnPooledThread
        mThreadPoolStarted = true;
        spawnPooledThread(true);
    }
}
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
    if (mThreadPoolStarted) { //上面已设置为 true
        String8 name = makeBinderThreadName(); //生成一个线程名
        ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string());
        //new 一个 PoolThread
        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
        //履行 new 出的 PoolThread
        t->run(name.string());
    }
}
//PoolThread 界说如下：
class PoolThread : public Thread
{
public:
    explicit PoolThread(bool isMain)
        : mIsMain(isMain)
    {
    }
protected:
    //当履行到 PoolThread 的 run 函数时，就会调用到 threadLoop 函数：
    virtual bool threadLoop()
    {   
        // 内部会调用到 ioctl，堕入内核创立 binder_thread 结构体
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
        return false;
    }
    const bool mIsMain;
};

Thread、PoolThread 每次进入 Binder 驱动时，首要都会经过 binder_get_thread() 查询当时线程 binder_proc 里的红黑树 threads 是否有对应的 binder_thread，没有则创立一个，并刺进 threads 中。

waiting_threads 管理休眠中的线程

当服务端读数据时，内核中的操作如下：

static int binder_thread_read(struct binder_proc *proc,
			      struct binder_thread *thread,
			      binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
			      binder_size_t *consumed, int non_block)
{
    //......
	if (non_block) {
		if (!binder_has_work(thread, wait_for_proc_work))
			ret = -EAGAIN;
	} else { //通常是阻塞式，走这儿
		ret = binder_wait_for_work(thread, wait_for_proc_work);
	}
    //......
}
static int binder_wait_for_work(struct binder_thread *thread,
				bool do_proc_work)
{
	DEFINE_WAIT(wait);
	struct binder_proc *proc = thread->proc;
	int ret = 0;
	freezer_do_not_count();
	binder_inner_proc_lock(proc);
	for (;;) {
		prepare_to_wait(&thread->wait, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE);
		if (binder_has_work_ilocked(thread, do_proc_work))
			break;
        // proc->waiting_threads 是一个行列
        // 把当时线程对应的 binder_thread 刺进 proc->waiting_threads 行列中
		if (do_proc_work)
			list_add(&thread->waiting_thread_node,
				 &proc->waiting_threads);
		binder_inner_proc_unlock(proc);
        //发起 cpu 调度恳求，当时线程下 cpu 进入休眠状态
		schedule();
		binder_inner_proc_lock(proc);
		list_del_init(&thread->waiting_thread_node);
		if (signal_pending(current)) {
			ret = -ERESTARTSYS;
			break;
		}
	}
	finish_wait(&thread->wait, &wait);
	binder_inner_proc_unlock(proc);
	freezer_count();
	return ret;
}

当客户端发送数据时，会堕入内核，终究调用到 binder_transaction：

static void binder_transaction(struct binder_proc *proc,
			       struct binder_thread *thread,
			       struct binder_transaction_data *tr, int reply,
			       binder_size_t extra_buffers_size)
{
	//......
	if (reply) {
		//......
	} else if (!(t->flags & TF_ONE_WAY)) {
		//......
		binder_inner_proc_unlock(proc);
		//中心操作
		if (!binder_proc_transaction(t, target_proc, target_thread)) {
			binder_inner_proc_lock(proc);
			binder_pop_transaction_ilocked(thread, t);
			binder_inner_proc_unlock(proc);
			goto err_dead_proc_or_thread;
		}
	} else {
		//......
	}
	//......
}

上述代码的中心是 binder_proc_transaction，其完成如下：

static bool binder_proc_transaction(struct binder_transaction *t,
				    struct binder_proc *proc,
				    struct binder_thread *thread)
{
    //......
	// thread 为空
	// pending_async false
	if (!thread && !pending_async) //走这
        //重视点1
	    //从 target_proc 的 waiting_threads 链表中挑选第一个作为 target_thread
		thread = binder_select_thread_ilocked(proc);
    //把数据 binder_transaction *t 刺进到目标线程的 todo 链表中
	if (thread) {//走这
		binder_transaction_priority(thread->task, t, node_prio,
					    node->inherit_rt);
		//把 binder_transaction 刺进到 target_thread 的 todo 链表中
		binder_enqueue_thread_work_ilocked(thread, &t->work);
	} else if (!pending_async) { 
		binder_enqueue_work_ilocked(&t->work, &proc->todo);
	} else {
		binder_enqueue_work_ilocked(&t->work, &node->async_todo);
	}
	if (!pending_async) //走这
        //重视点2
		//唤醒远程线程
		binder_wakeup_thread_ilocked(proc, thread, !oneway /* sync */);
	binder_inner_proc_unlock(proc);
	binder_node_unlock(node);
	return true;
}

重视点 1 处，调用 binder_select_thread_ilocked 函数，函数内部从 target_proc 的 waiting_threads 链表中挑选第一个作为 target_thread：

//从 target_proc 的 waiting_threads 链表中挑选第一个作为 target_thread
static struct binder_thread *
binder_select_thread_ilocked(struct binder_proc *proc)
{
	struct binder_thread *thread;
	assert_spin_locked(&proc->inner_lock);
    //拿到 target_proc 的 waiting_threads 链表中的第一个节点
	thread = list_first_entry_or_null(&proc->waiting_threads,
					  struct binder_thread,
					  waiting_thread_node);
    //从链表中删除
	if (thread) 
		list_del_init(&thread->waiting_thread_node);
    //回来获取到的 binder_thread
	return thread;
}

接下来就会把数据 binder_transaction *t 刺进到目标线程的 todo 链表中，然后进入重视点 2 处，重视点 2 处会调用 binder_wakeup_thread_ilocked 唤醒咱们刚才获得的目标线程：

//唤醒接收端
static void binder_wakeup_thread_ilocked(struct binder_proc *proc,
					 struct binder_thread *thread,
					 bool sync)
{
	assert_spin_locked(&proc->inner_lock);
	if (thread) {
		if (sync) //走这
			//唤醒目标
			wake_up_interruptible_sync(&thread->wait);
		else
			wake_up_interruptible(&thread->wait);
		return;
	}
	binder_wakeup_poll_threads_ilocked(proc, sync);
}

服务端作业线程不够的情形

服务端在读数据完成后，会去检测线程相关变量，判断处没有线程可用后

static int binder_thread_read(struct binder_proc *proc,
			      struct binder_thread *thread,
			      binder_uintptr_t binder_buffer, size_t size,
			      binder_size_t *consumed, int non_block)
{
   //......
   if (non_block) {
		if (!binder_has_work(thread, wait_for_proc_work))
			ret = -EAGAIN;
	} else { // 走这儿进入休眠
		ret = binder_wait_for_work(thread, wait_for_proc_work);
	}
    //......
    //被唤醒后，处理数据
    while (1) {
        //当&thread->todo和&proc->todo都为空时，goto到retry标志处，不然往下履行：
        struct binder_transaction_data tr;
        struct binder_transaction *t = NULL;
        switch (w->type) {
          case BINDER_WORK_TRANSACTION: ...
          case BINDER_WORK_TRANSACTION_COMPLETE: ...
          case BINDER_WORK_NODE: ...
          case BINDER_WORK_DEAD_BINDER: ...
          case BINDER_WORK_DEAD_BINDER_AND_CLEAR: ...
          case BINDER_WORK_CLEAR_DEATH_NOTIFICATION: ...
        }
        ...
    }
done:
	*consumed = ptr - buffer;
	binder_inner_proc_lock(proc);
    /* 满意以下几个条件
     * 1. 恳求线程数等于 0
     * 2. 已准备好线程数等于 0
     * 3. 已发动线程数小于最大线程数(15)
     * 4. looper 状态为已注册或已进入时创立新的线程
     * 满意这几个条件就会经过 put_user 函数传递 BR_SPAWN_LOOPER 指令给应用层
     */
	if (proc->requested_threads == 0 &&
	    list_empty(&thread->proc->waiting_threads) &&
	    proc->requested_threads_started < proc->max_threads &&
	    (thread->looper & (BINDER_LOOPER_STATE_REGISTERED |
	     BINDER_LOOPER_STATE_ENTERED)) /* the user-space code fails to */
	     /*spawn a new thread if we leave this out */) {
		proc->requested_threads++;
		binder_inner_proc_unlock(proc);
		binder_debug(BINDER_DEBUG_THREADS,
			     "%d:%d BR_SPAWN_LOOPER\n",
			     proc->pid, thread->pid);
        //传递 BR_SPAWN_LOOPER 指令给应用层
		if (put_user(BR_SPAWN_LOOPER, (uint32_t __user *)buffer))
			return -EFAULT;
		binder_stat_br(proc, thread, BR_SPAWN_LOOPER);
	} else
		binder_inner_proc_unlock(proc);
	return 0;
}

接下来咱们来看看应用层的响应：

status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd)
{
    BBinder* obj;
    RefBase::weakref_type* refs;
    status_t result = NO_ERROR;
    switch ((uint32_t)cmd) {
    //......
    case BR_SPAWN_LOOPER: // 应用层进一步响应 spawnPooledThread   
        mProcess->spawnPooledThread(false);
        break;
    //......
    if (result != NO_ERROR) {
        mLastError = result;
    }
    return result;
}
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{   
    //发动新的应用层线程 PoolThread
    if (mThreadPoolStarted) {
        String8 name = makeBinderThreadName();
        ALOGV("Spawning new pooled thread, name=%s\n", name.string());
        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
        t->run(name.string());
    }
}

Java 层 Binder 线程的发动

在 Android 中，当咱们发动一个 Java 进程时，会发动 Binder 线程，接下来咱们来看看 Binder 线程是如何发动的，Java 层进程的创立都是经过 Process.start() 方法，向 Zygote 进程宣布创立进程的 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，终究会调用到 app_main.cpp 中的onZygoteInit：

virtual void onZygoteInit()
{
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    ALOGV("App process: starting thread pool.\n");
    proc->startThreadPool();
}

能够看出 Java 层发动的 Binder 线程实践是一个 startThreadPool 发动的 native 层线程，发动进程在上文已做分析，这儿就不再重复了。

参考资料

进程的Binder线程池作业进程
图解 Binder：线程池
Binder系列2—Binder Driver再探

关于

我叫阿豪，2015 年本科结业于国防科学技术大学指挥信息系统专业，结业后从事信息化配备的研制作业，首要研讨方向是 Android Framework 与 Linux Kernel。

如果你对 Android Framework 感兴趣或者正在学习 Android Framework，能够重视我的微信大众号和抖音，我会继续共享我的学习经验，帮助正在学习的你少走一些弯路。学习进程中如果你有疑问或者你的经验想要共享给我们能够增加我的微信，我拉你进技术交流群。

Binder 多线程情景分析

binder_thread 的创立

waiting_threads 管理休眠中的线程

服务端作业线程不够的情形

Java 层 Binder 线程的发动

参考资料

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