Android 中的多进程通信机制

发布日期: 2019-02-28

文章字数: 4.8k

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Android IPC 简介

IPC是 Inter-Process Communication 的缩写，含义就是进程间通信或者跨进程通信，是指两个进程之间进行数据交换的过程。

那么什么是进程，什么是线程，在操作系统中，进程和线程是两个截然不同的概念。
线程：CPU 调度的最小单元，同时线程是一种有限的系统资源。
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。

一个进程可以包含多个线程，因此进程和线程是包含被包含的关系，最简单情况下，一个进程可以只有一个线程，即主线程，在 Android 里面也叫 UI 线程，在 UI 线程里才能操作界面元素。

IPC 不是 Android 中所独有的，任何一个操作系统都需要相应的 IPC 机制，比如 Windows 上可以通过剪贴板等来进行进程间通信。Android 是一种基于 Linux 内核的移动操作系统，它的进程间通信方式并不是完全继承自 Linux，它有自己最有特色的进程间通信方式 Binder。

在 Android 中，一个应用程序就是一个独立的进程(应用运行在一个独立的环境中，可以避免其他应用程序/进程的干扰)。一般来说，当我们启动一个应用程序时，系统会创建一个进程(在 Android 系统中，所有的应用程序进程以及系统服务进程 SystemServer 都是由 Zygote 进程孕育 fork 出来的，并且每个进程都会有独立的 ID)，并为这个进程创建一个主线程(UI 线程)，然后就可以运行应用程序了，应用程序的组件默认都是运行在它的进程中。

Android 多进程的优缺点

多进程的优点

减少主进程所占用的内存，降低应用被系统杀死的概率；
不会影响到主业务的代码的稳定运行，降低应用程序的崩溃率；
有独立的生命周期，可以完全不依赖用户对应用的使用，可以独立启动、退出。

多进程的缺点

Application 会多次创建，多进程模式中，不同进程的组件拥有相互独立的虚拟机、内存空间、Application；
单例模式、静态变量完全失效，不同进程的内存空间相互独立，故不同的进程中，会有不同的实例，在一个进程中修改静态变量，在另外一个进程中失效；
线程同步机制完全失效，因为空间独立，不管是锁对象还是锁全局类都无法保证线程同步，因为进程不同，锁住的对象不是同一个；
SharePreference 的可靠性下降，SharePreference 底层是对 XML 文件操作，不支持两个进程同时去执行写操作，因为它没有实现并发修改的机制，不能保证数据的安全性、准确性。

Android 多进程的实现

正常情况下，一个应用程序启动后只会运行在一个进程中，其进程名为应用程序的包名，所有的基本组件都会在这个进程中运行。但是如果需要将某些组件(如 Service、Activity 等)运行在单独的进程中，可以通过在 AndroidManifest.xml 中声明组件时，用 android:process 属性来指定其所运行的进程。

Android 中 android:process 的使用分为以下两种情况：

以 : 命名开头的进程(如 android:process=”:remote”)：将运行在默认包名:remote 进程中，属于当前应用的私有进程，不允许其他APP的组件来访问。
以小写字母开头完整命名的进程(如 android:process=”package:remote”)：将运行在 package:remote 进程中，属于全局进程，其他具有相同 shareUID 与签名的 APP 可以跑在这个进程中。

AndroidMantifest.xml 中的 activity、service、receiver 和 provider 元素均支持 android:process 属性；application 元素也支持 android:process 属性，可以修改应用程序的默认进程名(默认值为包名)。

Android IPC 基础概念

序列化

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。

Serializable 接口

Serializable是 Java 提供的一个序列化接口，它是一个空接口，为对象提供标准的序列化和反序列化操作。使用 Serializable 来实现序列化相当简单，手动设置/系统自动生成 serialVersionUID。用法如下：

public class User implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 6429127138009130173L;

    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

}

Parcelable 接口

Parcelable是 Android 提供的序列化方式，Parcel 内部包装了可序列化的数据，可以在 Binder 中自由传输，在序列化过程中需要实现的功能有序列化、反序列化和内容描述序列化功能有 writeToParcel() 方法来完成，最终是通过 Parcel 中的一系列 writeXXX() 方法来完成的。用法如下：

public class User implements Parcelable {

    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int describeContents() {
        return 0;
    }

    @Override
    public void writeToParcel(Parcel dest, int flags) {
        dest.writeString(this.name);
        dest.writeInt(this.age);
    }

    public User() {
    }

    private User(Parcel in) {
        this.name = in.readString();
        this.age = in.readInt();
    }

    public static final Parcelable.Creator<User> CREATOR = new Parcelable.Creator<User>() {
        @Override
        public User createFromParcel(Parcel source) {
            return new User(source);
        }

        @Override
        public User[] newArray(int size) {
            return new User[size];
        }
    };

}

Serializable 和 Parcelable 接口的比较：

	Serializable	Parcelable
平台	Java	Andorid
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
优点	使用简单	高效
缺点	缺点：开销大（需要进行大量的 I/O 操作）	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

Binder

Binder 是什么？

从 API 角度，android.os.Binder 是 Android 中的一个类，它实现了 android.os.IBinder 接口。
从 IPC 角度来说，Binder 是 Android 中的一种跨进程通信方式，Binder 还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是 /dev/binder，该通信方式在 Linux 中没有。
从 Framework 角度来说，Binder 是 ServiceManager 连接各种 Manager(ActivityManager、WindowManager等等)和相应 ManagerService 的桥梁。
从应用层来说，Binder 是客户端和服务端进行通信的媒介，当 bindService 的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的 Binder 对象，通过 Binder 对象，客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据，这里的服务包括普通服务和基于 AIDL 的服务。

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，其优点有以下几点:

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。
实现 C/S 架构方便：Linux 的 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。
安全性高：传统 Linux 的 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。

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。

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。

Android 中的 IPC 方式

Android 实现跨进程通信的方式有很多，比如通过 Intent 来传递 Bundle 数据、共享文件、基于 Binder 的 Messenger 和 AIDL 以及 Socket 等。

通过 Bundle 传递数据

通过 Bundle 传递数据是最常用的一种进程间通信方式，Android 四大组件中三大组件(Activity、Service、Receiver)都是支持在 Intent 中传递 Bundle 数据的，由于 Bundle 实现了 Parcelable 接口，所以它可以方便地在不同的进程间传输。

Bundle 支持传递的数据类型包括基本数据类型、String、CharSequence 以及实现了 Serializable 或 Parcellable 接口的数据结构，Bundle 不支持的数据类型无法在进程中被传递。

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；
Intent 使用比较简单，Bundle 使用比较复杂；
Intent 旨在数据传递，Bundle 旨在存取数据。

文件共享

共享文件也是一种常用的的进程间通信方式，两个进程间通过读/写同一个文件来交换数据，比如一个进程把数据写入文件，另一个进程通过读取这个文件来获取数据。

共享文件适用于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。

SharedPreferences 也是文件存储的一种，但不建议用作进程间通信。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。

Linux 机制下，可以对文件并发写，所以要注意同步；Windows 下不支持并发读或写。

AIDL

AIDL(Android Interface Definition Language，Android接口定义语言)是远程服务跨进程通信的一种方式。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。

AIDL 支持的数据类型如下：

基本数据类型
String 和 CharSequence
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。

AIDL 本质是系统提供了一套可快速实现 Binder 的工具，关键的类和方法是：

AIDL 接口：继承 android.os.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() 方法：客户端调用，将服务端的返回的 Binder 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)，转换成客户端所需要的 AIDL 接口类型对象。
asBinder() 方法：返回代理 Proxy 的 Binder 对象。
onTransact() 方法：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() 方法：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() 方法直到远程请求返回，当前线程才继续执行。

AIDL 的实现方法如下：

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。
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。

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。

Messenger

Messenger可以翻译为信使，顾名思义，通过它可以在不同进程中传递 Message 对象，在 Message 中放入我们需要传递的数据，就可以轻松地实现数据的进程间传递。Messenger 是一种轻量级的 IPC 方案，它是基于 AIDL 实现的。

Messenger 的特点如下：

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。

Messenger 的实现方法如下：

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。
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)。

Messenger 的缺点如下：

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。

ContentProvider

ContentProvider是 Android 中提供的专门用于不同应用间进行数据共享的方式，它的底层实现同样也是 Binder，主要用来为其他应用提供数据，可以说天生就是为进程间通信而生的。

实现一个 ContentProvider 需要实现6个方法，其中 onCreate() 方法是主线程中回调的，其他的 query()、update()、insert()、delete() 和 getType() 都运行在 Binder 线程池中。
自定义的 ContentProvider 注册时要提供 authorities 属性，应用需要访问的时候将属性包装成 Uri.parse("content://authorities")。
还可以设置 permission、readPermission、writePermission 来设置权限。
ContentProvider 有 query()、delete()、insert()、update() 等方法，看起来像是是一个数据库管理类，但其实可以用文件、内存数据等等一切来充当数据源，query() 方法返回的是一个 Cursor 对象，可以自定义继承 AbstractCursor 的类来实现。

Socket

Socket不仅可以跨进程，还可以跨设备通信。

Socket 也称为套接字，是网络通信中的概念，它分为流套接字和数据流套接字两种：

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。

Socket 的实现方法如下：

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。
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。

需要注意的是：Android 不允许在主线程中请求网络，而且请求网络必须要注意声明相应的 permission。然后，在服务器中定义 ServerSocket 来监听端口，客户端使用 Socket 来请求端口，连通后就可以进行通信。

IPC 方式的优缺点和适用场景

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	四大组件间的进程通信
文件共享	简单易用	不适合高并发的情况，并且无法做到进程间的即时通讯	无并发访问情况下，交换简单的数据实时性不高的情况
AIDL	功能强大，支持一对多并发通信，支持实时通讯	需要处理好线程同步	一对多通信且有 RPC 需求
Messager	支持一对多串行通信，支持实时通讯	不能很好处理高并发情况，不支持 RPC，数据通过 Message 进行传输，因此只能传输 Bundle 支持的数据类型	低并发的一对多即时通信，无 RPC 需求，或者无需返回结果的 RPC 需求
ContentProvider	在数据源访问方面功能强大，支持一对多并发数据共享	主要提供数据源的 Crud	一对多的进程间数据共享
Socket	功能强大，可以通过网络传输字节流，支持一对多并发实时通讯	实现细节有点繁琐，不支持直接的 RPC	网络数据交换