请教Linux中内核模块（ko）开源和闭源的问题

比如Intel开源的图形界面驱动位于内核的：

/lib/modules/`uname -r`/kernel/drivers/gpu/drm/i915/i915.ko

Nvidia的闭源驱动则以 DKMS 动态内核模块放置在 ：

/lib/modules/`uname -r`/updates/dkms/

Dynamic Kernel Module Support Framework

DKMS is a framework designed to allow individual kernel modules to be upgraded without changing the whole kernel. It is also very easy to rebuild modules as you upgrade kernels.

动态内核模块DKMS的用途包括:

在不影响现有内核的情况下,安装新的模块到现有系统上,比如Nvidia和AMD的闭源驱动程序.

当你更新内核时,将非常容易重建模块,比如VirtualBox在Linux上的虚拟化驱动.

正如上一章所说, 跨进程通信是需要内核空间做支持的. 传统的 IPC 机制如 管道, Socket, 都是内核的一部分, 因此通过内核支持来实现进程间通信自然是没问题的.

但是 Binder 并不是 Linux 系统内核的一部分, 那怎么办呢, 这得益于 Linux 的动态内核可加载模块 (Loadable Kernel Module, LKM)的机制

这样 Android 系统就可以通过动态添加一个内核模块运行在内核空间, 用户进程进程之间通过这个内核模块作为桥梁来实现通信.

那么在 Android 系统中用户进程之间是如何通过这个内核模块 (Binder Driver)来实现通信的呢? 显然不是和上一章的传统 IPC 通信一样,进行两次 copy 了, 不然Binder 也不有在性能方面的优势了.

Binder IPC 机制中设计到的内存映射通过 mmap() 来实现, mmap() 是 *** 作系统中一种内存映射的方法.

内存映射能减少数据 copy 的次数, 实现用户空间和内核空间的高效互动. 两个空间各自的修改也能直接反应在映射的内存区域, 从而被对方空间及时感知. 也正因为如此, 内存映射能够提供对进程间通信的支持.

Binder IPC 正是基于内存映射( mmap() ) 来实现的, 但是 mmap() 通常是用在有物理介质的文件系统上的.

比如进程中的用户区域是不能直接和物理设备打交道的, 如果想要把磁盘上的数据读取到进程的用户区域, 需要两次 copy (磁盘 ->内核空间 ->用户空间). 通常在这种场景下 mmap() 就能发挥作用, 通过在物理介质和用户空间之间建立映射, 减少数据的 copy 次数, 用内存读写代替 I/O 读写, 提高文件读取效率.

而 Binder 并不存在物理介质, 因此 Binder 驱动使用 mmap() 并不是为了在物理介质和用户空间之间映射, 而是用来在内核空间创建数据接收的缓存空间.

一次完整的 Binder IPC 通信过程通常是这样:

这样就完成了一次进程间通信

如下图:

介绍完 Binder IPC 的底层通信原理, 接下来我们看看实现层面是如何设计的

一次完成的进程间通信必然至少包含两个进程, 通常我们称通信的双方分别为客户端进程(Client) 和服务端进程(Server), 由于进程隔离机制的存在, 通信双方必然需要借助 Binder 来实现.

BInder 是基于 C/S 架构. 是由一些列组件组成. 包括 Client, Server, ServiceManager, Binder 驱动.

Binder 驱动就如如同路由器一样, 是整个通信的核心. 驱动负责进程之间 Binder 通信的建立 / 传递, Binder 引用计数管理, 数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持.

ServiceManager 作用是将字符形式的 Binder 名字转化成 Client 中对该 Binder 的引用, 使得 Client 能够通过 Binder 的名字获得对 Binder 实体的引用.

注册了名字的 Binder 叫实名 Binder, 就像网站一样除了 IP 地址以外还有自己的网址.

Server 创建了 Binder, 并为它起一个字符形式, 可读易记的名字, 将这个 BInder 实体连同名字一起以数据包的形式通过 Binder 驱动 发送给 ServiceManager, 通知 ServiceManager 注册一个名字为 "张三"的 Binder, 它位于某个 Server 中, 驱动为这个穿越进程边界的 BInder 创建位于内核中的实体节点以及 ServiceManager 对实体的引用, 将名字以及新建的引用打包传给 ServiceManager, ServiceManager 收到数据后从中取出名字和引用填入查找表.

ServiceManager 是一个进程, Server 又是一个另外的进程, Server 向 ServiceManager 中注册 BInder 必然涉及到进程间通信. 当实现进程间通信又要用到进程间通信, 这就好像蛋可以孵出鸡的前提确实要先找只鸡下蛋! Binder 的实现比较巧妙, 就是预先创造一只鸡来下蛋. ServiceManager 和其他进程同样采用 Binder 通信, ServiceManager 是 Server 端, 有自己的 Binder 实体, 其他进程都是 Client, 需要通过这个 Binder 的引用来实现 Binder 的注册, 查询和获取. ServiceManager 提供的 Binder 比较特殊, 它没有名字也不需要注册. 当一个进程使用 BINDERSETCONTEXT_MGR 命令将自己注册成 ServiceManager 时 Binder 驱动会自动为它创建 Binder 实体(这就是那只预先造好的那只鸡). 其实这个 Binder 实体的引用在所有 Client 中都固定为 0 , 而无需通过其他手段获得. 也就是说, 一个 Server 想要向 ServiceManager 注册自己的 Binder 就必须通过这个 0 号引用和 ServiceManager 的 Binder 通信. 这里说的 Client 是相对于 ServiceManager 而言的, 一个进程或者应用程序可能是提供服务的 Server, 但是对于 ServiceManager 来说它仍然是个 Client.

Server 向 ServiceManager 中注册了 Binder 以后, Client 就能通过名字获得 Binder 的引用. Client 也利用保留的 0 号引用向 ServiceManager 请求访问某个 Binder. 比如,Client 申请访问名字叫"张三"的 Binder 引用. ServiceManager 收到这个请求后从请求数据包中取出 Binder 名称, 在查找表里找到对应的条目, 取出对应的 Binder 引用, 作为回复发送给发起请求的 Client. 从面相对象的角度看, Server 中的 Binder 实体现在有两个引用: 一个位于 ServiceManager 中, 一个位于发起请求的 Client 中. 如果后面会有更多的 Client 请求该 Binder, 系统中就会有更多的引用指向这个 Binder, 就像 Java 中一个对象有多个引用一样.

我们已经解释清楚 Client, Server 借助 Binder 驱动完成跨进程通信的实现机制了, 但是还有个问题需要弄清楚, 比如 A 进程想要 B 进程中的某个对象(object) 是如何实现的呢, 毕竟它们属于不同的进程, A 进程没办法直接使用 B 进程中的 object.

前面我们说过跨进程通信的过程都有 Binder 驱动的参与, 因此在数据流经 Binder 驱动的时候 Binder 驱动会对数据做一层转换.

我们在 Client端，向 ServiceManager 获取具体的 Server 端的 Binder 引用的时候，会首先进过 Binder 驱动，Binder 驱动它并不会把真正的 Server 的 Binder 引用返回给 Client 端，而是返回一个代理的 java 对象，该对象具有跟 Server 端的 Binder 引用相同的方法签名，这个对象为 ProxyObject，他具有跟 Server 的 Binder 实例一样的方法，只是这些方法并没有 Server 端的能力，这些方法只需要把请求参数交给 Binder 驱动即可. 对于 Client 端来说和直接调用 Server 中的方法是一样的.

了解了上面之后, 我们大致可以推算出 Binder 的通信过程

1. 注册 ServiceManager

2. 注册 Server

3. Client 获取 Server 的 Binder 引用

4. Client 与 Server 通信

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