Android Camera Subsystem 架构(Binder机制)及显示分析(2)

但是要问,这样一种组织如何将binder引入其中呢,这么多接口又是如何组织的?

首先,如果是我们自己一旦确定使用C/S架构。那么我们肯定会至少定义两个类,一个是Client类,一个是Server类。哪如何实现Client与Server之间的交互呢,或者通信呢?不用问肯定想到了网络通信Socket。因为很多时候大家只要提到Client和Server,第一本能好像就会联想到网络通信Socket,其实这个本能害人不小,让你失去了很多了解真相的机会。我们学过最基本的IPC能叫得上名字的至少有6种,其中socket只是其中的一种,也可以说socket是网络环境下最常用的一种通信方式。如果你了解linux内核,你就会知道socket的用处绝不仅限于此。说到底双方只要达到对消息结构的一致解释,就可以实现通信,完成相应的功能需求。那如果我告诉你,Client端和Server端运行在同一台机器上,使用同一根内存条。我们是不是又本能的想到了共享内存呢,这会你怎么没想到socket呢?我们能不能使用本地socket呢?其实Android中很多系统服务就是利用的本地socket来实现进程通信,通过在init的时候创建,然后在模块启动之后直接引用,因为socket无非就对应着本地文件么,创建了之后就放在那里。例如vold中就充分利用了socket。当然本地Socket、共享内存只是我们众多备选方案中最常用的两种。每次谈到IPC,很多人都觉得很难懂。其实很多时候是我们自己理解复杂了,将能用鼠标点到和眼睛看到的东西掉入了内存,就觉得摸不到了,结果给自己设置了一些障碍。举个例子,不考虑时间,最通俗的方法,你在随手建的文件夹test中写一个带main函数的程序,通过该程序在当前目录下创建并写了一个文件;随后你又在同一个目录下又创建了另一个带main函数的程序,执行该程序去访问先前程序创建的文件,你对文件又做了修改。这样两个进程实际上就实现了通信,你觉得这很容易理解,因为你将自己的思维定格在了这个test文件夹中,你能不能更深更远的拓展一下这种思维呢。而为让这种通信得到有效的保证,随后我们又提出同步,锁机制等等。

言归正传,一个进程和另一个进程要交换数据,或者要协同工作,抽象到程序上来说就是类与类之间的引用关系,函数之间的调用关系。我自己将其分为两类,一种是采用依赖调用的方式,另一种是消息机制。我在这里要说的意思是,通信双方要不要为对方提供完整的调用接口。如果我是采用依赖调用,我得知道我能调用你那些方法,这样就必须为调用者提供完整的调用接口;如果采用消息解析,我得知道我能发送那些消息或者命令,至于你能对这些命令做出符合协议规定的动作那是你的事,我只需要结果,那至少要维护一个命令接收和命令处理的状态机。两者的实质是一样,其实依赖调用按照面向对象来说也是一种消息机制。如果是依赖调用,那我们就必须提供一定的权限和完整的结构供对方调用。最基本的:如果是C函数,那你就不能把供别人调用的方法在实现文件中定义为static;如果是C++,那你就不能把它定义为private,protected(protected其实还说的过去,至少自己人可以访问)。如果是消息,我们得看看你响应的命令集或消息结构。

我第一次拿到Camera Subsystem的时候,就被从网上看到的这句话给蒙住了“ICamera/ICameraClient/ICameraServices三个类是按照Binder IPC要求的框架实现的”。我要问,到底是按什么框架要求实现的?我知道它的Client端和Service端用了Binder通信机制,但我一直捉摸不透,这个框架它为什么要求定义那么多接口,还有那么多所谓的Proxy Class和Native Class,还相互继承来继承去的。后来我总算明白了一点,他们是用了一些设计模式才会弄得这么复杂,给自己看不懂找点借口。后来我对自己产生怀疑,我问自己仅仅是设计模式的原因吗,你真的懂细节吗?我发现我还一时回答不了这个问题,我觉得还是我没搞清楚这些结构定义的目的和他们之间的调用关系。

回到Android的Binder。至少在Camera Subsystem中来看Binder通信。用我自己的理解,Binder通信机制正好是结合了依赖调用和消息机制。ICamera、ICameraClient、ICameraService为Camera Client端和Camera Service端之间的交互提供了完备的接口,这样实现了他们之间的相互调用,而隐含在这些接口下面的却是一块共享内存,这块共享内从由上层的ProcessState和IPCThreadState和内核的Binder Driver来管理。而Binder中的transact和OnTransact方法就分别对应着命令接收器和命令处理器。

再看Camera Subsystem。首先,如果不考虑Camera HAL层,在Camera Subsystem Native层存在三个主要对象:一个是充当Camera Client的Camera类;一个是充当Camera Server的CameraService类;还有另一个无名英雄类CameraService::Client类,说它是无名英雄,一点都不过分,它几乎干了CameraService的所有事情,也可以认为CameraService是个高明的管理者,它善于放权,把一切都交给CameraService::Client类来处理。如果是我,我肯定不会设计出CameraService::Client这个类来,我肯定是CameraService包揽一起,因为我还不懂得功能细化,最主要的原因是我还没有足够的经验和能力设计出它。首先站在Client的角度,要完成两件事,

一是与Server端建立连接,我自己都克制不住socket的思想又冒出来了,其实很简单,我们只要new 一个Client对象,把这个对象赋值给Server端内部维护的Client指针,同时在new一个Server对象,赋值给Client端内部的Server指针,只要双方能够彼此引用,那么连接就已经建立起来了;

二是通过各自内部保存的对方的句柄,调用相应的功能,完成请求和响应。而从Server端角度来说,一是我要响应Client端的请求,包括连接请求和功能请求,二是我必须维护对Client的管理,因为我这里可能并不是只针对一个Client。

考虑到Server端还要与HAL打交道,对Client端的请求做出响应。问题越来越清晰,Server端的功能可以明确的划分为两部分,一部分是专门实施对Client的管理,而另一部分则是完成Client的请求并作出响应。但是这种划分对Client来说是透明的,它看到的只有CameraService,在Client看来,他的所有请求都由CameraService完成。当然CameraService在公关场合,也体现出了这种能力,而在内部做了合理布局,这样CameraService就很自然的设计出了CameraService::Client类,帮助CameraService更好的为Client服务,同时CameraService::Client类的对象也正好与每一个Client相对应,CameraService只要维护本地CameraService::Client的对象,就能实现对Client的管理。

在这样一个基本框架形成之后,我们需要考虑细节,现在系统中存在Camera(CameraClient)、CameraService、CameraService::Client三个实体。而对于这三个实体,我们有了调用接口之后,我们还需要命令处理来完善他们之间的通信。我们首先想到的是:我们需要一个命令接收器、一个命令缓冲器(命令队列)和一个命令处理器。再看Binder,binder本质是共享内存,它告诉我们只需要一个命令接收器和命令处理器,而命令队列由Binder的驱动来完成。既然确定了必须要有一个命令接收器,和一个命令处理器,那从功能划分的思想来看,命令接收器肯定是要提供给调用者,这样调用者才能将命令投递到我们的接收器中,所以命令接收器必须是一个为对端开放的接口,而对端并不需要知道我们去如何处理这些命令,那么我们的命令处理器对对端来说应该是隐藏的。

通过分析,在我得到了上面这些信息之后,首先我会立马想到一个solution,我首先会定义一个抽象类叫BinderInterface, 然后里面至少有两个方法,就是transact和onTransact;然后定义transact为一个public的纯虚函数,定义onTransact为一个protected的纯虚函数。然后我们在BinderInterface的派生类中去分别实现这两个方法。其实按我自己的想法,觉得这样没有错。

到这里,还是回去看看binder的源码,看看实际系统是如何实现的,binder本地层源码给出了三个类:IBinder、BpBinder、BBinder(叫BnBinder更好)。其中IBinder相当于是我上面提到的BinderInterface类,但是按照我上面的想法,IBinder类中应该有transact和onTransact方法啊,可是找了半天,却只发现一个transact方法,但是transact方法确实是public权限,我有点疑惑,算了我还是看看BpBinder和BBinder类的定义吧。

class BpBinder : public IBinder

class BBinder : public IBinder

 

原来BpBinder和BBinder都继承与IBinder,我继续往下看了看BpBinder和BBinder的函数结构,发现BpBinder和BBinder对IBinder中的纯虚方法都进行了申明,而且也是virtual函数,如果你思维够敏锐,对面向对象理解深刻,那基本可以猜到BpBinder和BBinder的作用了,那就是如果不出差错,利用他们基本可以构造出Binder的架构。即便如此,我没有断然做出定论,而是继续观察这两个类,因为我还有一桩心事未了,那就是还没看到onTransact方法,如果看不到onTransact,那我之前的推理至少是不合理的。突然眼前豁然开朗,在BBinder类中找到了onTransact,这时候就要问自己了,为什么Binder模块会将onTransact方法放在BBinder中,而没有将其一开始就放在IBinder中呢,我思考了一下,尽量使自己能理解这种设计的初衷。我想了想,难道?不错,就是设计模式,结合类的命名和我浅显的设计模式知识,这就是代理模式。IBinder既然作为一种接口,而接口的目的是供调用者使用的,那么onTransact作为一个内部方法,就不应该展现给调用者,所以在最高层的抽象中,并不会出现onTransact方法,而是在抽象层的下层利用设计模式,将这种职权进行划分,设计出一个Proxy类和Native类,将Proxy类呈献给调用者,而对调用者隐藏Native类,所以我们会在Proxy类中真正实现ontrasact方法,而在Native类中实现onTransact方法。这样我们上面设计的不合理性就会暴露出来。

在回到CameraSubsystem中,如果我们要实现Camera(CameraClient)、CameraService、CameraService::Client三个实体之间的Binder通信,那在每一个端,我们都必须去继承于BpBinder和BBinder类,来构造这种所谓的Proxy端和Native端。所以每个模块至少要有对应的两个类一个BpCamera***类,和一个BnCamera***类,在BpCamera***类中实现transact方法,在BnCamera***类中实现onTransact方法,最终达到各实体之间的数据交换。

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