Android IPC机制

1. IPC基础概念——多进程

IPC是Inter Process Communication的缩写，意为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。

1.1 Android中的多进程

在了解Android多进程之前，得先了解什么是进程？

按照操作系统的描述，线程是CPU调度的最小单元，而进程一般指一个执行单元，在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。

1.2 Android开启多进程模式

在Android中要开启多进程模式，只要给四大组件指定 android:process 属性。
是不是很简单的就开启了多进程，其实远没有那么简单，这只是挖坑的开始，先看一下开启多进程的实例操作：

        <activity android:name=".MainActivity">
            <intent-filter>
                <action android:name="android.intent.action.MAIN" />

                <category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" />
            </intent-filter>
        </activity>
        // 注意进程以:开头
        <activity android:name=".SecondActivity" 
            android:process=":remote"/>

        <activity android:name=".ThirdActivity"
            android:process="com.czj.ipcdemo.remote2"/>

在终端输入adb shell ps | com.czj.ipcdemo查看一个包名中当前应用所存在的进程信息。
会发现一共存在3个进程。
此处划重点：

以:开头的属于当前应用私有进程，其它应用的组件不可以和它跑在同一个进程；
进程名不以:开头的，属于全局进程，其它应用通过shareUID方式可以和它跑在同一个进程中。

App进程.png

1.3 多进程造成的问题

静态成员和单例模式失效
线程同步机制失效
SharedPreferences的可靠性降低
Application会创建多次

Android虚拟机分配规则
Android会为每一个进程都分配一个独立的虚拟机，不同的虚拟机在内存分配上有不同的地址看空间，这就导致在不同的虚拟机（进程）中访问同一个对象会产生多份副本。所以，在多进程环境中，想要依靠内存来共享数据，是不会达到你预期的结果的。

现在来分析一下上述列出的问题：
第1个问题和第2个问题都是因为不同进程的虚拟机是独立的，不同虚拟机内存地址当然就是不一样的，既然不是同一块内存地址，锁对象或者锁类也达不到线程同步。
第3个问题，SharedPreferences不支持两个进程同时做写操作。
第4个问题，一个组件跑在新的进程中，系统要为其分配独立的虚拟机，也就相当于重新启动一个应用。

在进行跨进程通信之前，还得了解Android的序列化（Serializable 和 Parcelable）以及Binder的概念。

2. IPC基础概念——序列化

关于Android序列化，附个传送门：Android序列化基础知识

3. IPC基础概念——Binder

从各个角度看Binder:
IPC：Binder是Android中的跨进程通信方式。
Android Framework：BInder是ServiceManger连接各种Manager和响应MangerService的桥梁。
Android应用层：Binder是客户端和服务端进行通信的媒介。

Binder主要用在Service中，包括AIDL和Messenger(底层是AIDL)，普通的Service中的Binder不涉及进程间通信。后面主要对AIDL的使用，进行分析，一个AIDL过程，即是一个RPC的过程。
后面第四部分会对AIDL的使用进行实例分析。

4. Android实现IPC的几种方式

Bundle
文件共享
Messenger
AIDL
ContentProvider
Socket

4.1 Bundle

Android中的Activity、Service、Receiver都支持使用Intent来传递Bundle数据，Bundle实现了Parcelable接口，所以能够使用Bundle来实现数据的进程间传输。
需要注意的一点是，传输的对象必须能够被序列化（基本类型、Parcelable、Serializable）

4.2 文件共享

两个进程对同一个文件进行读和写，来实现进程间的通信。实现无非就是文件IO操作，实例此处略过。
但是，这里说的文件共享不包括SharedPreferences。
虽然SharedPreferences是XML文件，但是系统会对它的读写有缓存策略，就是说再内存中会有一份SharedPreferences缓存，但是多进程是分配在独立的虚拟机上的，所以SharedPreferences数据在多进程是不可靠的。

4.3 Messenger

Messenger是一种轻量级的IPC方案，它的底层实现是AIDL。

服务端进程：

public class MessengerService extends Service {

    private static final String TAG = "MessengerService";

    private Messenger mMessenger = new Messenger(new MessengerHandler());

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mMessenger.getBinder();
    }

    private static class MessengerHandler extends Handler {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case Constants.MSG_CLIENT:
                    // 收到客户端消息
                    Log.e(TAG, "收到客户端进程消息：" + msg.getData().getString("msg"));
                    // 回复客户端消息
                    Messenger client = msg.replyTo;
                    Message replyMessage = Message.obtain(null, Constants.MSG_SERVER);
                    Bundle bundle = new Bundle();
                    bundle.putString("reply", "来自Service的回复");
                    replyMessage.setData(bundle);
                    try {
                        client.send(replyMessage);
                    } catch (RemoteException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                default:
                    super.handleMessage(msg);
            }
        }
    }
}

创建一个Service来处理客户端的连接请求，同时创建一个Handler内部类来处理消息，并用来实例化Messenger对象。最后在onBind返回Messenger对象的Binder。日志打印如下：

10-24 14:08:47.542 31636-31636/com.czj.ipcdemo:remote3 E/MessengerService: 收到客户端进程消息：client msg

客户端进程：

public class MessengerActivity extends AppCompatActivity {

    private static final String TAG = "MessengerActivity";

    private Messenger mService;

    private Messenger mMessenger = new Messenger(new MessengerHandler());

    private ServiceConnection mConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            mService = new Messenger(service);
            Message msg = Message.obtain(null, Constants.MSG_CLIENT);
            Bundle bundle = new Bundle();
            bundle.putString("msg", "client msg");
            msg.setData(bundle);
            // 将客户端的 Messenger 传递给服务端
            msg.replyTo = mMessenger;
            try {
                mService.send(msg);
            } catch (RemoteException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {

        }
    };

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_messenger);
        Intent intent = new Intent(this, MessengerService.class);
        bindService(intent, mConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        unbindService(mConnection);
        super.onDestroy();
    }

    private static class MessengerHandler extends Handler {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case Constants.MSG_SERVER:
                    Log.e(TAG, "收到服务端回信：" + msg.getData().get("reply"));
                    break;
                default:
                    super.handleMessage(msg);
            }
        }
    }
}

客户端进程，首先要绑定服务端的Service，然后用服务端给的IBinder去创建Messenger来与服务端进行通信。
如果需要服务端能够回复客户端，则客户端要定义个Messenger，然后赋值给Message.replyTo传递给服务端。
日志打印如下：

10-24 14:08:47.548 31568-31568/com.czj.ipcdemo E/MessengerActivity: 收到服务端回信：来自Service的回复

使用Messenger进行进程间的通信，使用方法简单，但它也有些局限性。

Messenger是以串行的方式处理客户端消息，服务端只能一个个处理，不适合有大量并发请求的情况
Messenger的主要作用是传递消息，无法跨进程调用服务端的方法（也是RPC过程）

4.4 AIDL

AIDL(Android Interface Definition Language，Android接口定义语言)：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。

4.4.1 AIDL文件定义

1. AIDL接口创建
AIDL接口就是暴露给客户端调用的方法，此AIDL文件编译后在build目录下会生成对应的Java代码，所以从本质上来说AIDL是系统提供了一套可快速实现Binder的工具。示例代码如下：

package com.czj.ipcdemo;
// 这里要注意，即使在同一个包下，也要把引用的类import进来
import com.czj.ipcdemo.Book;

interface IBookManager {

    List<Book> getBookList();

    void addBook(in Book book);

}

AIDL文件中的数据类型要求：

基本数据类型：byte，int，long，float，double，boolean，char
String类型
CharSequence类型
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

需要注意的是，AIDL中除了基本类型外，其它类型的参数必须标明传递方向：

in：输入型参数
表示数据只能由客户端流向服务端。
服务端将会接收到这个对象的完整数据，但在服务端修改它不会对客户端输入的对象产生影响。
out： 输出型参数
表示数据只能由服务端流向客户端。
服务端将会接收到这个对象的的空对象，但在服务端对接收到的空对象有任何修改之后客户端将会同步变动。
inout：输入输出型参数
表示数据可在服务端与客户端之间双向流通。
服务端将会接收到客户端传来对象的完整信息，且客户端将会同步服务端对该对象的任何变动。

2. 自定义Parcelable类对应AIDL文件
如果AIDL文件中用到了自定义的Parcelable对象，则必须新建一个和它同名的AIDL文件：

package com.czj.ipcdemo;

// Declare any non-default types here with import statements

parcelable Book;

3. 服务端Service实现

public class BookManagerService extends Service {

    private static final String TAG = "BMS";

    // CopyOnWriteArrayList支持并发，当多个客户端同时访问时
    // 前面提到AIDL只支持ArrayList
    // AIDL中使用的是List接口去访问，此处服务端返回CopyOnWriteArrayList实例，但是Binder会转成ArrayList给客户端，所以通过AIDL接口去获取的时候已经是ArrayList
    private List<Book> mBookList = new CopyOnWriteArrayList<>();

    private Binder mBinder = new IBookManager.Stub() {
        @Override
        public List<Book> getBookList() throws RemoteException {
            return mBookList;
        }

        @Override
        public void addBook(Book book) throws RemoteException {
            mBookList.add(book);
        }
    };

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        mBookList.add(new Book("忒修斯之船"));
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return mBinder;
    }
}

4. 客户端实现

public class BookManagerActivity extends AppCompatActivity {

    private final static String TAG = "BookManagerActivity";

    private ServiceConnection mConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            // 将服务端Binder转成AIDL接口类型
            IBookManager bookManager = IBookManager.Stub.asInterface(service);
            try {
                // 获取服务端数据
                List<Book> list = bookManager.getBookList();
                Log.e(TAG, "list type : " + list.getClass().getCanonicalName());
                Log.e(TAG, "book list : " + list);
            } catch (RemoteException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
            Log.e(TAG, "onServiceDisconnected");
        }
    };

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_book_manager);
        Intent intent = new Intent(this, BookManagerService.class);
        bindService(intent, mConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        unbindService(mConnection);
        super.onDestroy();
    }
}

输出（注意此处的List输出类型）：
10-24 09:51:26.122 13500-13500/com.czj.ipcdemo E/BookManagerActivity: list type : java.util.ArrayList
10-24 09:51:26.123 13500-13500/com.czj.ipcdemo E/BookManagerActivity: book list : [[bookName:忒修斯之船]]

AIDL变量和方法解释(存在于AIDL文件编译转换成的Java类中)

DESCRIPTOR
Binder的唯一标识，用当前Binder的类名表示，如：com.czj.ipcdemo.IBookManager
asInterface(android.os.IBinder obj)
客户端调用，将服务端的返回的Binder对象，转换成客户端所需要的AIDL接口类型对象。如果客户端和服务端同属一个进程，此方法返回的是服务端对象本身，否则返回系统封装后的Stub.proxy对象。
asBinder()
返回当前Binder对象
onTransact()
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()
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()直到远程请求返回，当前线程才继续执行。

Binder死亡的处理

如果服务端进程意外终止，则客户端到服务端的Binder连接也就终止了，这会导致客户端远程调用失败。

面对这种情况，有两种解决方案：

给Binder设置死亡监听：DeathRecipient
在onServiceDisconnected中重新绑定远程服务

下面给出为Binder设置死亡监听的示例：

private IBinder.DeathRecipient mDeathRecipient = new IBinder.DeathRecipient() {
        @Override
        public void binderDied() {
                if (bookManager == null) return;
                bookManager.asBinder().unlinkToDeath(mDeathRecipient, 0);
                bookManager = null;
                // TODO 此处重新绑定远程Service
        }
 }

然后在客户端绑定Service的回调中，设置Binder的死亡代理：

    private ServiceConnection mConnection = new ServiceConnection() {
        @Override
        public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
            IBookManager bookManager = IBookManager.Stub.asInterface(service);
            // 设置死亡代理            
            service.linkToDeath(mDeathRecipient, 0);
            ......
        }
        ......
    };

Binder的跨进程传输

不知道有没有发现一个问题，就是服务端和客户端是运行在两个进程上的，那么服务端的Binder是如何传递给客户端的ServiceConnection中，显然不是通过内存直接传递Binder对象。
Binder的传递：将Binder打包进Parcel来传输,发现如果是同进程的,则收到的是原始对象,而不是对象的拷贝。如果是跨进程的,则收到的BinderProxy。

Service注册到Service Manager时,将Binder实体跨进程传输给ServiceManager,由于是跨进程的,所以必须先经过Binder驱动,驱动会保存这个Binder实体,并生成一个Binder引用返给ServiceManager。Client端如果向Service Manager请求该Service,ServiceManager会将该Service的Binder引用返回,经过Binder驱动时,如果Client和Service在同一个进程,那么Binder驱动会直接返回该Service的Binder实体,如果不在同一个进程,则Binder驱动会返回Binder的引用。

推荐参考关于Binder的跨进程传输

4.5 ContentProvider

ContentProvider用于在多个应用程序之间共享数据，所以适合多进程通信的场景，它的底层实现也是Binder。

除了onCreate是在UI线程，query、update、insert、delete都运行在Binder线程
SQLiteDatabase内部有同步处理，但是多个SQLiteDatabase的情况，要做好同步处理

4.6 Socket

Socket：套接字，能够建立网络长连接。不仅支持进程间通信，还能进行跨设备通信。

在Service进程中创建一个Socket服务，客户端去连接该服务，也能够实现进程间通信。直接看实例：

首先需要声明网络访问权限

    <uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />
    <uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_NETWORK_STATE"/>

服务端代码

public class TCPServerService extends Service {

    private final static String TAG = "TCPServerService";

    private boolean mIsDestory = false;

    private String[] mReturnMsgAry = { "你好傻猫威~", "买了否冷？", "鬼刀一开，看不见，走位走位", "学猫叫" };

    @Override
    public void onCreate() {
        Log.e(TAG, "开启服务");
        new Thread(new TcpServer()).start();
        super.onCreate();
    }

    @Override
    public IBinder onBind(Intent intent) {
        return null;
    }

    @Override
    public void onDestroy() {
        mIsDestory = true;
        super.onDestroy();
    }

    private class TcpServer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            ServerSocket serverSocket = null;
            try {
                serverSocket = new ServerSocket(9527);
                Log.e(TAG, "服务已开启，正在监听客户端消息");
            } catch (IOException e) {
                Log.e(TAG, "run socket server failed, port:8688");
                e.printStackTrace();
                return;
            }
            while (!mIsDestory) {
                try {
                    final Socket client = serverSocket.accept();
                    new Thread() {
                        @Override
                        public void run() {
                            // 处理客户端请求
                            try {
                                responseClient(client);
                            } catch (IOException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                    }.start();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    private void responseClient(Socket client) throws IOException {
        // 接收客户端消息
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
        // 向客户端发送消息
        PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(client.getOutputStream())), true);
        out.println("成功连接服务端");
        while (!mIsDestory) {
            String str = in.readLine();
            if(str == null)
                break;//客户端断开连接
            int i = new Random().nextInt(mReturnMsgAry.length);
            String msg = mReturnMsgAry[i];
            out.println(msg);
        }
        in.close();
        out.close();
        client.close();
    }

}

客户端代码：

public class TCPClientActivity extends AppCompatActivity implements View.OnClickListener{

    private final static int MSG_RECEIVE_MSG = 1;

    private final static int MSG_SOCKET_CONNECTED = 2;

    private Button mSendBtn;

    private TextView mMsgTextView;

    private EditText mMsgEditText;

    private PrintWriter mPrintWriter;

    private Socket mClient;

    private Handler mHander = new Handler() {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case MSG_RECEIVE_MSG:
                    mMsgTextView.setText(mMsgTextView.getText() + (String)msg.obj);
                    break;
                case MSG_SOCKET_CONNECTED:
                    mSendBtn.setEnabled(true);
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    };

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_tcpclient);
        mMsgEditText = findViewById(R.id.et_msg);
        mMsgTextView = findViewById(R.id.tv_content);
        mSendBtn = findViewById(R.id.btn_send);
        mSendBtn.setOnClickListener(this);
        // 启动服务进程
        Intent intent = new Intent(this, TCPServerService.class);
        startService(intent);
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                connectTCPServer();
            }
        }.start();

    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        if(mClient != null) {
            try {
                mClient.shutdownInput();
                mClient.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        super.onDestroy();
    }

    private void connectTCPServer() {
        Socket socket = null;
        while (socket == null) {
            try {
                socket = new Socket("localhost", 9527);
                mClient = socket;
                mPrintWriter = new PrintWriter(new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream())), true);
                // 发送连接成功的消息
                mHander.sendEmptyMessage(MSG_SOCKET_CONNECTED);
            } catch (IOException e) {
                SystemClock.sleep(1000);
                System.out.println("连接失败，重连中...");
            }
        }

        try {
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            while (!TCPClientActivity.this.isFinishing()) {
                String msg = br.readLine();
                System.out.println("receive: " + msg);
                if (msg != null) {
                    String time = formateTime(System.currentTimeMillis());
                    // 追加消息
                    final String showMsg = "server(" + time + "):" + msg + "\n";
                    mHander.obtainMessage(MSG_RECEIVE_MSG, showMsg).sendToTarget();
                }
            }
            System.out.println("断开连接...");
            mPrintWriter.close();
            br.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private String formateTime(long time) {
        return new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date(time));
    }


    @Override
    public void onClick(View v) {
        if(v.getId() == mSendBtn.getId()) {
            final String msg = mMsgEditText.getText().toString();
            if(!TextUtils.isEmpty(msg) && mPrintWriter != null) {
                new Thread() {
                    @Override
                    public void run() {
                        mPrintWriter.println(msg);
                    }
                }.start();
                mMsgEditText.setText("");
                String time = formateTime(System.currentTimeMillis());
                String showMsg = "client(" + time + "):" + msg + "\n";
                mMsgTextView.setText(mMsgTextView.getText() + showMsg);
            }
        }
    }
}

程序截图

Screenshot_2018-10-26-13-39-35-286_IPCDemo.png

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	四大组件之间的进程通信
文件共享	简单易用	不适合高并发场景，并且无法做到进程间的即时通信	无并发访问，交换简单的数据，且实时性不高的场景
AIDL	功能强大，支持一对多并发通信，支持实时通信	使用较复杂，需要处理好线程同步	一对多通信且有RPC需求
Messenger	支持一对多串行通信，实时通讯	不能很好处理高并发情形，不支持RPC，数据通过Message进行传输，因此只能传输Bundle数据	低并发的一对多即时通信，无RPC需求，或者无须返回结果的RPC需求
ContentProvider	在数据源访问方面功能强大，支持一对多并发共享数据，可通过Call方法扩展其他操作	可以理解为受约束的AIDL，主要提供数据源的CRUD操作	一对多的进程间的数据共享
Socket	功能强大，可以通过网络传输数据，支持一对多并发实时通信	实现细节繁琐，不支持直接的RPC	网络数据交换