Android Bluetooth Framework源码剖析（二）它们都重要

在具体讲述每个模块前我们先来看看一些公共的知识点，如Binder、JNI、Service、AIDL、Broadcast等，它们都是Android/Java基础的知识点，在网络上有许多相关的文章，本文就不深入的讲述它们，但在Bluetooth Framework或者app中都大量的使用了它们，所以本文主要是结合代码做一个回顾，后续文章可能一笔带过，不再花费篇幅讲解，主要集中在具体代码逻辑中。

Service

Service是一种可在后台执行长时间运行的操作的应用组件。不提供界面。启动后，即使用户切换到其他应用，服务也可能会继续运行一段时间。此外，组件可以绑定到服务以与其交互，甚至可以执行进程间通信 (IPC)。例如，服务可以在后台处理网络事务、播放音乐、执行文件 I/O 或与 content provider 交互。

引用自googl开发文档 https://developer.android.com/develop/background-work/services?hl=zh-cn

服务有三种类型：前台服务、后台服务、绑定服务，在Android蓝牙中使用的都是绑定服务，因此另外两种就不做过多介绍，主要看看绑定服务。

服务的实现

实现一个Service，需要实现一个Service的子类或者使用现有子类，在蓝牙服务中AdapterService就是它的子类（public class AdapterService extends Service {}），ProfileService继承自Service，而其他所有的Profile如A2DP、GATT、HFP等都是ProfileService的子类，然后实现一些回调方法：

  • onStartCommand()
    当其他组件调用startService()请求启动服务时会执行该方法，启动后服务在后台无限期运行，直到调用stopSelf()或者stopService()。每次调用startService()时都会调用该方法，如果只想提供绑定，则不需要实现该方法，如AdapterService，而ProfileService则实现了该方法，即可以绑定也可以直接启动。
public class AdapterService extends Service {private void setProfileServiceState(Class service, int state) {Intent intent = new Intent(this, service);intent.putExtra(EXTRA_ACTION, ACTION_SERVICE_STATE_CHANGED);intent.putExtra(BluetoothAdapter.EXTRA_STATE, state);startService(intent); //启动或停止Profile服务}
}public abstract class ProfileService extends Service {public int onStartCommand(Intent intent, int flags, int startId) {...String action = intent.getStringExtra(AdapterService.EXTRA_ACTION);if (AdapterService.ACTION_SERVICE_STATE_CHANGED.equals(action)) {int state = intent.getIntExtra(BluetoothAdapter.EXTRA_STATE, BluetoothAdapter.ERROR);if (state == BluetoothAdapter.STATE_OFF)doStop(); //由各具体的Profile Service实现else if (state == BluetoothAdapter.STATE_ON)doStart(); //由各具体的Profile Service实现}return PROFILE_SERVICE_MODE;}
}
  • onBind()
    其他组件想要绑定服务时，则需要实现该方法，当调用bindService()时会调用此方法，它必须返回一个IBinder以提动接口供客户端和服务端通信，如果不允许绑定也需要实现此方法，返回null即可。
public class AdapterService extends Service {private AdapterServiceBinder mBinder;public IBinder onBind(Intent intent) {debugLog("onBind()");return mBinder;}
}public class BluetoothManagerService extends IBluetoothManager.Stub {boolean doBind(Intent intent, ServiceConnection conn, int flags, UserHandle user) {ComponentName comp = resolveSystemService(intent, mContext.getPackageManager(), 0);intent.setComponent(comp);//绑定服务if (comp == null || !mContext.bindServiceAsUser(intent, conn, flags, user)) {Log.e(TAG, "Fail to bind to: " + intent);return false;}return true;}
}
  • onCreate()
    首次创建服务时（调用onStartCommand()或onBind()之前）会调用此方法，即该方法只会调用一次。
public abstract class ProfileService extends Service {public void onCreate() {super.onCreate();mAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();mBinder = initBinder();create();}
}
  • onDestroy()
    当服务不再使用且即将被销毁是掉用此方法，以清理资源。

除了实现上面方法外，还需要在AndroidManifest.xml文件中声明服务，通过intent-filter标签声明可以过滤的action，在启动或绑定时只有声明中指定的action才可以启动或者绑定。

<application><service android:process="@string/process"android:name="com.android.bluetooth.btservice.AdapterService"android:exported="true"android:permission="android.permission.ACCESS_BLUETOOTH_SHARE"><intent-filter><action android:name="android.bluetooth.IBluetooth"/></intent-filter></service>
</application>

启动服务和绑定服务生命周期如下：
在这里插入图片描述
服务可以同时支持启动（startService()）和绑定（bindService()）两种方式，只需要同时实现onStartCommand()以及onBind()返回一个非空的IBinder，当使用startService()启动服务后，所有客户端去掉绑定时服务不会停止，只能通过调用stopSelf()或者stopService()停止服务。蓝牙中的Profile就是这样实现的。具体代码参考前面的onStartCommand()和onBind()处的描述。

绑定服务创建

蓝牙中的服务都是绑定服务，它们为App提供了进程间通信的接口，绑定服务的的创建有三种方式：扩展Binder类、使用Messenger、使用AIDL，同样的蓝牙中只使用了AIDL，因此重点分析AIDL，这里简单看看它们的区别和使用场景（扩展Binder类和使用Messenger可以参考google开发文档的详细描述）。

  • 扩展Binder类
    服务仅供自己的应用专用，服务与客户端在同一进程的场景下优先使用。
  • 使用Messenger
    需要在不同进程间通信，且Messenger会在单个进程中创建包含所有请求的队列的场景下使用，这是跨进程通信最简单的方式，它不需要对服务做线程安全处理。
  • 使用AIDL
    如果需要让服务同时处理多个请求，则可以直接使用AIDL，编程时只需要定义编程接口的aidl文件，然后实现对应的接口扩展即可实现跨进程通信。采用 Messenger 的方法实际上是以 AIDL 作为其底层原理。

绑定到服务

客户端可以通过bindService()绑定到服务，然后系统会调用服务的onBind()方法，该方法返回可以和服务交互的IBinder，绑定操作是异步的，客户端要接收IBinder，需要创建一个ServiceConntion实例，调用bindService()时传递该实例，实现步骤如下：

  1. 实现ServiceConnection，必须实现它的两个回调方法：
  • onServiceConnected()
    系统会调用该方法将IBinder返回给客户端
  • onServiceDisconnected()
    系统会在服务的连接意外中断是调用此方法，客户端取消绑定时不会调用该方法。
  1. 调用bindService()，并将第一步实现的ServiceConnection实例传入。
  2. 当系统调用onServiceConnected()时，客户端就可以获得IBinder并调用服务。
  3. 需要断开与服务的连接时调用unbindService()。
    以BluetoothManagerService.java中绑定AdapterService为例。
private class BluetoothServiceConnection implements ServiceConnection {public void onServiceConnected(ComponentName componentName, IBinder service) {Message msg = mHandler.obtainMessage(MESSAGE_BLUETOOTH_SERVICE_CONNECTED);...msg.obj = service; //获得Service的IBindermHandler.sendMessage(msg);}public void onServiceDisconnected(ComponentName componentName) {Message msg = mHandler.obtainMessage(MESSAGE_BLUETOOTH_SERVICE_DISCONNECTED);...mHandler.sendMessage(msg);}
}case MESSAGE_BLUETOOTH_SERVICE_CONNECTED: {...IBinder service = (IBinder) msg.obj;mBluetooth = IBluetooth.Stub.asInterface(service); //获得Service提供的接口...
}//绑定服务
private BluetoothServiceConnection mConnection = new BluetoothServiceConnection();
Intent i = new Intent(IBluetooth.class.getName());  //AndroidManifest.xml文件设置的intent-filter过滤标签
doBind(i, mConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE | Context.BIND_IMPORTANT, UserHandle.CURRENT));// 调用接口
mBluetooth.enable(quietMode, attributionSource, recv);
mBluetooth.getName(attributionSource, recv);

接下来将剖析一下AIDL的实现，在分析AIDL之前先看看Binder机制。

Binder

Binder是Android中一种实现跨进程通信的方式，底层实现了Binder驱动，用于连接Service进程、Client进程、ServiceManager进程，上层实现的Binder类，它实现了IBinder接口，为进程间通信提供接口。Binder的模型如下：
在这里插入图片描述

从Android系统角度分为两部分： Android系统框架部分（由系统框架实现，是一个通用的框架）、Android应用层部分（不同应用的client和service实现不同）；从进程角度分为两部：内核空间（Binder驱动）、用户空间（ServiceManager进程、Client进程、Service进程），这两个部分之间通过系统调用进行通信。
通信过程如下：

  1. Service进程向ServiceManager进程注册服务
  2. Client进程向ServiceManger进程获取服务的代理，此时Client进程已经获取到Service对外提供的服务的接口。
  3. Client通过代理调用接口，Binder驱动将请求发送到Service
  4. Service收到调用请求后执行真正的函数调用，然后将reply通过Binder驱动返回给Client。
    整个过程从开发到使用，都不会感知到Binder驱动和ServiceManager进程的存在，给人的感觉就像是Client进程和Service进程在进行通信。此外，Android Binder机制是很高效的，Android底层是基于Linux kernel的，我们都知道用户空间和内核空间的内存不能直接相互访问，需要调用copy_from_user()和copy_to_user()函数进行拷贝，Linux常见的进程通信机制如pipe、FIFO、socket等都需要进程两次拷贝，即进程A -> 内核 -> 进程B，而Binder则只需要一次拷贝，实现原理如下：
    在这里插入图片描述
    当发送进程和接收进程和Binder驱动建立连接时，在接收进程和kernel之间映射一片内存（调用mmap()），此时内核空间和用户空间之间传输数据不需要拷贝可以直接访问，当发送进程从用户空间将数据拷贝到内核间时，通知接收进程从映射内存在获取数据（内核空间中内存本身就是共享的），此时从发送进程将数据传输到接收进程就只使用了一次拷贝。

为什么不在两个进程之间直接使用内存映射？
直接内存映射虽然不需要拷贝数据，但没有Client与Service之别， 需要充分考虑到访问临界资源的并发同步问题，否则可能会出现死锁等问题，而Binder驱动采用了C/S架构，Client端有什么需求，直接发送给Server端去完成，架构清晰明朗，Server端与Client端相对独立，稳定性较好，其性能也仅次于内存映射。

AIDL也是基于Binder机制实现的，下面将详细分析一下AIDL的实现。

AIDL

前面了解了绑定服务的三种实现方式，蓝牙中的所有服务都不是仅仅供自己的应用专用，它们需要向开发者提供蓝牙的各种能力，因此使用AIDL（Android Interface Definition Language）是最适合的。在实际的开发过程中，我们不需要自己去从头开始实现整个AIDL的底层机制，Android SDK提供了一套完整的方案，开发时只需要编写.aidl文件，然后在Service中实现.aidl文件中定义的接口，最后Client就可以调用Service提供的这些能力了，看一下蓝牙中的实现：

  1. 创建 .aidl 文件
    此文件定义带有方法签名的编程接口，以IBluetooth.aidl部分接口为例，
package android.bluetooth;
import android.app.PendingIntent;
...
interface IBluetooth
{oneway void setName(in String name, in AttributionSource attributionSource, in SynchronousResultReceiver receiver);oneway void getName(in AttributionSource attributionSource, in SynchronousResultReceiver receiver);
}
  1. 实现接口
    Android SDK 工具会根据您的 .aidl 文件，使用 Java 编程语言生成一个接口，此接口具有一个名为 Stub 的内部抽象类，该类扩展 Binder 并实现 AIDL 接口中的方法，必须扩展 Stub 类并实现相应方法。
public static class AdapterServiceBinder extends IBluetooth.Stub {@Overridepublic void setName(String name, AttributionSource source, SynchronousResultReceiver receiver) {try {receiver.send(setName(name, source));// } catch (RuntimeException e) {receiver.propagateException(e);}}@Overridepublic void getName(AttributionSource source, SynchronousResultReceiver receiver) {try {receiver.send(getName(source));} catch (RuntimeException e) {receiver.propagateException(e);}}
}
  1. 向客户端公开该接口
    实现 Service 并替换 onBind()，以返回 Stub 类的实现。
public class AdapterService extends Serviceprivate AdapterServiceBinder mBinder = new AdapterServiceBinder(this);@Overridepublic IBinder onBind(Intent intent) {return mBinder;}
}
  1. 客户端绑定到服务
    参考前面 绑定到服务 的内容。

以上步骤都是开发人员需要完成的内容，接下来的内主要有Android SDK中的工具完成，它会将.aidl文件转换成什么，如何实现的Client和Service的通行。
编译之后，.aidl文件会生成一个同名的但将后缀替换为.java的文件，其内容如下(以IBluetooth.aidl为例，仅保留了核心代码)：

package android.bluetooth;
public interface IBluetooth extends android.os.IInterface
{public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements android.bluetooth.IBluetooth{private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "android.bluetooth.IBluetooth";public Stub() { this.attachInterface(this, DESCRIPTOR); }public static android.bluetooth.IBluetooth asInterface(android.os.IBinder obj){android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);if (((iin!=null)&&(iin instanceof android.bluetooth.IBluetooth)))return ((android.bluetooth.IBluetooth)iin);return new android.bluetooth.IBluetooth.Stub.Proxy(obj);}public android.os.IBinder asBinder() { return this; }public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags){java.lang.String descriptor = DESCRIPTOR;switch (code){case TRANSACTION_setName: {java.lang.String _arg0 = data.readString();boolean _result = this.setName(_arg0);reply.writeInt(((_result)?(1):(0)));return true;}case TRANSACTION_getName: {java.lang.String _result = this.getName();reply.writeString(_result);return true;}}}private static class Proxy implements android.bluetooth.IBluetooth{private android.os.IBinder mRemote;Proxy(android.os.IBinder remote) { mRemote = remote; }public android.os.IBinder asBinder() { return mRemote; }public boolean setName(java.lang.String name){android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();_data.writeString(name);mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_setName, _data, _reply, 0);return (0!=_reply.readInt());}public java.lang.String getName(){android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getName, _data, _reply, 0);return _reply.readString();}}static final int TRANSACTION_setName = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 7);static final int TRANSACTION_getName = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 8);}public boolean setName(java.lang.String name);public java.lang.String getName();
}

总体可分为三个部分：

  • IBluetooth
    它是一个接口，即IBluetooth.aidl文件中定义的接口，直接转换成了java的interface，格式也基本相同，aidl文件中定义了几个，这里就有几个接口，如setName()、getName()。

  • IBluetooth.Stub
    它是Service端的一个抽象类且继承了IBluetooth中的接口，因此Service必须继承Stub并实现里面的所有接口（前面已经介绍过），当收到Client Proxy调用时它会回调onTransace方法，在该方法中根据code判断调用子类实现的具体方法，如this.setName()、this.getName()。code是一组不会重复的整数，如TRANSACTION_setName、TRANSACTION_getName， 该类的构造函数中调用Binder的attachInterface方法想ServiceManager注册服务，在客户端绑定服务时可以获取到服务的IBinder，通过IBinder可以调用到asInterface方法，并获取到IBluetooth，在asInterface方法中还会判断是本地调用还是远程调用，如果是本地调用直接返回本地的IBluetooth，如果是远程调用才返回Proxy，mBluetooth = IBluetooth.Stub.asInterface(service);

  • IBluetooth.Stub.Proxy
    它是Client端对Service端的代理实现，它不是一个抽象类可以直接创建实例，它也继承了IBluetooth，并在类中实现了这些接口，不过这些接口都是通过调用远程IBinder中的transact方法发起远程调用。
    这几个类和接口之间的关系如下：
    在这里插入图片描述

JNI

JNI（Java Native Interface）是Java字节码与C/C++进行交互的方法，简单来说即JNI可以实现Java调用C/C++，或则C/C++调用Java。在Android中有很多引用第三发的库或者有些模块对性能要求很高，它们都可能是C/C++实现的，蓝牙协议栈Flouride就是其中之一。这里不会介绍JNI的底层原理，只会描述Framework和Native之间蓝牙JNI的使用，代码实现路径为android/app/jni， 包含以下几部分内容：

  1. 在app启动时调用System.loadLibrary()加载C++实现的Java与C++之间交互的代码，生成的动态库为libbluetooth_jni.so，编译脚本在Android.bp文件中。
cc_library_shared {name: "libbluetooth_jni",defaults: ["fluoride_basic_defaults"],srcs: ["jni/**/*.cpp"],
}

加载动态库的代码如下：

public class AdapterApp extends Application {static {System.loadLibrary("bluetooth_jni");}
}
  1. 调用System.loadLibrary()加载动态库时会调用动态库中实现的JNI_OnLoad()，该函数是JNI初始化的入口，函数原型为jint JNI_OnLoad(JavaVM* jvm, void* reserved)。在该函数中调用jniRegisterNativeMethods()注册Native实现的方法，函数原型为int jniRegisterNativeMethods(C_JNIEnv* env, const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods);。
  • env：Java环境变量，通过jvm->GetEnv()获取
  • className：Java中Class的名称，如："com/android/bluetooth/btservice/AdapterService"。
  • gMethods：C++中实现的方法的列表，类型JNINativeMethod的定义如下：
typedef struct {const char* name; //java中声明的方法名称const char* signature; // 函数签名，即参数、返回值等定义void*       fnPtr; // C++中对应的该方法的函数地址
} JNINativeMethod;

AdapterService部分方法定义如下：

static JNINativeMethod sMethods[] = {{"classInitNative", "()V", (void*)classInitNative},{"initNative", "(ZZI[Ljava/lang/String;ZLjava/lang/String;)Z", (void*)initNative},{"cleanupNative", "()V", (void*)cleanupNative},{"enableNative", "()Z", (void*)enableNative},{"disableNative", "()Z", (void*)disableNative},...
};
  • numMethods: gMethods数组中的元素个数。
  1. C++中获取Java中实现的方法，首先调用env->FindClass()查找java的class实例，FindClass()方法的参数是java class的名称，如："com/android/bluetooth/btservice/JniCallbacks"，然后调用env->GetMethodID()获取JniCallbacks中实现的方法，参数包括获取到的java class的实例、方法名称、函数签名。
static void classInitNative(JNIEnv* env, jclass clazz) {...jclass jniCallbackClass =env->FindClass("com/android/bluetooth/btservice/JniCallbacks");method_oobDataReceivedCallback =env->GetMethodID(jniCallbackClass, "oobDataReceivedCallback","(ILandroid/bluetooth/OobData;)V");method_stateChangeCallback =env->GetMethodID(jniCallbackClass, "stateChangeCallback", "(I)V");...
}
  1. C++中获取Java中的class实例，调用方法，先通过env->GetFieldID()获取实例，参数包括需要获取的实例对象的实例、实例的成员名称、实例的类型，最后调用方法。
static void classInitNative(JNIEnv* env, jclass clazz) {sJniCallbacksField = env->GetFieldID(clazz, "mJniCallbacks", "Lcom/android/bluetooth/btservice/JniCallbacks;");
}static bool initNative(JNIEnv* env, jobject obj, ...) {sJniCallbacksObj =env->NewGlobalRef(env->GetObjectField(obj, sJniCallbacksField));
}static void adapter_state_change_callback(bt_state_t status) {...sCallbackEnv->CallVoidMethod(sJniCallbacksObj, method_stateChangeCallback,(jint)status);
}
  1. Java声明并调用C++的方法，注意Java的Class名称必须和第二中jniRegisterNativeMethods()传入的名称相同，声明的方法名称也必须和传入数组中的方法名称相同。
public class AdapterService extends Service {static {classInitNative();  //调用方法}...public void onCreate() {...initNative(mUserManager.isGuestUser(), isCommonCriteriaMode(), configCompareResult,getInitFlags(), isAtvDevice, getApplicationInfo().dataDir);}...static native void classInitNative();native boolean initNative(boolean startRestricted, boolean isCommonCriteriaMode,int configCompareResult, String[] initFlags, boolean isAtvDevice,String userDataDirectory);native void cleanupNative();/*package*/native boolean enableNative();/*package*/native boolean disableNative();...
}
  1. 在java中实现C++中使用的Class，并创建实例，注意Class名称必须和第3中FindClass()传入的名称相同，实例名称必须和第4中GetFieldID()传入的名称、类型相同。
public class AdapterService extends Service {...private JniCallbacks mJniCallbacks;public void onCreate() {...mJniCallbacks = new JniCallbacks(this, mAdapterProperties);}
}final class JniCallbacks {...void stateChangeCallback(int status) {mAdapterService.stateChangeCallback(status);}void discoveryStateChangeCallback(int state) {mAdapterProperties.discoveryStateChangeCallback(state);}...
}

Broadcast

Android 应用可以从 Android 系统和其他 Android 应用发送或接收广播消息，类似于发布-订阅设计模式。这些广播会在相关事件发生时发送。例如，Android 系统会在发生各种系统事件时发送广播，如系统启动或设备开始充电时。应用还可以发送自定义广播，例如，通知其他应用它们可能感兴趣的内容（例如，一些新数据已下载）。
系统会优化广播的传送，以保持最佳的系统运行状况。因此，广播的传递时间无法保证。需要进行低延迟进程间通信的应用应考虑绑定服务。
应用可以注册接收特定的广播。发送广播后，系统会自动将广播路由到已订阅接收该特定类型的广播的应用。
一般来说，广播可用作跨应用和正常用户流之外的消息传递系统。但是，您必须格外小心，不要滥用在后台响应广播和运行作业的机会，否则可能会导致系统性能变慢。

引用自google开发文档 https://developer.android.com/develop/background-work/background-tasks/broadcasts?hl=zh-cn

在蓝牙Framework中Broadcast用于通知各状态变化，如：

// 发送端
Intent intent = new Intent(BluetoothA2dp.ACTION_CONNECTION_STATE_CHANGED);// 添加附带的数据
intent.putExtra(BluetoothProfile.EXTRA_PREVIOUS_STATE, prevState);
intent.putExtra(BluetoothProfile.EXTRA_STATE, newState);
intent.putExtra(BluetoothDevice.EXTRA_DEVICE, mDevice);// 设置flag
intent.addFlags(Intent.FLAG_RECEIVER_REGISTERED_ONLY_BEFORE_BOOT| Intent.FLAG_RECEIVER_INCLUDE_BACKGROUND);
Utils.sendBroadcast(mA2dpService, intent, BLUETOOTH_CONNECT,Utils.getTempAllowlistBroadcastOptions());//接收端
IntentFilter filter = new IntentFilter();
filter.setPriority(IntentFilter.SYSTEM_HIGH_PRIORITY);// 设置关注的action
filter.addAction(BluetoothA2dp.ACTION_CONNECTION_STATE_CHANGED);//注册接收器
mAdapterService.registerReceiver(mReceiver, filter, Context.RECEIVER_EXPORTED);private final BroadcastReceiver mReceiver = new BroadcastReceiver() {public void onReceive(Context context, Intent intent) {String action = intent.getAction();// 获取数据final BluetoothDevice device = intent.getParcelableExtra(BluetoothDevice.EXTRA_DEVICE, BluetoothDevice.class);final int previousState = intent.getIntExtra(BluetoothProfile.EXTRA_PREVIOUS_STATE, -1);final int currentState = intent.getIntExtra(BluetoothProfile.EXTRA_STATE, -1);switch (action) {// 根据action做处理case BluetoothA2dp.ACTION_CONNECTION_STATE_CHANGED:...break;}}
}

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