Android Binder机制浅析

Binder是Android上一种IPC机制，重要且较难理解。由于Linux上标准IPC在灵活和可靠性存在一定不足，Google基于OpenBinder的设计和构想实现了Binder。

本文只简单介绍其实现，并重点讨论Binder安全相关的内容。详细的Binder设计与实现分析，参考附录4篇文章。

一、Binder 实现

Android Binder由Client、Server、Service Manager和Binder驱动4个部件组成，下图引自网络。

在类UNIX系统中，进程是相互独立的，一个进程不能访问另一个进程的内存空间。然而内核控制着所有进程，因此可以暴露一个接口用作IPC。在Binder中这个接口就是/dev/binder设备，该设备由Binder内核驱动程序实现。

Binder驱动是整个Binder架构的核心，所有IPC都通过它来实现。

上图的Client与Server可以看作2个进程，其IPC通过对/dev/binder的ioctl实现。从Android源码可以看到，ioctl使用binder_write_read的结构体收发数据。

其中write_buffer包含驱动要执行的命令，read_buffer包含用户层需要执行的命令：

binder_write实现对bs->fd的ioctl()操作：

bs->fd是打开/dev/binder得到的文件描述符：

实际数据如何在进程间传输呢？

Binder驱动管理着每个进程的一部分地址空间。Binder管理的内存，对于进程是只读的，其写操作由内核模块实施。当一个进程向另一个进程发送消息时，内核在目标进程的内存空间申请一部分空间，接着直接将数据从发送进程复制进去。然后它将接收消息的具体位置，通过一个短消息通知给接收进程。因为消息在接收者的内存空间，接收者可以直接访问到消息。当进程不再需要这个数据时，它通知Binder驱动来释放这一内存块。

可以发现，数据经过了一次复制，所以Binder的效率不如共享内存。

Android中更高层次的IPC抽象，如Intent（跨进程组件间传递带有关联数据的命令），Messenger（支持跨进程消息通信的对象），ContentProvider（暴露跨进程数据管理接口的组件），均是基于Binder实现的。

二、Binder 安全

下图展示Binder IPC架构的一个简单例子。

每个通过Binder框架实现IBinder接口，允许被访问调用的对象都可被称作Binder对象。对Binder对象的调用在一个Binder事务处理（transaction）内部实现，其中包括一个对目标对象的引用、需执行方法的ID和一个数据缓冲区。

Binder驱动会将调用进程的ID（PID）和有效用户ID（EUID）自动添加到事务处理数据。被调用进程可以检查PID和EUID，然后基于内部实现逻辑来决定是否执行所请求的方法。

因为PID和EUID是由内核填写的，所以调用者进程不能通过伪造身份标识来获取超出系统允许的权限。这是Android安全模型的核心之一，所有更高层次抽象，比如权限，均是建立在它之上。调用者的PID和EUID通过类android.os.Binder的getCallingPid()和getCallingUid()来访问，他们是Android公开API的一部分。

三、Binder 令牌

Binder对象的一个重要属性是它具有跨进程、独一无二的身份标识。因此如果进程A创建了一个Binder对象，然后将之传递给进程B，进程B再将之传递给进程C，那么对这3个进程的调用，均由同一个Binder对象处理。实际上，进程A会通过内存地址直接引用Binder对象，而进程B和C使用Binder对象的句柄。

内核负责维护活动的Binder对象与它们在其他进程中的句柄之间的映射关系。因为一个Binder的标志符是独一无二的，并且由内核负责维护，所以用户空间进程除非通过IPC机制处理，否则不可能创建一个Binder对象的副本或获取相关引用（后面介绍如何获得Binder对象引用）。因此Binder对象是唯一的、不可伪造的、可通信的对象，可以作为安全令牌使用。

这也使得Android可以使用基于权能的安全模型（capability-based security）。

基于权能的安全模型中，通过赋予程序一个不可伪造的权能，授权程序对特定资源的访问权限。在Android中，Binder对象可以表示权能。

在这种使用方式下，Binder对象又被称作Binder令牌（Binder Token）。一个Binder令牌可以是一种权能，也可以是一个目标资源。一个进程拥有一个Binder令牌，授权该进程对Binder对象的完全访问控制权限，从而使其能够在目标对象上执行Binder事务处理操作。如果Binder对象实现了多个动作（基于Binder事务处理的code参数，选择要执行的动作），只要调用者拥有一个Binder对象的引用，就可以执行任意操作。如果需要更细粒度的访问控制，那么每个操作需要相应实现必要的权限检查，这通常利用调用者进程的PID和EUID来实现。

以上看到，获取了Binder对象引用（Binder令牌）后，就获取了目标Binder对象的完全访问权限，如果Binder事务处理操作涉及敏感动作，这是危险的。

在Android中，通常对于system(UID 10000)或root(UID 0)权限下运行的调用进程，允许执行所有操作，而对于其他进程要执行额外的权限检查。因此控制对一个重要Binder对象的访问，有2种方式：一是通过限制谁可以获得Binder对象的引用，另一个是执行该Binder对象动作前，检查调用者的身份标志（需要Binder对象自己实现）。

Binder对象可以没有其他功能实现，只被作为权能使用。这种模式下，多个协作进程可同时拥有同一个Binder对象，而作为服务端的进程（处理客户端请求）使用Binder令牌来验证它的客户端，就像Web服务器使用会话Cookie一样。