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Android - IPC 多进程

概述

IPC 即 Inter-Process Communication，含义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的过程。

线程是 CPU 调度的最小单元，是一种有限的系统资源。进程一般指一个执行单元，在PC和移动设备上是指一个程序或者应用。进程与线程是包含与被包含的关系。一个进程可以包含多个线程。最简单的情况下一个进程只有一个线程，即主线程（例如 Android 的 UI 线程）。

任何操作系统都需要有相应的 IPC 机制。在 Android 中，IPC 的使用场景大概有以下：

  1. 有些模块由于特殊原因需要运行在单独的进程中。
  2. 通过多进程来获取多份内存空间。
  3. 当前应用需要向其他应用获取数据。

1. 开启多进程模式

给四大组件在Manifest中指定 android:process 属性。这个属性的值就是进程名。

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<service
    android:name=".service.RemoteService"
    android:process=":remote">
</service>

tips：使用 adb shell ps 或 adb shell ps|grep 包名 查看当前所存在的进程信息。

2. 多线程模式的运行机制

Android 为每个进程都分配了一个独立的虚拟机，不同虚拟机在内存分配上有不同的地址空间，导致不同的虚拟机访问同一个类的对象会产生多份副本。例如不同进程的 Activity 对静态变量的修改，对其他进程不会造成任何影响。所有运行在不同进程的四大组件，只要它们之间需要通过内存在共享数据，都会共享失败。四大组件之间不可能不通过中间层来共享数据。

多进程会带来以下问题：

  1. 静态成员和单例模式完全失效。
  2. 线程同步锁机制完全失效。这两点都是因为不同进程不在同一个内存空间下，锁的对象也不是同一个对象。
  3. SharedPreferences 的可靠性下降。SharedPreferences 底层是 通过读/写 XML 文件实现的，并发读/写会导致一定几率的数据丢失。
  4. Application 会多次创建。

由于系统创建新的进程的同时分配独立虚拟机，其实这就是启动一个应用的过程。在多进程模式中，不同进程的组件拥有独立的虚拟机、Application以及内存空间。实现跨进程的方式有很多：

  1. Intent传递数据。
  2. 共享文件和SharedPreferences。
  3. 基于Binder的Messenger和AIDL。
  4. Socket。

3. Binder

Android 中进程间通讯的核心就是 Binder 机制，强烈建议了解一下 Binder 机制。

Android Binder 进程间通讯

4. Android 中的 IPC 方式

主要有以下方式：

  1. Intent 中附加 extras 来传递消息
  2. 共享文件
  3. Binder 方式
  4. 四大组件之一的 ContentProvider
  5. Socket

1. 使用Bundle

四大组件中的三大组件（Activity、Service、Receiver）都支持在 Intent 中传递 Bundle 数据。Bundle 实现了 Parcelable 接口，**当我们在一个进程中启动了另一个进程的 Activity、Service、Receiver，可以再 Bundle 中附加我们需要传输给远程进程的消息并通过 Intent 发送出去。被传输的数据必须能够被序列化。

2. 使用文件共享

一些概念：

  1. 两个进程通过读写同一个文件来交换数据。还可以通过 ObjectOutputStream / ObjectInputStream 序列化一个对象到文件中，或者在另一个进程从文件中反序列这个对象。

    注意：反序列化得到的对象只是内容上和序列化之前的对象一样，本质是两个对象。

  2. 文件并发读写会导致读出的对象可能不是最新的，并发写的话那就更严重了。所以文件共享方式适合对数据同步要求不高的进程之间进行通信，并且要妥善处理并发读写问题。
  3. SharedPreferences 底层实现采用XML文件来存储键值对。系统对它的读/写有一定的缓存策略，即在内存中会有一份 SharedPreferences 文件的缓存，因此在多进程模式下，系统对它的读/写变得不可靠，面对高并发读/写时 SharedPreferences 有很大几率丢失数据，因此不建议在IPC中使用 SharedPreferences 。

3. 使用 Messenger

Messenger 可以在不同进程间传递 Message 对象。是一种轻量级的 IPC 方案，底层实现是 AIDL。

具体使用时，分为服务端和客户端：

  1. 服务端：创建一个 Service 来处理客户端请求，同时创建一个 Handler 并通过它来创建一个Messenger，然后再 Service 的 onBind 中返回 Messenger 对象底层的 Binder 即可。

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    private final Messenger mMessenger = new Messenger (new xxxHandler());

  2. 客户端：绑定服务端的 Sevice，利用服务端返回的 IBinder 对象来创建一个 Messenger，通过这个 Messenger 就可以向服务端发送消息了，消息类型是 Message 。如果需要服务端响应，则需要创建一个Handler并通过它来创建一个 Messenger（和服务端一样），并通过 Message 的 replyTo 参数传递给服务端。服务端通过 Message 的 replyTo 参数就可以回应客户端了。

  3. 总而言之，就是客户端和服务端 拿到对方的 Messenger 来发送 Message 。只不过客户端通过 bindService 而服务端通过 message.replyTo 来获得对方的Messenger。
  4. Messenger中有一个 Hanlder 以串行的方式处理队列中的消息。不存在并发执行，因此我们不用考虑线程同步的问题。

4. 使用 AIDL

如果有大量的并发请求，使用 Messenger 就不太适合，同时如果需要跨进程调用服务端的方法，Messenger 就无法做到了。这时我们可以使用AIDL。

流程如下：

  1. 服务端需要创建 Service来监听客户端请求，然后创建一个 AIDL 文件，将暴露给客户端的接口在AIDL文件中声明，最后在Service中实现这个AIDL接口即可。
  2. 客户端首先绑定服务端的 Service，绑定成功后，将服务端返回的 Binder 对象转成 AIDL 接口所属的类型，接着就可以调用 AIDL 中的方法了。

注意事项：

  1. AIDL 支持的数据类型：
  • 基本数据类型、String、CharSequence
  • List：只支持 ArrayList，里面的每个元素必须被AIDL支持
  • Map：只支持 HashMap，里面的每个元素必须被AIDL支持
  • Parcelable
  • 所有的AIDL接口本身也可以在AIDL文件中使用
  1. 自定义的 Parcelable 对象和 AIDL 对象，不管它们与当前的 AIDL 文件是否位于同一个包，都必须显式 import 进来。

  2. 如果 AIDL 文件中使用了自定义的 Parcelable 对象，就必须新建一个和它同名的 AIDL 文件，并在其中声明它为 Parcelable 类型。

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    2
    package com.ryg.chapter_2.aidl;
    parcelable Book;

  3. AIDL接口中的参数除了基本类型以外都必须表明方向in/out。AIDL接口文件中只支持方法，不支持声明静态常量。建议把所有和AIDL相关的类和文件放在同一个包中，方便管理。

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    void addBook(in Book book);

  4. AIDL方法是在服务端的Binder线程池中执行的，因此当多个客户端同时连接时，管理数据的集合直接采用 CopyOnWriteArrayList 来进行自动线程同步。类似的还有 ConcurrentHashMap 。

  5. 因为客户端的 listener 和服务端的 listener 不是同一个对象，所以 RecmoteCallbackList 是系统专门提供用于删除跨进程 listener 的接口，支持管理任意的 AIDL 接口，因为所有 AIDL 接口都继承自 IInterface 接口。 
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    public class RemoteCallbackList<E extends IInterface>

它内部通过一个Map接口来保存所有的 AIDL 回调，这个Map的key是 IBinder 类型，value是 Callback 类型。当客户端解除注册时，遍历服务端所有listener，找到和客户端 listener 具有相同 Binder 对象的服务端 listenr 并把它删掉。

  1. 客户端 RPC 的时候线程会被挂起，由于被调用的方法运行在服务端的 Binder 线程池中，可能很耗时，不能在主线程中去调用服务端的方法。

5. 使用ContentProvider

  1. ContentProvider 是四大组件之一，其底层实现和 Messenger 一样是 Binder。ContentProvider 天生就是用来进程间通信，只需要实现一个自定义或者系统预设置的 ContentProvider，通过 ContentResolver 的 query、update、insert 和 delete 方法即可。
  2. 创建 ContentProvider，只需继承 ContentProvider 实现 onCreate 、 query 、 update 、 insert 、 getType 六个抽象方法即可。除了 onCreate 由系统回调并运行在主线程，其他五个方法都由外界调用并运行在Binder线程池中。

6. 使用Socket

Socket 可以实现计算机网络中的两个进程间的通信，当然也可以在本地实现进程间的通信。服务端 Service 监听本地端口，客户端连接指定的端口，建立连接成功后，拿到 Socket 对象就可以向服务端发送消息或者接受服务端发送的消息。

5. 具体实现

参考代码：

https://github.com/jeanboydev/Android-AIDLTest

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