Android硬件访问服务

硬件访问服务通过硬件抽象层模块来为应用程序提供硬件读写操作。由于硬件抽象层模块是使用C++语言开发的，而应用程序框架层中的硬件访问服务是使用Java语言开发的，因此，硬件访问服务必须通过Java本地接口（Java Native Interface， JNI）来调用硬件抽象层模块的接口。

Android系统的硬件访问服务通常运行在系统进程System中，而使用这些硬件访问服务的应用程序运行在另外的进程中，即应用程序需要通过进程间通信机制来访问这些硬件访问服务。

Android系统提供了一种高效的进程间通信机制——Binder进程间通信机制，应用程序就是通过它来访问运行在系统进程System中的硬件访问服务的。 Binder进程间通信机制要求提供服务的一方必须实现一个具有跨进程访问能力的服务接口，以便使用服务的一方可以通过这个服务接口来访问它。因此，在实现硬件访问服务之前，我们首先要定义它的服务接口。

定义硬件访问服务接口

Android系统提供了一种描述语言来定义具有跨进程访问能力的服务接口，这种描述语言称为Android接口描述语言（Android Interface Definition Language， AIDL）。以AIDL定义的服务接口文件是以aidl为后缀名的，在编译时，编译系统会将它们转换成Java文件，然后再对它们进行编译。

硬件访问服务接口定义 :

// frameworks\base\core\java\android\os\IFregService.aidl

package android.os;

interface IFregService 
{
    // 往虚拟硬件设备freg的寄存器val中写入一个整数
    void setVal(int val);
    // 从虚拟硬件设备freg的寄存器val中读出一个整数
    int getVal();
}

由于服务接口IFregService是使用AIDL语言描述的，所以需要将其添加到编译脚本文件中，这样编译系统才能将其转换为Java文件，然后再对它进行编译

编译脚本文件 :

# frameworks/base/Android.mk

## READ ME: ########################################################
##
## When updating this list of aidl files, consider if that aidl is
## part of the SDK API.  If it is, also add it to the list below that
## is preprocessed and distributed with the SDK.  This list should
## not contain any aidl files for parcelables, but the one below should
## if you intend for 3rd parties to be able to send those objects
## across process boundaries.
##
## READ ME: ########################################################
LOCAL_SRC_FILES += \
    core/java/android/accessibilityservice/IAccessibilityServiceConnection.aidl \
    #...
    core/java/android/net/IThrottleManager.aidl \
    core/java/android/nfc/IP2pTarget.aidl \
    core/java/android/os/IVibratorService.aidl \
    # 将需要的添加到编译脚本文件中
    core/java/android/os/IFregService.aidl \
    core/java/android/service/urlrenderer/IUrlRendererService.aidl \
    #...
    voip/java/android/net/sip/ISipService.aidl
#

编译 :

# 对硬件访问服务接口IFregService进行编译
mmm ./frameworks/base/

编译后得到的framework.jar文件就包含有IFregService接口，它继承了android.os.IInterface接口。

在IFregService接口内部，定义了一个Binder本地对象类Stub，它实现了IFregService接口，并且继承了android.os.Binder类。此外，在IFregService.Stub类内部，还定义了一个Binder代理对象类Proxy，它同样也实现了IFregService接口。

用AIDL定义的服务接口是用来进行进程间通信的，其中， 提供服务的进程称为Server进程，而使用服务的进程称为Client进程。

在Server进程中，每一个服务都对应有一个Binder本地对象，它通过一个桩（Stub）来等待Client进程发送进程间通信请求。

Client进程在访问运行Server进程中的服务之前，首先要获得它的一个Binder代理对象接口（Proxy），然后通过这个Binder代理对象接口向它发送进程间通信请求。

实现硬件访问服务

硬件访问服务实现 :

// frameworks\base\services\java\com\android\server\FregService.java

package com.android.server;

import android.content.Context;
import android.os.IFregService;
import android.util.Slog;

// 硬件访问服务 FregService 继承了 IFregService.Stub 类
public class FregService extends IFregService.Stub 
{
    private static final String TAG = "FregService";

    private int mPtr = 0;

    FregService() 
    {
        // 调用 JNI 方法 init_native 来打开虚拟硬件设备 freg ，
        // 并且获得它的一个句柄值， 保存在成员变量 mPtr 中
        // 这个句柄值实际上是指向虚拟硬件设备freg在硬件抽象层中的一个设备对象
        mPtr = init_native();

        if(mPtr == 0) 
        {
            Slog.e(TAG, "Failed to initialize freg service.");
        }
    }

    public void setVal(int val) 
    {
        if(mPtr == 0) 
        {
            Slog.e(TAG, "Freg service is not initialized.");
            return;
        }
        // 调用 JNI 方法 setVal_native 来写虚拟硬件设备 freg 的寄存器 val
        setVal_native(mPtr, val);
    }    

    public int getVal() 
    {
        if(mPtr == 0) 
        {
            Slog.e(TAG, "Freg service is not initialized.");
            return 0;
        }

        //调用 JNI 方法 getVal_native 来读虚拟硬件设备 freg 的寄存器 val
        return getVal_native(mPtr);
    }

    private static native int init_native();
    private static native void setVal_native(int ptr, int val);
    private static native int getVal_native(int ptr);
};

# 重新编译 Android 系统的 services 模块
mmm ./frameworks/base/services/java/

编译后得到的services.jar文件就包含有FregService类

实现硬件访问服务的JNI方法

实现了硬件访问服务FregService的JNI方法:

// frameworks\base\services\jni\com_android_server_FregService.cpp

#define LOG_TAG "FregServiceJNI"

#include "jni.h"
#include "JNIHelp.h"
#include "android_runtime/AndroidRuntime.h"

#include <utils/misc.h>
#include <utils/Log.h>
#include <hardware/hardware.h>
#include <hardware/freg.h>

#include <stdio.h>

namespace android
{
    //设置虚拟硬件设备 freg 的寄存器的值
    static void freg_setVal(JNIEnv* env, jobject clazz, jint ptr, jint value) 
    {
        int val = value;

        //将参数 ptr 转换为 freg_device_t 结构体变量
        freg_device_t* device = (freg_device_t*)ptr;
        if(!device)
        {
            LOGE("Device freg is not open.");
            return;
        }

        LOGI("Set value %d to device freg.", val);

        device->set_val(device, val);
    }

    //读取虚拟硬件设备freg的寄存器的值
    static jint freg_getVal(JNIEnv* env, jobject clazz, jint ptr)
    {
        int val = 0;

        //将传输ptr转换为 freg_device_t 结构体变量
        freg_device_t* device = (freg_device_t*)ptr;
        if(!device) 
        {
            LOGE("Device freg is not open.");
            return 0;
        }

        device->get_val(device, &val);

        LOGI("Get value %d from device freg.", val);

        return val;
    }

    //打开虚拟硬件设备freg
    static inline int freg_device_open(const hw_module_t* module, 
                                       struct freg_device_t** device) 
    {
        return module->methods->open(module, 
                                     FREG_HARDWARE_DEVICE_ID, 
                                     (struct hw_device_t**)device);
    }

    //初始化虚拟硬件设备freg
    static jint freg_init(JNIEnv* env, jclass clazz)
    {
        freg_module_t* module;
        freg_device_t* device;

        LOGI("Initializing HAL stub freg......");

        //加载硬件抽象层模块freg
        // 根据 FREG_HARDWARE_MODULE_ID 来加载 Android 硬件抽象层模块 freg
        if(hw_get_module(FREG_HARDWARE_MODULE_ID, 
                         (const struct hw_module_t**)&module) == 0) 
        {
            LOGI("Device freg found.");
            //打开虚拟硬件设freg , 打开设备ID为 FREG_HARDWARE_DEVICE_ID 的硬件设备
            if(freg_device_open(&(module->common), &device) == 0) 
            {
                LOGI("Device freg is open.");
                //将freg_device_t 接口转换为整型句柄值值返回
                return (jint)device;
            }

            LOGE("Failed to open device freg.");
            return 0;
        }

        LOGE("Failed to get HAL stub freg.");

        return 0;
    }

    //java本地接口方法表
    // 把JNI方法表method_table注册到Java虚拟机
    // 将函数freg_init、 freg_setVal和 freg_getVal的JNI方法注册
    //为init_native、 setVal_native和 getVal_native
    static const JNINativeMethod method_table[] = {
        {"init_native", "()I", (void*)freg_init},
        {"setVal_native", "(II)V", (void*)freg_setVal},
        {"getVal_native", "(I)I", (void*)freg_getVal},
    };

    //注册java本地接口方法
    int register_android_server_FregService(JNIEnv *env) 
    {
        return jniRegisterNativeMethods(env, 
                                        "com/android/server/FregService", 
                                        method_table, 
                                        NELEM(method_table));
    }

};

增加 register_android_server_FregService函数的声明和调用 :

onload.cpp文件实现在libandroid_servers模块中。当系统加载libandroid_servers模块时，就会调用实现在onload.cpp文件中的JNI_OnLoad函数。这样，就可以将前面定义的三个JNI方法init_native、 setVal_native和getVal_native注册到Java虚拟机中

// frameworks/base/services/jni/onload.cpp

#include "JNIHelp.h"
#include "jni.h"
#include "utils/Log.h"
#include "utils/misc.h"

namespace android 
{
// ...
int register_android_server_location_GpsLocationProvider(JNIEnv* env);
    // 声明
int register_android_server_FregService(JNIEnv* env);
};

using namespace android;

extern "C" jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
    JNIEnv* env = NULL;
    jint result = -1;

    if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
        LOGE("GetEnv failed!");
        return result;
    }
    LOG_ASSERT(env, "Could not retrieve the env!");

    //...
    register_android_server_location_GpsLocationProvider(env);
    //调用
    register_android_server_FregService(env);

    return JNI_VERSION_1_4;
}

进入到frameworks/base/services/jni目录中，打开里面的Android.mk文件，修改变量LOCAL_SRC_FILES的值

# frameworks/base/services/jni/Android.mk

LOCAL_PATH:= $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)

# 修改变量LOCAL_SRC_FILES的值
LOCAL_SRC_FILES:= \
    #...
    com_android_server_location_GpsLocationProvider.cpp \
    com_android_server_FregService.cpp \
    onload.cpp

LOCAL_C_INCLUDES += \
    $(JNI_H_INCLUDE)

LOCAL_SHARED_LIBRARIES := \
    libandroid_runtime \
    libcutils \
    libhardware \
    libhardware_legacy \
    libnativehelper \
    libsystem_server \
    libutils \
    libui \
    libsurfaceflinger_client

ifeq ($(TARGET_SIMULATOR),true)
ifeq ($(TARGET_OS),linux)
ifeq ($(TARGET_ARCH),x86)
LOCAL_LDLIBS += -lpthread -ldl -lrt
endif
endif
endif

ifeq ($(WITH_MALLOC_LEAK_CHECK),true)
    LOCAL_CFLAGS += -DMALLOC_LEAK_CHECK
endif

LOCAL_MODULE:= libandroid_servers

include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

# 重新编译libandroid_servers模块 , 得到的libandroid_servers.so文件
mmm ./frameworks/base/services/jni/

编译后得到的libandroid_servers.so文件就包含有init_native、 setVal_native和getVal_native这三个JNI方法

启动硬件访问服务

Android系统的硬件访问服务通常是在系统进程System中启动的，而系统进程System是由应用程序孵化器进程Zygote负责启动的。由于应用程序孵化器进程Zygote是在系统启动时启动的，所以要把硬件访问服务运行在系统进程System中，就实现了开机时自动启动

打开里面的SystemServer.java文件，修改ServerThread类的成员函数run的实现

// frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java
//...
class ServerThread extends Thread 
{
    //...
    // 修改 ServerThread 类的成员函数run的实现
    @Override
    public void run() 
    {
        //...
        if (factoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) 
        {
            //...
            try {
                Slog.i(TAG, "DiskStats Service");
                ServiceManager.addService("diskstats", new DiskStatsService(context));
            } catch (Throwable e) {
                Slog.e(TAG, "Failure starting DiskStats Service", e);
            }

            try {
                Slog.i(TAG, "Freg Service");
                ServiceManager.addService("freg", new FregService());
            } catch (Throwable e) {
                Slog.e(TAG, "Failure starting Freg Service", e);
            }
        }
        //...
    }
}

//...

系统进程System在启动时，会创建一个ServerThread线程来启动系统中的关键服务，其中就包括一些硬件访问服务。

在ServerThread类的成员函数run中，首先创建一个FregService实例，然后把它注册到Service Manager中。 Service Manager是Android系统的Binder进程间通信机制的一个重要角色，它负责管理系统中的服务对象。

注册到Service Manager中的服务对象都有一个对应的名称，使用这些服务的Client进程就是通过这些名称来向Service Manager请求它们的Binder代理对象接口的，以便可以访问它们所提供的服务。硬件访问服务FregService注册到Service Manager之后，它的启动过程就完成了

# 重新编译services模块
mmm ./frameworks/base/services/java/

编译后得到的services.jar文件就包含有硬件访问服务FregService，并且在系统启动时，将它运行在系统进程System中

# 重新打包Android系统镜像文件system.img
make snod

由于个人水平有限, 难免有些错误, 希望各位点评

@Author: cpu_code
@Date: 2020-07-15 12:31:07
@LastEditTime: 2020-07-16 12:19:42
@FilePath: \notes\android_bottom\hardware_abstraction_layer\Android_hardware_access_service.md
@Gitee: https://gitee.com/cpu_code
@Github: https://github.com/CPU-Code
@CSDN: https://blog.csdn.net/qq_44226094
@Gitbook: https://923992029.gitbook.io/cpucode/

Android硬件访问服务 JNI实现 图解调用关系

Android硬件访问服务

定义硬件访问服务接口

实现硬件访问服务

实现硬件访问服务的JNI方法

启动硬件访问服务

Android硬件访问服务 JNI实现图解调用关系