Andromeda:适用于多进程架构的组件通信框架

发表于

引言

其实Android的组件化由来已久，而且已经有了一些不错的方案，特别是在页面跳转这方面，比如阿里的ARouter, 天猫的统跳协议, Airbnb的DeepLinkDispatch, 借助注解来完成页面的注册，从而很巧妙地实现了路由跳转。

但是，尽管像ARouter等方案其实也支持接口的路由，然而令人遗憾的是只支持单进程的接口路由。

而目前爱奇艺App中，由于复杂的业务场景，导致既有单进程的通信需求，也有跨进程的通信需求，并且还要支持跨进程通信中的Callback调用，以及全局的事件总线。

那能不能设计一个方案，做到满足以上需求呢？

这就是Andromeda的诞生背景，在确定了以上需求之后，分析论证了很多方案，最终选择了目前的这个方案，在满足要求的同时，还做到了整个进程间通信的阻塞式调用，从而避免了非常ugly的异步连接代码。

Andromeda的功能

Andromeda目前已经开源，开源地址为开源地址为https://github.com/iqiyi/Andromeda.

由于页面跳转已经有完整而成熟的方案，所以Andromeda就不再做页面路由的功能了。目前Andromeda主要包含以下功能:

  • 本地服务路由，注册本地服务是registerLocalService(Class, Object), 获取本地服务是getLocalService(Class);
  • 远程服务路由，注册远程服务是registerRemoteService(Class, Object), 获取远程服务是getRemoteService(Class);
  • 全局(含所有进程)事件总线, 订阅事件为subscribe(String, EventListener), 发布事件为publish(Event);
  • 远程方法回调，如果某个业务接口需要远程回调，可以在定义aidl接口时使用IPCCallback;

注: 这里的服务不是Android中四大组件的Service,而是指提供的接口与实现。为了表示区分，后面的服务均是这个含义，而Service则是指Android中的组件。

这里为什么需要区分本地服务和远程服务呢？

最重要的一个原因是本地服务的参数和返回值类型不受限制，而远程服务则受binder通信的限制。

可以说，Andromeda的出现为组件化完成了最后一块拼图。

Andromeda和其他组件间通信方案的对比如下:

易用性 IPC性能 支持IPC 支持跨进程事件总线 支持IPC Callback
Andromeda 好 高 Yes Yes Yes
DDComponentForAndroid 较差 – No No No
ModularizationArchitecture 较差 低 Yes No No

接口依赖还是协议依赖

这个讨论很有意思，因为有人觉得使用Event或ModuleBean来作为组件间通信载体的话，就不用每个业务模块定义自己的接口了，调用方式也很统一。

但是这样做的缺陷也很明显：第一，虽然不用定义接口了，但是为了适应各自的业务需求，如果使用Event的话，需要定义许多Event; 如果使用ModuleBean的话，需要为每个ModuleBean定义许多字段，甚至于即使是让另一方调用一个空方法，也需要创建一个ModuleBean对象，这样的消耗是很大的; 而且随着业务增多，这个模块对应的ModuleBean中需要定义的字段会越来越多，消耗会越来越大。

第二，代码可读性较差。定义Event/ModuleBean的方式不如接口调用那么直观，不利于项目的维护；

第三，正如微信Android模块化架构重构实践(上)中说到的那样，”我们理解的协议通信，是指跨平台/序列化的通信方式，类似终端和服务器间的通信或restful这种。现在这种形式在终端内很常见了。协议通信具备一种很强力解耦能力，但也有不可忽视的代价。无论什么形式的通信，所有的协议定义需要让通讯两方都能获知。通常为了方便会在某个公共区域存放所有协议的定义，这情况和Event引发的问题有点像。另外，协议如果变化了，两端怎么同步就变得有点复杂，至少要配合一些框架来实现。在一个应用内，这样会不会有点复杂？用起来好像也不那么方便？更何况它究竟解决多少问题呢”。

显然，协议通信用作组件间通信的话太重了，从而导致它应对业务变化时不够灵活。

所以最终决定采用”接口+数据结构”的方式进行组件间通信，对于需要暴露的业务接口和数据结构，放到一个公共的module中。

跨进程路由方案的实现

本地服务的路由就不说了，一个Map就可以搞定。

比较麻烦的是远程服务，要解决以下难题:

  • 让任意两个组件都能够很方便地通信，即一个组件注册了自己的远程服务，任意一个组件都能轻易调用到
  • 让远程服务的注册和使用像本地服务一样简单，即要实现阻塞调用
  • 不能降低通信的效率

封装bindService

这里最容易想到的就是对传统的Android IPC通信方式进行封装，即在bindService()的基础上进行封装，比如ModularizationArchitecture这个开源库中的WideRouter就是这样做的，构架图如下:

这个方案有两个明显的缺陷:

  • 每次IPC都需要经过WideRouter,然后再转发到对应的进程，这样就导致了本来一次IPC可以解决的问题，需要两次IPC解决，而IPC本身就是比较耗时的
  • 由于bindService是异步的，实际上根本做不到真正的阻塞调用
  • WideConnectService需要存活到最后，这样的话就要求WideConnectService需要在存活周期最长的那个进程中，而现在无法动态配置WideConnectService所在的进程，导致在使用时不方便

考虑到这几个方面，这个方案pass掉。

Hermes

这是之前一个饿了么同事写的开源框架，它最大的特色就是不需要写AIDL接口，可以直接像调用本地接口一样调用远程接口。

而它的原理则是利用动态代理+反射的方式来替换AIDL生成的静态代理，但是它在跨进程这方面本质上采用的仍然是bindService()的方式，如下:

其中Hermes.connect()本质上还是bindService()的方式，那同样存在上面的那些问题。另外，Hermes目前还不能很方便地配置进程，以及还不支持in, out, inout等IPC修饰符。

不过，尽管有以上缺点，Hermes仍然是一个优秀的开源框架，至少它提供了一种让IPC通信和本地通信一样简单的思路。

最终方案

再回过头来思考前面的方案，其实要调用远程服务，无非就是要获取到通信用的IBinder,而前面那两个方案最大的问题就是把远程服务IBinder的获取和Service绑定在了一起，那是不是一定要绑定在一起呢? 有没有可能不通过Service来获取IBinder呢?

其实是可以的，我们只需要有一个binder的管理器即可。

核心流程

最终采用了注册-使用的方式，整体架构如下图:

这个架构的核心就是Dispatcher和RemoteTransfer， Dispatcher负责管理所有进程的业务binder以及各进程中RemoteTransfer的binder; 而RemoteTransfer负责管理它所在进程所有Module的服务binder.

详细分析如下。

每个进程有一个RemoteTransfer,它负责管理这个进程中所有Module的远程服务，包含远程服务的注册、注销以及获取，RemoteTransfer提供的远程服务接口为:

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interface IRemoteTransfer {
    oneway void registerDispatcher(IBinder dispatcherBinder);
   
    oneway void unregisterRemoteService(String serviceCanonicalName);
    oneway void notify(in Event event);
}

这个接口是给binder管理者Dispatcher使用的，其中registerDispatcher()是Dispatcher将自己的binder反向注册到RemoteTransfer中，之后RemoteTransfer就可以使用Dispatcher的代理进行服务的注册和注销了。

在进程初始化时，RemoteTransfer将自己的信息(其实就是自身的binder)发送给与Dispatcher同进程的DispatcherService, DispatcherService收到之后通知Dispatcher, Dispatcher就通过RemoteTransfer的binder将自己反射注册过去，这样RemoteTransfer就获取到了Dispatcher的代理。

这个过程用流程图表示如下:

这个注册过程一般发生在子进程初始化的时候，但是其实即使在子进程初始化时没有注册也不要紧，其实是可以推迟到需要将自己的远程服务提供出去，或者需要获取其他进程的Module的服务时再做这件事也可以，具体原因在下一小节会分析。

远程服务注册的流程如下所示:

Dispatcher则持有所有进程的RemoteTransfer的代理binder, 以及所有提供服务的业务binder, Dispatcher提供的远程服务接口是IDispatcher,其定义如下:

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interface IDispatcher {
   BinderBean getTargetBinder(String serviceCanonicalName);
   
   IBinder fetchTargetBinder(String uri);
   void registerRemoteTransfer(int pid,IBinder remoteTransferBinder);
   void registerRemoteService(String serviceCanonicalName,String processName,IBinder binder);
   void unregisterRemoteService(String serviceCanonicalName);
   void publish(in Event event);
}

Dispatcher提供的服务是由RemoteTransfer来调用的，各个方法的命名都很相信大家都能看懂，就不赘述了。

同步获取binder的问题

前面的方案中有一个问题我们还没有提到，那就是同步获取服务binder的问题。

设想这样一个场景：在Dispatcher反向注册之前，就有一个Module想要调用另外一个进程中的某个服务(这个服务已经注册到Dispatcher中), 那么此时如何同步获取呢？

这个问题的核心其实在于，如何同步获取IDispatcher的binder?

其实是有办法的，那就是通过ContentProvider!

有两种通过ContentProvider直接获取IBinder的方式，比较容易想到的是利用ContentProviderClient, 其调用方式如下:

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public static Bundle call(Context context, Uri uri, String method, String arg, Bundle extras) {
       if (Build.VERSION.SDK_INT < Build.VERSION_CODES.JELLY_BEAN_MR1) {
           return context.getContentResolver().call(uri, method, arg, extras);
       }
       ContentProviderClient client = tryGetContentProviderClient(context, uri);
       Bundle result = null;
       if (null == client) {
           Logger.i("Attention!ContentProviderClient is null");
       }
       try {
           result = client.call(method, arg, extras);
       } catch (RemoteException ex) {
           ex.printStackTrace();
       } finally {
           releaseQuietly(client);
       }
       return result;
   }
   private static ContentProviderClient tryGetContentProviderClient(Context context, Uri uri) {
       int retry = 0;
       ContentProviderClient client = null;
       while (retry <= RETRY_COUNT) {
           SystemClock.sleep(100);
           retry++;
           client = getContentProviderClient(context, uri);
           if (client != null) {
               return client;
           }
           //SystemClock.sleep(100);
       }
       return client;
   }
   private static ContentProviderClient getContentProviderClient(Context context, Uri uri) {
       if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.JELLY_BEAN) {
           return context.getContentResolver().acquireUnstableContentProviderClient(uri);
       }
       return context.getContentResolver().acquireContentProviderClient(uri);
   }

可以在调用结果的Bundle中携带IBinder即可，但是这个方案的问题在于ContentProviderClient兼容性较差，在有些手机上第一次运行时会crash，这样显然无法接受。

另外一种方式则是借助ContentResolver的query()方法，将binder放在Cursor中，如下:

DispatcherCursor的定义如下，其中，generateCursor()方法用于将binder放入Cursor中，而stripBinder()方法则用于将binder从Cursor中取出。

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public class DispatcherCursor extends MatrixCursor {
    public static final String KEY_BINDER_WRAPPER = "KeyBinderWrapper";
    private static Map<String, DispatcherCursor> cursorMap = new ConcurrentHashMap<>();
    public static final String[] DEFAULT_COLUMNS = {"col"};
    private Bundle binderExtras = new Bundle();
    public DispatcherCursor(String[] columnNames, IBinder binder) {
        super(columnNames);
        binderExtras.putParcelable(KEY_BINDER_WRAPPER, new BinderWrapper(binder));
    }
    @Override
    public Bundle getExtras() {
        return binderExtras;
    }
    public static DispatcherCursor generateCursor(IBinder binder) {
        try {
            DispatcherCursor cursor;
            cursor = cursorMap.get(binder.getInterfaceDescriptor());
            if (cursor != null) {
                return cursor;
            }
            cursor = new DispatcherCursor(DEFAULT_COLUMNS, binder);
            cursorMap.put(binder.getInterfaceDescriptor(), cursor);
            return cursor;
        } catch (RemoteException ex) {
            return null;
        }
    }
    public static IBinder stripBinder(Cursor cursor) {
        if (null == cursor) {
            return null;
        }
        Bundle bundle = cursor.getExtras();
        bundle.setClassLoader(BinderWrapper.class.getClassLoader());
        BinderWrapper binderWrapper = bundle.getParcelable(KEY_BINDER_WRAPPER);
        return null != binderWrapper ? binderWrapper.getBinder() : null;
    }
}

其中BinderWrapper是binder的包装类，其定义如下:

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public class BinderWrapper implements Parcelable {
    private final IBinder binder;
    public BinderWrapper(IBinder binder) {
        this.binder = binder;
    }
    public BinderWrapper(Parcel in) {
        this.binder = in.readStrongBinder();
    }
    public IBinder getBinder() {
        return binder;
    }
    @Override
    public int describeContents() {
        return 0;
    }
    @Override
    public void writeToParcel(Parcel dest, int flags) {
        dest.writeStrongBinder(binder);
    }
    public static final Creator<BinderWrapper> CREATOR = new Creator<BinderWrapper>() {
        @Override
        public BinderWrapper createFromParcel(Parcel source) {
            return new BinderWrapper(source);
        }
        @Override
        public BinderWrapper[] newArray(int size) {
            return new BinderWrapper[size];
        }
    };
}

再回到我们的问题，其实只需要设置一个与Dispatcher在同一个进程的ContentProvider,那么这个问题就解决了。

Dispatcher的进程设置

由于Dispatcher承担着管理各进程的binder的重任，所以不能让它轻易狗带。

对于绝大多数App，主进程是存活时间最长的进程，将Dispatcher置于主进程就可以了。

但是，有些App中存活时间最长的不一定是主进程，比如有的音乐App, 将主进程杀掉之后，播放进程仍然存活，此时显然将Dispatcher置于播放进程是一个更好的选择。

为了让使用Andromeda这个方案的开发者能够根据自己的需求进行配置，提供了DispatcherExtension这个Extension, 开发者在apply plugin: ‘org.qiyi.svg.plugin’之后，可在gradle中进行配置:

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dispatcher{
    process ":downloader"
}

当然，如果主进程就是存活时间最长的进程的话，则不需要做任何配置，只需要apply plugin: ‘org.qiyi.svg.plugin’即可。

提升服务提供方的进程优先级

其实本来Andromeda作为一个提供通信的框架，我并不想做任何提供进程优先级有关的事情，但是根据一些以往的统计数据，为了尽可能地避免在通信过程中出现binderDied问题，至少在通信过程中需要让服务提供方的进程优先级与client端的进程优先级接近，以减少服务提供方进程被杀的概率。

实际上bindService()就做了提升进程优先级的事情。在我的博客bindService过程解析中就分析过，bindService()实质上是做了以下事情:

  • 获取服务提供方的binder
  • client端通过bind操作，让Service所在进程的优先级提高

整个过程如下所示:

所以在这里就需要与Activity/Fragment联系起来了，在一个Activity/Fragment中首次使用某个远程服务时，会进行bind操作，以提升服务提供方的进程优先级。

而在Activity/Fragment的onDestroy()回调中，再进行unbind()操作，将连接释放。

这里有一个问题，就是虽然bind操作对用户不可见，但是怎么知道bind哪个Service呢？

其实很简单，在编译时，会为每个进程都插桩一个StubService, 并且在StubServiceMatcher这个类中，插入进程名与StubService的对应关系(编译时通过javassist插入代码)，这样根据进程名就可以获取对应的StubService.

而IDispatcher的getRemoteService()方法中获取的BinderBean就包含有进程名信息。

生命周期管理

上一节提到了在Activity/Fragment的onDestroy()中需要调用unbind()操作释放连接，如果这个unbind()让开发者来调用，就太麻烦了。

所以这里就要想办法在Activity/Fragment回调onDestroy()时我们能够监听到，然后自动给它unbind()掉，那么如何能做到这一点呢？

其实可以借鉴Glide的方式，即利用Fragment/Activity的FragmentManager创建一个监听用的Fragment, 这样当Fragment/Activity回调onDestroy()时，这个监听用的Fragment也会收到回调，在这个回调中进行unbind操作即可。

回调监听的原理如下图所示:

当时其实有考虑过是否借助Google推出的Arch componentss来处理生命周期问题，但是考虑到还有的团队没有接入这一套，加上arch components的方案其实也变过多次，所以就暂时采用了这种方案，后面会视情况决定是否借助arch components的方案来进行生命周期管理 。

IPCCallback

为什么需要IPCCallback呢？

对于耗时操作，我们直接在client端的work线程调用是否可以？

虽然可以，但是server端可能仍然需要把耗时操作放在自己的work线程中执行，执行完毕之后再回调结果，所以这种情况下client端的work线程就有点多余。

所以为了使用方便，就需要一个IPCCallback, 在server端处理耗时操作之后再回调。

对于需要回调的AIDL接口，其定义如下:

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interface IBuyApple {
        int buyAppleInShop(int userId);
        void buyAppleOnNet(int userId,IPCCallback callback);
    }

而client端的调用如下:

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IBinder buyAppleBinder = Andromeda.getRemoteService(IBuyApple.class);
        if (null == buyAppleBinder) {
            return;
        }
        IBuyApple buyApple = IBuyApple.Stub.asInterface(buyAppleBinder);
        if (null != buyApple) {
            try {
                buyApple.buyAppleOnNet(10, new IPCCallback.Stub() {
                    @Override
                    public void onSuccess(Bundle result) throws RemoteException {
                       ...
                    }
                    @Override
                    public void onFail(String reason) throws RemoteException {
                       ...
                    }
                });
            } catch (RemoteException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }

但是考虑到回调是在Binder线程中，而绝大部分情况下调用者希望回调在主线程，所以lib封装了一个BaseCallback给接入方使用，如下:

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IBinder buyAppleBinder = Andromeda.getRemoteService(IBuyApple.class);
        if (null == buyAppleBinder) {
            return;
        }
        IBuyApple buyApple = IBuyApple.Stub.asInterface(buyAppleBinder);
        if (null != buyApple) {
            try {
                buyApple.buyAppleOnNet(10, new BaseCallback() {
                    @Override
                    public void onSucceed(Bundle result) {
                       ...
                    }
                    @Override
                    public void onFailed(String reason) {
                        ...
                    }
                });
            } catch (RemoteException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }

开发者可根据自己需求进行选择。

事件总线

由于Dispatcher有了各进程的RemoteTransfer的binder, 所以在此基础上实现一个事件总线就易如反掌了。

简单地说，事件订阅时由各RemoteTransfer记录各自进程中订阅的事件信息; 有事件发布时，由发布者通知Dispatcher, 然后Dispatcher再通知各进程，各进程的RemoteTransfer再通知到各事件订阅者。

事件

Andromeda中Event的定义如下:

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public class Event implements Parcelable {
    private String name;
    private Bundle data;
    
    ...
}

即 事件=名称+数据，通信时将需要传递的数据存放在Bundle中。
其中名称要求在整个项目中唯一，否则可能出错。 由于要跨进程传输，所以所有数据只能放在Bundle中进行包装。

事件订阅

事件订阅很简单，首先需要有一个实现了EventListener接口的对象。 然后就可以订阅自己感兴趣的事件了，如下:

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Andromeda.subscribe(EventConstants.APPLE_EVENT,MainActivity.this);

其中MainActivity实现了EventListener接口，此处表示订阅了名称为EventConstnts.APPLE_EVENT的事件。

事件发布

事件发布很简单，调用publish方法即可，如下:

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Bundle bundle = new Bundle();
bundle.putString("Result", "gave u five apples!");
Andromeda.publish(new Event(EventConstants.APPLE_EVENT, bundle));

InterStellar

在写Andromeda这个框架的过程中，有两件事引起了我的注意，第一件事是由于业务binder太多导致SWT异常(即Android Watchdog Timeout).

第二件事是跟同事交流的过程中，思考过能不能不写AIDL接口, 让远程服务真正地像本地服务一样简单。

所以就有了InterStellar, 可以简单地将其理解为Hermes的加强版本，不过实现方式并不一样，而且InterStellar支持IPC修饰符in, out, inout和oneway.

借助InterStellar, 可以像定义本地接口一样定义远程接口，如下:

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public interface IAppleService {
       int getApple(int money);
       float getAppleCalories(int appleNum);
       String getAppleDetails(int appleNum,  String manifacture,  String tailerName, String userName,  int userId);
       @oneway
       void oneWayTest(Apple apple);
       String outTest1(@out Apple apple);
       String outTest2(@out int[] appleNum);
       String outTest3(@out int[] array1, @out String[] array2);
       String outTest4(@out Apple[] apples);
       String inoutTest1(@inout Apple apple);
       String inoutTest2(@inout Apple[] apples);
   }

而接口的实现也跟本地服务的实现完全一样，如下:

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public class AppleService implements IAppleService {
    @Override
    public int getApple(int money) {
        return money / 2;
    }
    @Override
    public float getAppleCalories(int appleNum) {
        return appleNum * 5;
    }
    @Override
    public String getAppleDetails(int appleNum, String manifacture, String tailerName, String userName, int userId) {
        manifacture = "IKEA";
        tailerName = "muji";
        userId = 1024;
        if ("Tom".equals(userName)) {
            return manifacture + "-->" + tailerName;
        } else {
            return tailerName + "-->" + manifacture;
        }
    }
    @Override
    public synchronized void oneWayTest(Apple apple) {
        if(apple==null){
            Logger.d("Man can not eat null apple!");
        }else{
            Logger.d("Start to eat big apple that weighs "+apple.getWeight());
            try{
                wait(3000);
                //Thread.sleep(3000);
            }catch(InterruptedException ex){
                ex.printStackTrace();
            }
            Logger.d("End of eating apple!");
        }
    }
    @Override
    public String outTest1(Apple apple) {
        if (apple == null) {
            apple = new Apple(3.2f, "Shanghai");
        }
        apple.setWeight(apple.getWeight() * 2);
        apple.setFrom("Beijing");
        return "Have a nice day!";
    }
    @Override
    public String outTest2(int[] appleNum) {
        if (null == appleNum) {
            return "";
        }
        for (int i = 0; i < appleNum.length; ++i) {
            appleNum[i] = i + 1;
        }
        return "Have a nice day 02!";
    }
    @Override
    public String outTest3(int[] array1, String[] array2) {
        for (int i = 0; i < array1.length; ++i) {
            array1[i] = i + 2;
        }
        for (int i = 0; i < array2.length; ++i) {
            array2[i] = "Hello world" + (i + 1);
        }
        return "outTest3";
    }
    @Override
    public String outTest4(Apple[] apples) {
        for (int i = 0; i < apples.length; ++i) {
            apples[i] = new Apple(i + 2f, "Shanghai");
        }
        return "outTest4";
    }
    @Override
    public String inoutTest1(Apple apple) {
        Logger.d("AppleService-->inoutTest1,apple:" + apple.toString());
        apple.setWeight(3.14159f);
        apple.setFrom("Germany");
        return "inoutTest1";
    }
    @Override
    public String inoutTest2(Apple[] apples) {
        Logger.d("AppleService-->inoutTest2,apples[0]:" + apples[0].toString());
        for (int i = 0; i < apples.length; ++i) {
            apples[i].setWeight(i * 1.5f);
            apples[i].setFrom("Germany" + i);
        }
        return "inoutTest2";
    }
}

可见整个过程完全不涉及到AIDL.

那它是如何实现的呢？

答案就藏在Transfer中。本质上AIDL编译之后生成的Proxy其实是提供了接口的静态代理，那么我们其实可以改成动态代理来实现，将服务方法名和参数传递到服务提供方，然后调用相应的方法，最后将结果回传即可。

InterStellar的分层架构如下:

关于InterStellar的实现详情，可以到InterStellar github中查看。

总结

在Andromeda之前，可能是由于业务场景不够复杂的原因，绝大多数通信框架都要么没有涉及IPC问题，要么解决方案不优雅，而Andromeda的意义在于同时融合了本地通信和远程通信，只有做到这样，我觉得才算完整地解决了组件通信的问题。

其实跨进程通信都是在binder的基础上进行封装，Andromeda的创新之处在于将binder与Service进行剥离，从而使服务的使用更加灵活。

最后，Andromeda目前已经开源，开源地址为https://github.com/iqiyi/Andromeda，欢迎大家star和fork，有任何问题也欢迎大家提issue.