第 39 章：USB、ADB 与 MTP-北京尧图网络

Android 的 USB 连接可同时服务三类完全不同的使用场景：开发者通过 ADB 调试应用、普通用户通过 MTP 传输照片、配件厂商通过 USB 主机模式接入游戏手柄。每一类场景都使用软件栈中独立的模块，该软件栈覆盖从用户空间 Java 服务，一直到 Linux 内核的 USB 小工具（gadget）与主机控制器驱动。本章追踪 USB 线路上每一字节数据的流向，依次经过 HAL 层、框架层服务，最终抵达应用层，全文会引用真实的 AOSP 源码路径。39.1 USB 框架概述39.1.1 整体架构概览Android USB 子系统划分为 4 个垂直层级：公开 SDK API（UsbManager）、系统服务（UsbService 及其子管理器）、硬件抽象层（AIDL HAL 接口 IUsb、IUsbGadget）、Linux 内核 USB 子系统（gadget 驱动、主机控制器驱动、configfs、functionfs）。39.1.2 核心组件组件类型源码路径作用UsbManagerSDK APIframeworks/base/core/java/android/hardware/usb/UsbManager.java应用使用的公开 APIUsbService系统服务frameworks/base/services/usb/.../UsbService.java核心协调器UsbDeviceManager内部管理器frameworks/base/services/usb/.../UsbDeviceManager.javaGadget 模式状态机UsbHostManager内部管理器frameworks/base/services/usb/.../UsbHostManager.java主机模式设备枚举UsbPortManager内部管理器frameworks/base/services/usb/.../UsbPortManager.javaType‑C 端口管理UsbPermissionManager内部管理器frameworks/base/services/usb/.../UsbPermissionManager.java按用户跟踪权限IUsbAIDL HALhardware/interfaces/usb/aidl/.../IUsb.aidl端口状态、角色切换IUsbGadgetAIDL HALhardware/interfaces/usb/gadget/aidl/.../IUsbGadget.aidlGadget 功能配置adbd原生守护进程packages/modules/adb/daemon/main.cppADB 守护进程MTP Native原生库frameworks/av/media/mtp/MTP 协议实现MTP ServiceJava 服务packages/services/Mtp/MTP 文档提供者39.1.3 双模式架构：Gadget 模式与主机模式同一个 USB Type‑C 端口可工作在两种完全不同的模式，模式由 USB 供电协议协商得到的数据角色决定：设备 / Gadget 模式（UFP）：Android 设备作为外设接入主机（通常是 PC）。支持 MTP 文件传输、ADB 调试、PTP 照片传输、RNDIS 网络共享、MIDI、USB 配件 AOA。内核 USB gadget 框架（configfs）对外提供复合 USB 功能。主机模式（DFP）：Android 设备充当 USB 主机。会枚举接入的 USB 外设（键盘、鼠标、存储、音频设备），并通过 UsbManager API 向应用提供访问。UsbPortManager 通过 IUsb HAL 监听端口状态变更，协调两种模式之间的切换。39.1.4 UsbManager —— 公开 APIUsbManager（源码：frameworks/base/core/java/android/hardware/usb/UsbManager.java）带有@SystemService注解，是应用与 USB 交互的入口。它提供：设备 (gadget) 模式操作：查询与设置当前 USB 功能（MTP、PTP 等）获取 USB 配件信息打开 USB 配件连接主机模式操作：枚举已连接 USB 设备（getDeviceList()）请求设备通信权限打开设备连接（openDevice()）功能常量定义可用的 gadget 配置：// 摘自UsbManager.java —— 功能位掩码 public static final long FUNCTION_NONE = 0; public static final long FUNCTION_MTP = GadgetFunction.MTP; // 1 2 public static final long FUNCTION_PTP = GadgetFunction.PTP; // 1 4 public static final long FUNCTION_RNDIS = GadgetFunction.RNDIS; // 1 5 public static final long FUNCTION_MIDI = GadgetFunction.MIDI; // 1 3 public static final long FUNCTION_ACCESSORY = GadgetFunction.ACCESSORY; // 1 1 public static final long FUNCTION_AUDIO_SOURCE = GadgetFunction.AUDIO_SOURCE; // 1 6 public static final long FUNCTION_ADB = GadgetFunction.ADB; // 1 public static final long FUNCTION_NCM = GadgetFunction.NCM; // 1 10 public static final long FUNCTION_UVC = GadgetFunction.UVC; // 1 7这些常量直接映射 AIDL 可序列化对象 GadgetFunction，定义位置：hardware/interfaces/usb/gadget/aidl/android/hardware/usb/gadget/GadgetFunction.aidl。39.1.5 UsbService —— 核心协调器UsbService（源码：frameworks/base/services/usb/java/com/android/server/usb/UsbService.java）实现 IUsbManager，运行在 system_server 进程。它是所有 USB 操作的 Binder 服务端点，将工作委派给各个专用子管理器：UsbAuthManager 仅在enableUsbHostAuthorization标记开启时才会实例化（参考 UsbService.java 中mAuthManager = new UsbAuthManager(...)附近代码）；它对接独立进程 Rust 守护进程，详见 39.10 节。服务生命周期遵循标准 SystemService 模式：构造阶段：system_server 启动时实例化 UsbService。systemReady()：触发所有子管理器初始化。UsbHostManager 启动原生线程监听/dev/bus/usb设备插拔事件。UsbPortManager 向 HAL 查询当前端口状态。运行阶段：处理来自应用的 Binder 调用，广播 USB 状态变更，按用户配置管理权限与设置。39.1.6 系统属性与 Sysfs 路径UsbDeviceManager 通过多个内核接口与系统属性监控、控制 USB 状态：接口路径用途USB 状态 sysfs/sys/class/android_usb/android0/state旧版 gadget 状态USB 功能 sysfs/sys/class/android_usb/android0/functions旧版功能配置UDC 控制器sys.usb.controller（系统属性）ConfigFS UDC 名称USB 配置persist.sys.usb.config（系统属性）持久化 USB 配置RNDIS 地址/sys/class/android_usb/android0/f_rndis/ethaddr网络共享 MAC 地址MIDI ALSA/sys/class/android_usb/android0/f_midi/alsaMIDI 设备信息UEvent 匹配DEVPATH=/devices/virtual/android_usb/android0旧版状态变更UEvent 匹配SUBSYSTEM=udc现代 UDC 状态变更FunctionFS/dev/usb‑ffs/adb/ADB FunctionFS 端点39.2 UsbDeviceManager：Gadget 模式状态机39.2.1 概述UsbDeviceManager（源码：frameworks/base/services/usb/java/com/android/server/usb/UsbDeviceManager.java）是 USB 框架中最复杂的组件。它管理 Android 设备作为 USB 外设的行为，处理功能切换（MTP、PTP、RNDIS、配件、MIDI、ADB）、线缆事件触发的状态迁移，同时协调锁屏状态、用户偏好、内核层 USB 配置。该类实现ActivityTaskManagerInternal.ScreenObserver，用于响应锁屏状态变更。关键点：MTP 访问用户存储数据要求设备屏幕处于解锁状态。39.2.2 架构39.2.3 双 Handler 策略UsbDeviceManager 在构造时选择两种具体 Handler 实现之一：// 摘自UsbDeviceManager构造函数 if (mUsbGadgetHal == null) { // 初始化传统UsbHandler mHandler = new UsbHandlerLegacy(FgThread.get().getLooper(), mContext, this, alsaManager, permissionManager); } else { // 初始化基于HAL的UsbHandler mHandler = new UsbHandlerHal(FgThread.get().getLooper(), mContext, this, alsaManager, permissionManager); }UsbHandlerHal：现代设备使用，设备具备 IUsbGadget AIDL HAL。调用 HAL 的setCurrentUsbFunctions()请求配置变更，HAL 内部完成内核 ConfigFS 操作。UsbHandlerLegacy：旧设备无 gadget HAL 时的回退方案。直接写 sysfs 文件与系统属性切换 USB 功能。39.2.4 基于消息的状态机UsbHandler 通过 Android Handler 消息队列处理 USB 状态迁移。所有状态变更串行在前台线程执行，避免竞态条件。消息 ID常量触发来源0MSG_UPDATE_STATE内核上报连接 / 断开 / 配置完成1MSG_ENABLE_ADB开发者选项开关 ADB2MSG_SET_CURRENT_FUNCTIONS应用请求切换功能3MSG_SYSTEM_READYsystem server 就绪4MSG_BOOT_COMPLETED开机完成广播5MSG_USER_SWITCHED切换当前用户6MSG_UPDATE_USER_RESTRICTIONS用户策略变更7MSG_UPDATE_PORT_STATEType‑C 端口状态变更8MSG_ACCESSORY_MODE_ENTER_TIMEOUT配件协商 10 秒超时9MSG_UPDATE_CHARGING_STATE电池充电状态变更10MSG_UPDATE_HOST_STATE主机模式设备插拔11MSG_LOCALE_CHANGED语言变更（更新通知）12MSG_SET_SCREEN_UNLOCKED_FUNCTIONS屏幕解锁时功能偏好13MSG_UPDATE_SCREEN_LOCK锁屏显示 / 隐藏14MSG_SET_CHARGING_FUNCTIONS切换至仅充电模式15MSG_SET_FUNCTIONS_TIMEOUT功能切换超时16MSG_GET_CURRENT_USB_FUNCTIONS查询当前 gadget 功能17MSG_FUNCTION_SWITCH_TIMEOUTgadget 重新枚举超时18MSG_GADGET_HAL_REGISTEREDHAL 服务就绪19MSG_RESET_USB_GADGET重置 gadget 硬件20MSG_ACCESSORY_HANDSHAKE_TIMEOUTAOA 握手超时21MSG_INCREASE_SENDSTRING_COUNT收到 AOA 字符串描述符22MSG_UPDATE_USB_SPEEDUSB 速率协商完成23MSG_UPDATE_HAL_VERSIONHAL 版本信息更新24MSG_USER_UNLOCKED_AFTER_BOOT开机后首次解锁39.2.5 USB 状态迁移内核通过 UEvent 消息上报 USB 状态变更。UsbUEventObserver 接收消息并转换为 Handler 消息。UsbHandler 的updateState()将内核状态字符串映射为内部状态：// 摘自UsbHandler.updateState() if ("DISCONNECTED".equals(state)) { connected = 0; configured = 0; } else if ("CONNECTED".equals(state)) { connected = 1; configured = 0; } else if ("CONFIGURED".equals(state)) { connected = 1; configured = 1; }39.2.6 功能切换用户或系统请求切换 USB 功能时，状态机执行多步流程：39.2.7 防抖与超时功能切换会带来短暂 USB 断开。状态机会做防抖处理，避免虚假断开事件干扰切换流程。// UsbDeviceManager中防抖延时 private static final int DEVICE_STATE_UPDATE_DELAY_EXT = 3000; // 3秒 private static final int DEVICE_STATE_UPDATE_DELAY = 1000; // 1秒 private static final int HOST_STATE_UPDATE_DELAY = 1000; // 1秒 private static final int ACCESSORY_REQUEST_TIMEOUT = 10 * 1000; // 10秒 private static final int ACCESSORY_HANDSHAKE_TIMEOUT = 10 * 1000; // 10秒调用resetUsbGadget()之后，通过mResetUsbGadgetDisableDebounce临时关闭防抖，保证 gadget 重置后的第一次断开事件立即处理。39.2.8 与锁屏交互MTP 需要访问用户存储，锁屏时必须做保护。UsbDeviceManager 与锁屏模块协同工作：屏幕锁定（onKeyguardStateChanged(true)），Handler 收到 MSG_UPDATE_SCREEN_LOCK。如果 MTP 或 PTP 处于激活状态，Handler 切换为仅充电功能。用户偏好功能保存在 SharedPreferences，key 为usb‑screen‑unlocked‑config‑userId。屏幕解锁后，恢复之前保存的 USB 功能。39.2.9 接口黑名单出于安全考虑，当设备作为 USB 主机时，部分 USB 接口类禁止应用访问：// 摘自UsbDeviceManager静态代码块 sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_AUDIO); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_COMM); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_HID); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_PRINTER); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_MASS_STORAGE); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_HUB); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_CDC_DATA); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_CSCID); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_CONTENT_SEC); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_VIDEO); sDenyInterfaces.add(UsbConstants.USB_CLASS_WIRELESS_CONTROLLER);39.2.10 MTP 服务绑定MTP/PTP 功能激活时，Handler 绑定 MTP 服务：// UsbHandler常量 protected static final String MTP_PACKAGE_NAME = "com.android.mtp"; protected static final String MTP_SERVICE_CLASS_NAME = "com.android.mtp.MtpService";ServiceConnection 在 MTP 会话整个生命周期保持绑定；切换离开 MTP/PTP 时解除绑定。该绑定除了启动服务外还有关键作用：阻止 ActivityManager 冻结 MTP 进程。如果没有绑定，系统可能为回收资源冻结 MTP 服务进程，打断正在进行的 USB 传输。39.2.11 MIDI 功能探测MIDI gadget 功能启用后，UsbDeviceManager 需要探测合成 MIDI 设备对应的 ALSA 卡号与设备号，有两种实现方式。现代方案（基于 sysfs 解析）：// 遍历UDC控制器下sysfs目录 File soundDir = new File("/sys/class/udc/" + controllerName + "/gadget/sound"); File[] cardDirs = FileUtils.listFilesOrEmpty(soundDir, (dir, file) - file.startsWith("card")); File[] midis = FileUtils.listFilesOrEmpty(cardDirs[0], (dir, file) - file.startsWith("midi")); // 从"midiCcardDdevice"解析卡号设备号 Pattern pattern = Pattern.compile("midiC(\\d+)D(\\d+)"); Matcher matcher = pattern.matcher(midis[0].getName()); if (matcher.matches()) { mMidiCard = Integer.parseInt(matcher.group(1)); mMidiDevice = Integer.parseInt(matcher.group(2)); }传统方案（读取 ALSA 文件）：// 读取旧版sysfs路径 Scanner scanner = new Scanner(new File(MIDI_ALSA_PATH)); mMidiCard = scanner.nextInt(); mMidiDevice = scanner.nextInt();探测得到的卡号、设备号传给 UsbAlsaManager，向 Android MIDI 服务注册外设 MIDI 设备。39.2.12 USB 状态广播Handler 向所有接收者广播 USB 状态变更：protected void updateUsbStateBroadcastIfNeeded(long functions) { Intent intent = new Intent(UsbManager.ACTION_USB_STATE); intent.addFlags(Intent.FLAG_RECEIVER_REPLACE_PENDING | Intent.FLAG_RECEIVER_INCLUDE_BACKGROUND | Intent.FLAG_RECEIVER_FOREGROUND); intent.putExtra(UsbManager.USB_CONNECTED, mConnected); intent.putExtra(UsbManager.USB_HOST_CONNECTED, mHostConnected); intent.putExtra(UsbManager.USB_CONFIGURED, mConfigured); intent.putExtra(UsbManager.USB_DATA_UNLOCKED, isUsbTransferAllowed() isUsbDataTransferActive(mCurrentFunctions)); // 添加激活功能标记 long remainingFunctions = functions; while (remainingFunctions != 0) { intent.putExtra(UsbManager.usbFunctionsToString( Long.highestOneBit(remainingFunctions)), true); remainingFunctions -= Long.highestOneBit(remainingFunctions); } // 仅状态真正变化才广播 if (!isUsbStateChanged(intent)) return; sendStickyBroadcast(intent); }ACTION_USB_STATE是粘性广播：晚注册的接收者会立刻收到上一次广播状态。Intent 携带各个激活功能的布尔值，接收方可以单独检查某一个功能状态。39.2.13 用户限制执行企业管控设备可通过UserManager.DISALLOW_USB_FILE_TRANSFER限制 USB 文件传输：protected boolean isUsbTransferAllowed() { UserManager userManager = (UserManager) mContext.getSystemService( Context.USER_SERVICE); return !userManager.hasUserRestriction( UserManager.DISALLOW_USB_FILE_TRANSFER); }该限制生效时：MTP、PTP 功能被屏蔽USB 通知显示 “仅充电”应用无法切换至数据传输功能39.2.14 AOA 配件握手跟踪Handler 记录 AOA 握手过程详细时序信息，用于调试与统计：private long mAccessoryConnectionStartTime = 0L; // 收到GET_PROTOCOL时刻 private int mSendStringCount = 0; // SEND_STRING uevent计数 private boolean mStartAccessory = false; // 是否收到START // 广播握手详情用于调试 private void broadcastUsbAccessoryHandshake() { Intent intent = new Intent(UsbManager.ACTION_USB_ACCESSORY_HANDSHAKE) .putExtra(UsbManager.EXTRA_ACCESSORY_UEVENT_TIME, mAccessoryConnectionStartTime) .putExtra(UsbManager.EXTRA_ACCESSORY_STRING_COUNT, mSendStringCount) .putExtra(UsbManager.EXTRA_ACCESSORY_START, mStartAccessory) .putExtra(UsbManager.EXTRA_ACCESSORY_HANDSHAKE_END, SystemClock.elapsedRealtime()); sendStickyBroadcast(intent); }39.2.15 RNDIS 网络共享集成RNDIS（USB 网络共享）激活时：Handler 配置 RNDIS gadget 功能。基于ro.serialno生成本地管理 MAC 地址：// 首字节设0x02，表示本地管理地址 address[0] = 0x02; String serial = SystemProperties.get("ro.serialno", "1234567890ABCDEF"); // USB序列号异或填充剩余5字节 for (int i = 0; i serialLength; i++) { address[i % (ETH_ALEN - 1) + 1] ^= (int) serial.charAt(i); }

第 39 章：USB、ADB 与 MTP

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