Android深水區(qū)：Android系統(tǒng)啟動

開篇

對于Android系統(tǒng)，有一張大家都見過的系統(tǒng)架構(gòu)圖

Android系統(tǒng).png

我們平時接觸的Android應(yīng)用開發(fā)及開源代碼都位于最上層（Application層），對Android FrameWork層接觸不多，但Android系統(tǒng)很多的精妙設(shè)計都處于FrameWork層及以下，要想理解Android系統(tǒng)則必須學(xué)習(xí)FrameWork層。本系列我將和大家一起開始FrameWork層的學(xué)習(xí)，我們將依次學(xué)習(xí)Android啟動、Android跨進程Binder機制，Android四大組件啟動過程。在學(xué)習(xí)過程中不僅會接觸大量的Java層源碼，由于Android系統(tǒng)底層是linux，因此學(xué)習(xí)過程中還會涉及一些linux知識及C++代碼，為了不讓大家陷入代碼、糾于細節(jié)，本系列主要會從架構(gòu)層面解釋具體原理，對應(yīng)節(jié)點會列出對應(yīng)源碼位置，有興趣的同學(xué)可以去進一步閱讀源碼。要想學(xué)好Android，只有那句程序猿至理名言RTFSC（Read The Fucking Source Code）。
關(guān)于Android源碼閱讀，推薦一個非常好的在線閱讀源碼閱讀網(wǎng)址：Android源碼

Android系統(tǒng)啟動流程

本文主要介紹Android系統(tǒng)的啟動過程，主要目的一是讓大家大致了解Android手機啟動后都在做什么，二是介紹幾個核心的系統(tǒng)服務(wù)及進程，為后續(xù)文章做一個鋪墊。本文以Android 9.0.0_r8系統(tǒng)源碼為例，Android系統(tǒng)啟動大致可以分為四步：

• 系統(tǒng)環(huán)境準備
• 啟動init進程
• 啟動Zygote進程
• 啟動SystemServer進程

Android系統(tǒng)啟動.png

下面我們依次來分析每一步都在做什么

系統(tǒng)環(huán)境準備

該步驟主要是用戶按下開機鍵后的一些硬件初始化、系統(tǒng)加載過程，簡單介紹不作過多說明

BootLoader

Bootloader是嵌入式系統(tǒng)在加電后執(zhí)行的第一段代碼，進行硬件初始化，獲取內(nèi)存大小信息等，調(diào)整手機到適配狀態(tài)。在它完成CPU和相關(guān)硬件的初始化之后，再將操作系統(tǒng)映像或固化的嵌入式應(yīng)用程序加載到內(nèi)存中然后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)所在的空間，最終目標是拉起操作系統(tǒng)。當用戶按下開機鍵后，芯片就會開始將BootLoader加載到內(nèi)存中。

系統(tǒng)加載

BootLoader加載成功后，手機會通過BootLoader加載系統(tǒng)，啟動系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel）并做相應(yīng)的環(huán)境初始化設(shè)置，開始init進程啟動

init進程

init進程簡介

• 我們知道，Android系統(tǒng)也有很多自己的系統(tǒng)級的服務(wù)進程，Android系統(tǒng)可以正常運行都依賴于這些進程，而init進程是這些所有的進程的根進程，這些進程都是由init進程孵化而來。
• init進程是Android系統(tǒng)的第一個進程，我們可以通過adb shell -p命令 看到，init進程的pid為1。

init啟動流程分析

init是處于linux系統(tǒng)的用戶空間，在第一步系統(tǒng)環(huán)境準備后，linux內(nèi)核啟動成功便會調(diào)用/system/core/init/Init.cpp 中的main（）開始init進程的啟動。init.cpp中main()函數(shù)較長，做相應(yīng)截取說明

int main(int argc, char** argv) {
     ...
    // 1、創(chuàng)建、掛載相應(yīng)文件
    // Get the basic filesystem setup we need put together in the initramdisk
    // on / and then we'll let the rc file figure out the rest.
    mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
    mkdir("/dev/pts", 0755);
     ...
    // 2.初始化log服務(wù)、屬性服務(wù)
    InitKernelLogging(argv);
    ....
    property_init();
    ...
    // 3、解析init.rc
    LoadBootScripts(am, sm);
    ...
    // 相關(guān)邏輯執(zhí)行完后，會進入一個while true循環(huán)等待任務(wù)執(zhí)行
}

代碼很長，我們關(guān)心的主要包含3步

第一步 創(chuàng)建、掛載相應(yīng)文件

• 創(chuàng)建并掛載系統(tǒng)運行時所需的目錄，主要包括tmpfs、devpts、proc、sysfs和selinuxfs五種文件系統(tǒng)。

第二步 初始化log服務(wù)、屬性服務(wù)

• 調(diào)用InitKernelLogging(argv)初始化日志系統(tǒng)，之后會執(zhí)行LOG(INFO) << "init first stage started!"，出內(nèi)核中第一句log。
• 在Android系統(tǒng)中，所有的進程共享系統(tǒng)初始值，這些值存在于系統(tǒng)的共享內(nèi)存區(qū)域，通過調(diào)用property_init()對相關(guān)值進行初始化。

第三步 解析init.rc配置文件

• LoadBootScripts函數(shù)主要工作就是解析init.rc文件，關(guān)鍵代碼parser.ParseConfig("/init.rc")
• init.rc文件是一個非常重要的配置文件，它由AIL語言（Android Init Language）編寫，源碼位于/system/core/rootdir/init.rc，核心代碼如下。

    # Now we can start zygote for devices with file based encryption
    trigger zygote-start

• trigger zygote-start從源碼注釋可以看出，這步開始初始化Zygote進程。

Zygote進程

Zygote進程簡介

Zygote是受精卵的意思，它是Android中的一個非常重要的守護進程服務(wù)(Daem Service),所有的其他Dalvik虛擬機（進程）都是通過zygote孵化（fork）出來的。Android應(yīng)用程序是由Java語言編寫的，運行在各自獨立的Dalvik虛擬機（進程）中。如果每個應(yīng)用程序在啟動之時都需要單獨運行和初始化一個虛擬機（進程），會大大降低系統(tǒng)性能，因此Android首先創(chuàng)建一個zygote虛擬機（進程），然后通過它孵化出其他的虛擬機（進程），進而共享虛擬機內(nèi)存和框架層資源，這樣大幅度提高應(yīng)用程序的啟動和運行速度。
Zygote是Android中最重要的一個進程，和Init進程，SystemServer進程是支撐Android世界的三極。Android8.0后對zygote.rc文件進行了拆分，存在以下四種：

• init.zygote32.rc
• init.zygote32_64.rc
• init.zygote64.rc
• init.zygote64_32.rc

我們以init.zygote32.rc為例來簡單分析下

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc reserved_disk
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

代碼不多，共15行，也是Android Init Language語法，執(zhí)行邏輯就是啟動進程，名稱為zygote，執(zhí)行程序為/system/bin/app_process，類名為main，當Zygote進程重啟時，重啟audioserver、cameraserver、media等進程。下面我們通過frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp具體分析Zygote進程初始化流程。

Zygote啟動流程分析

Zygote進程初始化過程會進入Java層，因此我們分為C++層跟Java層分別分析。

C++層

同樣，我們看下app_main.cpp中的main方法，代碼較長，我們截取分析。

int main(int argc, char* const argv[])
{
    ...
   // 1、創(chuàng)建AppRuntime變量
    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));     // 1
    // Process command line arguments
    // ignore argv[0]
    argc--;
    argv++;

    ...
    // 2、創(chuàng)建Zygote進程
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            // Zygote進程自己
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {     
            // SystemServer進程
            startSystemServer = true; 
        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
           // 普通應(yīng)用進程
            application = true;
        } 
        
        ...
    }

    ...

    if (zygote) {
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);      
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
    }
}

第一步 創(chuàng)建AppRuntime變量

• 定義了一個名為runtime的變量，其類型是AppRuntime，該類繼承自AndroidRuntime，也定義在app_main.cpp中

第二步 創(chuàng)建Zygote進程，進入Java層

• 定義了一個名為runtime的變量，其類型是AppRuntime，該類繼承自AndroidRuntime，也定義在app_main.cpp中
• Zygote進程都是通過fork自身來創(chuàng)建子進程的，這樣Zygote進程以及它的子進程都可以進入app_main.cpp的main()函數(shù)，因此main()函數(shù)中為了區(qū)分當前運行在哪個進程，會判斷參數(shù)argv中是否包含--zygote，若包含則說明main()函數(shù)是運行在Zygote進程中的并將變量zygote設(shè)置為true；判斷參數(shù)argv是否包含--start-system-server，若包含則說明main()函數(shù)是運行在SystemServer進程中的并在將變量startSystemServer設(shè)置為true；判斷參數(shù)argv是否包含--application，若包含則說明main()函數(shù)是運行在普通進程。
• 若zygote屬性為true，則通過AppRuntime的start()函數(shù)，通過jni調(diào)用，執(zhí)行com.android.internal.os.ZygoteInit中的main()方法，經(jīng)過此步，Android初始化首次進入Java層。下面我們開始研究ZygoteInit，該類位于/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

Java層

我們截取看下ZygoteInit中的main方法

         // 1、創(chuàng)建Socket
          ...
          String socketName = "zygote";
          ...
          zygoteServer.registerServerSocketFromEnv(socketName);
          ...
         // 2、預(yù)加載類、資源
         preload(bootTimingsTraceLog);
         ...
         // 3、fork SystemServer進程
         if (startSystemServer) {
             Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer); 
             ...
             if (r != null) {
                 r.run();
                 return;
              }
         }
          ...
            
         // 4、等待AMS消息
         // The select loop returns early in the child process after a fork and
         // loops forever in the zygote.
          caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList); 

第一步 創(chuàng)建Socket

• 調(diào)用registerServerSocketFromEnv()方法創(chuàng)建一個Server端名為“zygote”的Socket，這個Socket用于與AMS（ActivityManagerService）通信，后續(xù)程序運行時若要創(chuàng)建普通進程，則由AMS通過該Socket通知Zygote進程孵化。這里稍微了解Android跨進程通信的可能會問，此處為什么不使用Binder進行跨進程通信，原因在于Binder機制依賴于ServiceManger，而此時ServiceManger還未創(chuàng)建。

第二步 預(yù)加載類、資源

• 調(diào)用preload(bootTimingsTraceLog)方法，預(yù)加載類和資源，應(yīng)用程序中以com.android.internal.R.xxx頭的資源，便是此時由Zygote加載到內(nèi)存的。

第三步 fork SystemServer進程

• 在C++層第二步中判斷邏輯一致，當若傳入的參數(shù)中包含--start-system-server，則startSystemServer為true
• 調(diào)用forkSystemServer()方法fork出SystemServer進程，調(diào)用run()方法啟動。

第四步

• 調(diào)用ZygoteServer的runSelectLoop()方法，等待AMS請求創(chuàng)建新的應(yīng)用程序進程。

SystemServer進程

SystemServer進程簡介

• SystemServer進程是Zygote創(chuàng)建的第一個Java進程，主要用于創(chuàng)建系統(tǒng)服務(wù)，ActivityMangerService、PackageManagerService和WindowManagerService等這些重要的服務(wù)都是通過SystemServer進程啟動的。

SystemServer啟動流程分析

上文談到forkSystemServer()方法，該方法進行一系列調(diào)用后，最終啟動SystemServer進程會進入com.android.server.SystemServer.java，該類的main方法直接調(diào)用SystemServer的run()方法，我們直接看run方法。

private void run() {
     ...
     // 創(chuàng)建主線程
     Looper.prepareMainLooper();
     ...
     // 1、加載動態(tài)庫
     System.loadLibrary("android_servers");
     ...
     // 創(chuàng)建system Context
     createSystemContext();
     ...
     // 2、創(chuàng)建ServiceManager
     mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
     ...
     // 3、啟動引導(dǎo)服務(wù)、啟動核心服務(wù)、啟動其他服務(wù)
     startBootstrapServices();    
     startCoreServices();         
     startOtherServices();
     ...
}

第一步 加載動態(tài)庫

• 加載動態(tài)庫libandroid_servers.so，初始化native服務(wù)。

第二步 創(chuàng)建ServiceManager

• 創(chuàng)建SystemServiceManager對象，Binder機制啟用。

第三步 啟動引導(dǎo)服務(wù)、啟動核心服務(wù)、啟動其他服務(wù)

• 官方把系統(tǒng)服務(wù)分為了三種類型，分別是引導(dǎo)服務(wù)、核心服務(wù)和其他服務(wù)。
• 引導(dǎo)服務(wù)主要包括ActivityManagerService、PowerManagerService、PackageManagerService。
• 核心服務(wù)有DropBoxManagerService、BatteryService等。
• 其他服務(wù)是一些不緊要和不需要立即啟動的服務(wù)，不一一舉例。

總結(jié)

至此，Android系統(tǒng)啟動核心部分已經(jīng)分析結(jié)束。我們分析了Android系統(tǒng)啟動后硬件環(huán)境準備，init進程如何啟動Zygote進程，Zygote進程如何孵化SystemServer進程。本文分析主要是流程分析，源碼分析只是指出關(guān)鍵方法，很多代碼細節(jié)一筆帶過，有興趣的同學(xué)可以自己去源碼內(nèi)研究。