Android 8.0系統(tǒng)啟動流程_Zygote（二）

本系列主要介紹Android系統(tǒng)啟動過程中涉及到的init、Zygote、SystemServer和Launcher。
文本分析的源碼時(shí)基于Android8.0源碼。

Zygote（孵化器），系統(tǒng)中DVM、ART、應(yīng)用程序進(jìn)程和SystemServer進(jìn)程都是由Zygote創(chuàng)建，其中SystemServer是應(yīng)用層開發(fā)經(jīng)常碰到的，因?yàn)閼?yīng)用層APP的進(jìn)程是通過SystemServer進(jìn)程創(chuàng)建出來的。

一、Zygote啟動腳本

在Android 8.0系統(tǒng)啟動流程_init（一）中講解到了init啟動Zygote的過程，init.cpp通過解析init.rc中配置信息，該過程稱之為Zygote的啟動腳本，其流程包括如下：

  1. 引入init.zygote.xx.rc：在Android 8.0系統(tǒng)啟動流程_init（一）中init函數(shù)解析部分，講解了init.rc配置文件的五種語法格式，其中包括為了擴(kuò)展配置配置文件而引入的import語句，自Android8.0后，init.rc文件被分成了四種格式，通過import語句引入，如下所示
import /init.${ro.zygote}.rc
  1. 自Android5.0后，開始支持64位程序，通過系統(tǒng)的ro.zygote屬性來控制使用不同的Zygote啟動腳本，啟動不同的腳本文件(四種中的一種)，解析文件中init.zygote.xx.rc中service語句，如下所示：
\system\core\rootdir\init.zygote32.rc
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    ....
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

\system\core\rootdir\init.zygote32_64.rc
service zygote /system/bin/app_process32 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    .....
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

service zygote_secondary /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --socket-name=zygote_secondary
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    socket zygote_secondary stream 660 root system
    onrestart restart zygote
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

以上是init.zygote32.rc、init.zygote32_64.rc的部分源碼，其他兩種init.zygote64.rc和init.zygote64_32.rc基本類似，腳本文件主要解析如下：

  • service:在init.rc通過“service”說明該語句是service，啟動一個(gè)service進(jìn)程;
  • zygote：進(jìn)程名稱為zygote；
  • /system/bin：通過應(yīng)用程序/system/bin/app_process來啟動它，這也驗(yàn)證了zygote剛開始時(shí)不叫zygote，而是app_procress，Zygote進(jìn)程啟動后，Linux系統(tǒng)將其更改為zygote；
  • --zygote、--start--system--server：啟動Zygote的參數(shù)，后續(xù)app_main.cpp中main函數(shù)中判斷使用；
  • -socket-name=zygote：建立socket的名稱為zygote;
  • class main:將Zygote聲明為主要服務(wù)，在init啟動Zygote中，F(xiàn)orEachServiceInClass函數(shù)就是通過查找classname為main的Zygote進(jìn)程；
  • socket xxx：表示需要為此服務(wù)創(chuàng)建一個(gè)socket；
  • onrestart xxx：當(dāng)Zygote服務(wù)重啟時(shí)，需要執(zhí)行的命令

二、Zygote進(jìn)程啟動過程介紹

Zygote進(jìn)程啟動時(shí)序圖

下面通過Zygote進(jìn)程的時(shí)序圖，按照時(shí)序運(yùn)行涉及到的類，來進(jìn)行分析。

2.1 app_main.cpp

在Android 8.0系統(tǒng)啟動流程_init（一）中第四部分講到init啟動Zygote的流程知道最終調(diào)用到frameworks\base\cmds\app_process\app_main.cpp下的main方法，如下所示：

frameworks\base\cmds\app_process\app_main.cpp

int main(int argc, char* const argv[])
{
 while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;//如果當(dāng)前運(yùn)行Zygote進(jìn)程中，則變量zygote設(shè)置為true
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
            startSystemServer = true;//如果當(dāng)前運(yùn)行SystemServer進(jìn)程中，則變量startSystemServer 設(shè)置為true
        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
            application = true;//當(dāng)前為應(yīng)用的進(jìn)程，則變量 application設(shè)置為true
        }
 ..
    }
if (zygote) {//如果運(yùn)行在Zygote中，則啟動該進(jìn)程
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } 
}

源碼分析如下：

  • 判斷當(dāng)前進(jìn)程：Zyogte及其子進(jìn)程都是通過fork自身來創(chuàng)建子進(jìn)程的，這樣Zygote及其子進(jìn)程都可以進(jìn)入app_main.cpp的main函數(shù)中，此時(shí)需要通過argd的參數(shù)來區(qū)分是當(dāng)前運(yùn)行的是那個(gè)進(jìn)程？在main函數(shù)源碼解析中有如下注釋，如果是以“--”或不是以“-”開頭的arg則進(jìn)入該函數(shù)中，以此作為簡單的判斷。

Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vm.
...
// --zygote : Start in zygote mode
// --start-system-server : Start the system server.
// --application : Start in application (stand alone, non zygote) mode.
// --nice-name : The nice name for this process.

通過判斷arg中是否包含“--zygote”、“--start-system-server”、“--application”或其他參數(shù)，來判斷當(dāng)前運(yùn)行的是那種進(jìn)程。

  • 啟動進(jìn)程：
    如果變量zygote為true，則會調(diào)用如下方法，啟動Zygote進(jìn)程。
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);

2.2 AndroidRuntime.cpp

\frameworks\base\core\jni\AndroidRuntime.cpp
int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
    ...
    /* 1 start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);

    /** 2 Register android functions.*/
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }
}
...
//3 獲取類名信息
classNameStr = env->NewStringUTF(className);
...
//4 className的“.”轉(zhuǎn)為“/”
char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
//5 找到ZygoteInit
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
        /* keep going */
    } else {
    //6.找到ZygoteInit的main方法
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
            /* keep going */
        } else {
        //7. 通過JNI調(diào)用ZygoteInit的main方法，由于當(dāng)前是在Native中，ZygoteInit是java編寫。
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

#if 0
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);
#endif
        }
    }
    free(slashClassName);

    ALOGD("Shutting down VM\n");
    if (mJavaVM->DetachCurrentThread() != JNI_OK)
        ALOGW("Warning: unable to detach main thread\n");
    if (mJavaVM->DestroyJavaVM() != 0)
        ALOGW("Warning: VM did not shut down cleanly\n");

源碼分析：

  • 啟動準(zhǔn)備：在注釋1和2中，通過startVm創(chuàng)建Java虛擬機(jī)和startReg為Java虛擬機(jī)注冊JNI方法；
  • 找到ZygoteInit類：在注釋3、4、5和6將com.android.os.ZygoteInit轉(zhuǎn)為com/android/os/ZygoteInit并賦值給slashClassName，通過slashClassName找到ZygoteInit的main方法；
  • 調(diào)用ZygoteInit類：找到該類后，通過注釋7的JNI方法調(diào)用ZygoteInit的main方法，進(jìn)入Java層的運(yùn)行環(huán)境中。

2.3 ZygoteInit.java

frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
    ...
    //1.新建一個(gè)ZygoteServer對象
     ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
    ...
    //2.創(chuàng)建一個(gè)server端的socket,且名稱為zygote
    zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
 
  //3.預(yù)加載類和資源
  preload(bootTimingsTraceLog);
    ...
    //4.啟動SystemServer進(jìn)程
      if (startSystemServer) {
                Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
                // {@code r == null} in the parent (zygote) process, and {@code r != null} in the
                // child (system_server) process.
                if (r != null) {
                    r.run();
                    return;
                }
            }
     Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");

     //5.等待AMS請求
            caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
        } catch (Throwable ex) {
            Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
            throw ex;
        } finally {
            zygoteServer.closeServerSocket();
        }
    
 }
 ...

ZygoteInit的main方法主要做了如下幾件事：
1、創(chuàng)建一個(gè)name為“zygote”的Socket服務(wù)端，用于等待AMS的請求Zygote來創(chuàng)建新的進(jìn)程；
2、預(yù)加載類和資源，包括drawable、color、OpenGL和文本連接符資源等，保存到Resources一個(gè)全局靜態(tài)變量中，下次讀取系統(tǒng)資源的時(shí)候優(yōu)先從靜態(tài)變量中查找；
3、啟動SystemServer進(jìn)程；
4、通過runSelectLoop(）方法，等待AMS的請求創(chuàng)建新的應(yīng)用程序進(jìn)程。

1.registerServerSocket

frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteServer.java
void registerServerSocket(String socketName) {
        if (mServerSocket == null) {
            int fileDesc;
            //1.拼接Socket的名稱
            final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
            try {
            //2.得到Soket的環(huán)境變量值：ANDROID_SOCKET_zygote
                String env = System.getenv(fullSocketName);
                fileDesc = Integer.parseInt(env);
            } catch (RuntimeException ex) {
                throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex);
            }

            try {
            //3.通過fileDesc創(chuàng)建文件描述符：fd
                FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
                fd.setInt$(fileDesc);
                //4.創(chuàng)建服務(wù)端的Socket
                mServerSocket = new LocalServerSocket(fd);
            } catch (IOException ex) {
                throw new RuntimeException(
                        "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
            }
        }
    }

2.預(yù)加載類和資源

frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.java
 static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
     ...
     //1.預(yù)加載位于/system/etc/preloaded-classes文件中的類
        preloadClasses();
     ...
     2.預(yù)加載drawble和color的資源信息
        preloadResources();
      ...
      //3.通過JNI調(diào)用，預(yù)加載底層相關(guān)的資源
        nativePreloadAppProcessHALs();
      ...
      //4.預(yù)加載OpenGL資源
        preloadOpenGL();
       ...
       //5.預(yù)加載共享庫："android","compiler_rt","jnigraphics"
        preloadSharedLibraries();
        //6.預(yù)加載文本連接符資源
        preloadTextResources();
      ...
      //7.zygote中，內(nèi)存共享進(jìn)程
        warmUpJcaProviders();
      ...
    }

3.啟動SystemServer進(jìn)程

frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteServer.java
 private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,
            ZygoteServer zygoteServer) {
  ...
  //1.創(chuàng)建數(shù)組，保存啟動SystemServer的參數(shù)
        String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--nice-name=system_server",
            "--runtime-args",
            "com.android.server.SystemServer",
        };
        ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

        int pid;

        try {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
            ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
            ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

            /* Request to fork the system server process */
            //2.創(chuàng)建SystemServer進(jìn)程
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

        /* For child process */
        //3.如果pid為0，表示運(yùn)行在新的子進(jìn)程中
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }
            zygoteServer.closeServerSocket();
            //4.處理SystemServer進(jìn)程
            return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }
        return null;
    }

4.runSelectLoop(）

frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteServer.java
 /**
     * Runs the zygote process's select loop. Accepts new connections as
     * they happen, and reads commands from connections one spawn-request's
     * worth at a time.
     * 運(yùn)行在Zygote進(jìn)程中，等待新的連接，并讀取請求數(shù)據(jù)
     */
    Runnable runSelectLoop(String abiList) {
        ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
        ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
        //1.將ServerSocket添加到集合中
        fds.add(mServerSocket.getFileDescriptor());
        peers.add(null);
        2.開啟死循環(huán)，不斷的等待AMS的請求
          while (true) {
          //3.通過遍歷fds存儲信息，添加至 pollFds數(shù)組中
            StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
            for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
                pollFds[i] = new StructPollfd();
                pollFds[i].fd = fds.get(i);
                pollFds[i].events = (short) POLLIN;
            }
            try {
                Os.poll(pollFds, -1);
            } catch (ErrnoException ex) {
                throw new RuntimeException("poll failed", ex);
            }
            //4. 通過遍歷pollFds信息
            for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
                if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                    continue;
                }
                //5.如果pid為0，表明已經(jīng)連接socket,
              if (i == 0) {
                    ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                    peers.add(newPeer);
                    fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
                }else{
                /6.如果不等于0 ，AMS向Zyogte進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程的請求
                         ZygoteConnection connection = peers.get(i);
                        final Runnable command = connection.processOneCommand(this);
                }
                ... 
    }
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