Android Zygote

        Zygote 是android系统应用中一个相当重要的进程，其主要功能是执行Android应用程序。在android系统中运行新的应用，需要跟Zygote进程(拥有应用程序运行时所需要的各种元素和条件)结合后才能执行。

        Zygote进程运行时，会初始化Dalvik虚拟机，并启动它。android的应用程序是由java编写的，不能直接以本地进程的形态运行在linux上，只能运行在Dalvik虚拟机中。并且每个应用程序都运行在各自的虚拟机中，应用程序每次运行都要重新初始化并启动虚拟机，这就相当耗时。在android中，应用程序运行前，Zygote进程通过共享已运行的虚拟机的代码与内存信息，缩短应用程序运行所耗费的时间。并且，它会事先将应用程序要使用的android Fromework中的类和资源加载到内存中，并组织形成所用资源的链接信息。新运行的ａｎｄｒｏｉｄ应用程序在使用所需要的资源时不必每次重新形成资源的链接信息，这样提高程序运行速度。

        在android中，使用Zygote进程的目的？对于手机，为了是应用程序在有限的资源型有更快的运行响应速度，提高资源利用率和设备使用时间。android使用 Zygote来有效的减少系统负担，提高运行速度。
　  下面讲解zygote进程是如何运行，初始化，提高应用的运行速度的。

  （1）     由 Zygote孵化进程

       init进程是在系统启动后运行在用户空间中的首个进程。init进程启动完系统运行所需的各种 Daemon(守护线程)后，启动  Zygote，如下表所示;

               

　　　Zygote进程启动后，android的服务与应用程序都由Zygote进程启动运行。

连接手机，使用adb工具，ps查看系统运行的进程。 根据父进程的PID，android设备中运行的进程大致有 Daemon 进程以及 Dalvik虚拟机中运行的android应用程序两大类。下图中，PID 为1 的进程。还有 PPID（父进程）为 1的进程，就是init 进程启动的 Daemon进程。Zygote进程就是其中之一，其进程的PID 为 30，下图可以看到，而父进程为30的进程，都是Zygote进程的子进程，由其创建并启动，大都是android应用程序。

              

注：linxu系统创建并运行一个进程，与android系统中通过Zygote来创建并运行一个进程的区别

                      

        上图为linux创建并运行一个进程的过程，父进程A调用fork()函数创建新的子进程A`。新创建的进程A` 共享父进程的内存结构信息和库连接信息。而后子进程A`调用 exec('B')，将新进程B的代码加载到内存中。此时父进程A的内存信息被清除，并重新分配内存，以便运行被装载的B进程，接着形成新的库连接信息，以供进程B使用。若进程B使用的共享库已被装载至内存，则只需更新连接信息。不然，还要添加一个步骤，即使存储器中的相关库装入内存中。每当运行新进程时，就会重复以上过程。

        那么，android怎么创建并运行一个新进程呢？

        Zygote是android系统的一个主要特征，它通过COW(copy on write)方式对运行在内存中的进程实现了最大程度的复用，并通过库共享有效的降低了内存的使用量（foot print）。具体简介如下：

                   

           如上图，Zygote进程调用fork()函数创建出 Zygote`子进程，子进程Zygote` 共享父进程Zygote的代码区域与连接信息。注意新的进程A并非通过fork()来重新装载已有进程的代码区，而是被动态地加载到复制出的Dalvik虚拟机上。而后，Zygote`进程将执行流程交给应用程序A类的方法，android应用程序开始运行。新生的应用程序A会使用已有的Zygote进程的库与资源的连接信息，所以运行速度很快。下图为Zygote运行后，新的android应用程序A的运行过程。

          

           如上图所述，Zygote启动后，初始化并运行Dalvik虚拟机，而后将需要的类与资源加载到内存中。随后调用fork()创建出Zygote`子进程，接着 Zygote`子进程动态加载并运行android应用程序A。运行android应用程序A会使用Zygote已经初始话并启动的Dalvik虚拟机，通过使用已加载至内存中的类与资源来加快运行速度。

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      TIP：  COW ( copy on write)

      在创建新进程后，新进程会共享父进程的内存空间，即新的子进程会复制所有与父进程内存空间相关的信息并使用它。COW就是针对内存复制的一种技术。一般，复制内存的开销非常大，因此，创建的子进程在引用父进程的内存空间时，不要进行复制，而要直接共享父进程的内存空间。而当需要修改共享内存中的信息时，子进程才会将父进程中相关的内存信息复制到自身的内存空间，并进行修改，这就是COW技术。

       注意当调用fork()直接运行 exec()时，新进程的内存空间与父进程的内存空间内容不同，此时复制符进程内存空间的做法就毫无意义，并且会增加新进程运行的系统开销。

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（２）由 app_process运行 ZygoteInit class

         与本地服务或Daemon不同的是，Zygote由java编写而成，不能直接由Init进程启动运行。若想运行Zygote类，必须先生成 Dalvik虚拟机，再在Dalvik虚拟机上装载运行ZygoteInte类，执行这一任务的就是 app_process 进程。

        

         分析 /system/bin/app_process 源码(具体路径在 frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp) 中的main()函数，可发现app_process进程首先生成一个 AppRuntime 对象，而后分析main()函数传递进来的参数，并传递给AppRuntime对象。然后生成并初始化Dalvik虚拟机，再调用执行 ZygoteInit 类的main方法。

         分析 app_main(）源码

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             int  main( int  argc, const char* const argv[] ){

                      .......

                      AppRuntime  runtime;  //1AppRuntime类继承自AndroidRuntime类， AndroidRuntime类用于初始化并运行Dalvik虚拟机，为运行android应用程序做好准备，

                      ......

                      int  i = runtime.addVmArguments( argc, argv );  //2在运行Dalvik虚拟机之前，通过AppRuntime对象，分析环境变量以及运行的参数，并以此生成虚拟机选项。

                      //Next  arg  is  parent  directory

                      if ( i < argc ){

                               runtime.mParentDir = argv[ i++ ];   //3

                      }

             }

         ****************************************************************************************************

            分析 init.rc文件，可以发现Init进程在运行app_process时，根据如下规则传递参数，app_process参数形式如下：

                         app_process  [java-options]  cmd-dir  start-class-name  [options]

                    [ java-options ]: 传递给虚拟机的选项，必须以“-”开始

                    cmd-dir： 所有运行的进程所在的目录。

                    start-class-name :  要在虚拟机中运行的类的名称。 app_process会将指定的类加载到虚拟机中，而后调用类的main()方法。

                    [ options ]：要传递给类的选项

           app_process 服务运行时，init.rc文件中的运行命令如下：

                         /system/bin/app_process  -Xzygote  /system/bin  --zygote  --start-system-server

                    说明： -Xzygote指要传递给VM的选项，用来区分在虚拟机中运行的类是Zygote，还是 Zygote中运行的其他android应用程序，它会被保存到 AppRuntime 的mOption变量中，如在上述代码2中。在代码3中，运行目录参数 “/system/bin”被保存到 AppRuntime 的 mParentDir变量中。第三个参数用来指定加载到虚拟机中的类的名称，“--zygote”表示加载 com.android.internal.os.ZygoteInit类。最后一个参数“--start-system-server”作为选项传递给生成的类，用于启动运行系统服务器。

            调用AppRuntime 对象

           分析完传递给虚拟机的参数，并保存到AppRuntime类的对象中，而后加载对象，调用对象的main()方法。

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        上述代码中 1中检查类名称是否为“--zygote“，处理过程过程略微不同，但最后都是将给定的类加载至虚拟机中。加入传递过来的是”--zygote“，程序将继续执行1中的代码。 3中代码，调用AppRuntime的start()成员函数，生成并初始化虚拟机，而后将ZygoteInit类加载至虚拟机中，执行其中的main()函数。

         传递给runtime.start()函数的第一个参数为"com.android.internal.os.ZygoteInit" 是完全限定名（FQN），在FQN中包含类所在的包以及类的名称，当FQN被传递给类加载器时，类加载器就会将包名称解析为相应的路径，而后在改路径下查找并加载名称为”ZygoteInit“ 的类。”--start-system-server“作为最后一个参数传递给app_process。

        创建Dalvik虚拟机

        在运行Dalvik虚拟机之前，除了接收从app_process传递过来的虚拟机选项外，AppRuntime的start()函数还要获取与虚拟机运行相关的各种系统属性与环境变量，而后更改虚拟机的运行选项。

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                int  property_get ( const char  *key,  char  *value,  const char *default_value )

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        为了设置虚拟机的运行选项，需要调用 property_get()函数来访问系统中设置的相关值，上述代码为property_get()函数的函数原型，用来访问系统的属性域。系统属性与通过 init.rc 的 setprop语句有init进程或其他进程进行设置。若想变更 Dalvik虚拟机的运行选项，只需在运行虚拟机之前，参照调用 property_get()函数的代码，设置 init.rc 相关属性或通过 app_process 参数传递虚拟机的运行选项即可。

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                    void ＡndroidRuntime::start( const  char*  className,  const bool startSystemServer ){

                             if ( JNI_CreateJavaVM( &mJavaVM,  &env,  &initArgs ) < 0 ){

                                      goto  bail;

                             }

                    }

        ****************************************************************************************************

           start()函数中，调用 JNI_CreateJavaVM() 函数来创建并运行虚拟机，JNI_CreateJavaVM() 函数原型如下： 

                    jint  JNI_CreateJavaVM ( JavaVM** p_vm,  JNIEnv**  p_env,  void*  vm_args )

               >第一个参数：生成的javaVM类的接口指针

               >第二个参数：JNIEnv类的接口指针，方便访问虚拟机

               >第三个参数：已设置的虚拟机选项

           接下来，注册要在虚拟机中使用的JNI函数。

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          调用2中的startReg()函数，将调用1中 static  const  RegJNIRecgRegJNI[] 数组中的函数。而后运行在虚拟机中的java类就可以调用本地函数了。

         运行 ZygoteInit类

         在创建完VM之后，接着加载要运行的类。如前所述，根据参数的不同，app_process也会加载执行Zygote以外的其他类。如下面代码，AppRuntime的start()函数会查找指定的类，并调用指定类的main()方法。

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        此时程序的执行，转至了虚拟机上执行的java程序。后面本地域中的Ｃ++代码执行流会一直等待，知道虚拟机运行停止。
（4）ZygoteInit类的功能
　　至此已经创建好了虚拟机，将zygoteInit类加载到了虚拟机中。接下来看看zygoteInit类的作用。

      

        ZygoteInit的main(）方法的功能如上图所示。其源码如下： 

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               public  static  void  main( String  argv[ ] ){

                        try{

                                 //绑定套接字，接收新android应用程序运行请求

                                 registerZygoteSocker(); //为了从ActivityManager接收新android应用程序的运行请求，Zygote使用UDS，init进程在运行app_process时，使用init.rc文件中以”/dev/zygote“形式注册的套接字。

                                 //加载android Application Framework使用的类与资源

                                 proloadClasses(); //用于将应用程序框架中的类，平台资源预先加载到内存中。新进程直接使用这些类与资源，不需要重新加载他们。

                                 proloadResources();

                                 //运行SystemServer

                                 if ( argv[1].equals("true") ) {

                                          startSystemServer(); //通过app_process运行zygote时，参数"--start-system-server"会调用startSystemServer()方法启动系统服务器，系统服务器用来运行Android平台需要的一些主要的本地服务。

                                 }

                                 if ( ZYGOTE_FORK_MODE ){

                                          runForkMode();

                                 }else{

                                          //处理新android应用程序运行请求

                                          runSelectLoopMode(); //监视UDS，若收到新android应用程序生成请求，则进入处理循环

                                 }

                                 closeServerSocket();

                        }catch( MethodAndArgsCaller  caller ){

                                 caller.run();

                        }catch( RuntimeException  ex ){

                                 closeServerSocket();

                                 throw  ex;

                        }

               }

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       下面详细分析这些功能

   a. 绑定/dev/socket/zygote套接字

      ZygoteInit 类使用由 /dev/socket/zygote 生成的UDS套接字，从ActivityManager 接收新android应用程序的生成请求。该套接字在系统启动过程中由 init 进程生成，在 init.rc 文件中有生成该套接字的相关内容。下面是关于 zygote service 定义部分，套接字的名称，种类，访问权限在第二行中标出了。  *******************************************************************************************************

          service  zygote  /system/bin/app_process  -Xzygote  /system/bin  --zygote  --start-system-server

                   socket  zygote stream 666

                   onrestart  write  /sys/android_power/request_state  wake

                   onrestart  write  /sys/power/state  on

    ******************************************************************************************************

         ZygoteInit类中的main()方法首先调用 registerZygoteSocket()方法，代码如下：

    ******************************************************************************************************

          

        *****************************************************************************************************

            在2中创建一个LocalServerSocket类的对象并将其赋值给sServerSocket静态变量中。代码1中调用System.getenv()方法，获取套接字的文件描述符，该套接字由init进程记录在ANDROID_SOCKET_zygote环境变量中。应用程序Framework使用套接字文件描述符创建 LocalServerSocket 类的实例，并将其与 /dev/socket/zygote绑定在一起。

         当创建新android进程的请求到达ZygoteInit对象时，创建出LocalServerSocket实例接收生成新android进程的信息，并在最后循环语句中进行处理。

   b.  加载应用程序Framework 中的类与平台资源

         ZygoteInit 类会调用 preloadClasses()与 preloadResources()两个方法，这两个方法分别用于将应用程序Framework中的类，以及图标，图像，字符串等资源加载到内存中，并对装载的类与资源生成链接信息。新生成的android应用程序在使用这些已经装载的类或资源时，直接使用即可，不需要重新生成链接信息。

             preloadClasses()方法主要代码如下：

  ******************************************************************************************************

                 

  ******************************************************************************************************

             代码解析：1中获取一个输入流，以便读取”preloaded-classes“文件中记录的类。”preloaded-classes“文件的部分内容代码如下：

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              #Classes which are preloaded by com.android.internal.os.ZygoteInit

              #Automatically  generated by  frameworks/base/tools/preload/WritePreloadedClassFile.java.

              #MIN_LOAD_TIME_MICROS=1250

              SQLite.Blob

              SQLite.Database

              SQLite.FunctionContext

              SQLite.Stmt

              SQLite.Vm

              android.R$styleable

              android.accounts.IAccountsService$Stub

              android.app.Acitivity

              .......

 ******************************************************************************************************

       2代码，在获取输入流的基础上，创建BufferedReader对象，并读取”preloaded-classed“文件的内容

       3代码中，忽略所读取内容中的注释与空行，而后开始读取下一行。

       4代码中，调用Class.forName()方法，将读到的类动态地加载到内存中。Class.forName()方法并非真在内存中生成指定类的实例，它只是把类的信息加载到内存中，并初始化静态变量。

        新应用程序运行时，由于使用的类已经加载到内存中，所以程序的启动运行速度回相当快。

        加载应用程序Framework中包含的资源

        在android应用程序Framework中使用的字符串，颜色，图像文件，音频文件等都成为资源。应用程序不能直接访问这些资源，需要通过Android开发工具自动生成的R类来访问。通过Ｒ类可访问的资源组成信息记录在XML中。

       preloadResources方法是用于加载资源，代码如下： 

  ******************************************************************************************************

            

  ******************************************************************************************************

       资源分为系统资源与应用程序资源，使用系统资源时，需要先调用Resources类的方法getSystem()，而后使用其返回对象，预加载系统资源。 

         至此，Dalvik虚拟机已经启动并完成初始化，还绑定了套接字，以便接收应用程序创建请求。并且Framework中的类与资源也被加载到内存中，由此ZygoteInit类做好了接收请求创建应用程序并运行的准备。但ZygoteInit类在处理应用程序创建请求之前，还要运行SystemServer工作。

    c. 运行 SystemServer

             

          Zygote启动Dalvik虚拟机后，会再生成一个Dalvik虚拟机实例，以便运行名称为 SystemServer的java服务，SystemServer 用于运行 Audio Flinger与 Surface  Flinger本地服务。在运行完所需的本地服务后， SystemServer 开始运行Android Framework的服务，如ActivityManager， PackageManager等。

           startSystemServer的代码如下：

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           private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
            throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
        long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(
            OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND,
            OsConstants.CAP_KILL,
            OsConstants.CAP_NET_ADMIN,
            OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,
            OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,
            OsConstants.CAP_NET_RAW,
            OsConstants.CAP_SYS_MODULE,
            OsConstants.CAP_SYS_NICE,
            OsConstants.CAP_SYS_RESOURCE,
            OsConstants.CAP_SYS_TIME,
            OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG
        );
        /* Hardcoded command line to start the system server */
        String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1032,3001,3002,3003,3006,3007",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--runtime-init",
            "--nice-name=system_server",
            "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 */
            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 */
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }

            handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return true;
    }   

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            该方法用于运行SystemServer。代码1定义保存SystemServer的启动参数的字符串数组，属于硬编码数组。最后一个参数指定SystemServer类。  与运行其他应用程序不同，该方法会调用 forkSystemServer()方法来创建新进程，并运行SystemServer。系统在运行普通android应用程序时，只负责创建应用程序进程，至于进程是否创建成功并不检查。与此不同，SystemServer是必须运行的，因此在 forkSystemServer()方法中必须检查生成的SystemServer 进程工作是否正常。3代码中，运行SystemServer类的main()方法，此时会加载android_servers本地库。

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        本地库加载完毕以后，然后调用JNI本地方法nativeInit（），加载系统需要的本地服务。然后设置android.server.SystemServer主线程，加载framework层主要服务，启动消息处理循环。

   d. 运行新的android应用程序

         在ｓｙｓｔｅｍserver运行后，程序会进入一个循环，，处理来自所绑定的套接字的请求。程序运行ｒｕｎSelectLoopMode()方法启动消息处理循环，处理套接字请求。
　　

         上图描述了ｚｙｇｏｔｅInit类运行新应用的过程，接下来代码详细分析：

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       private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
        ArrayList fds = new ArrayList();
        ArrayList peers = new ArrayList();
        FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];

        fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());//将套接字与dev/socket/zygote绑定在一起，本行首先将套接字的描述符添加到描述符数组中，保存在数组的第０个ｉｎｄｅｘ中，程序将使用该描述符处理来自外部的连接请求。
        peers.add(null);

        int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
        while (true) {
            int index;

            if (loopCount <= 0) {
                gc();
                loopCount = GC_LOOP_COUNT;
            } else {
                loopCount--;
            }


            try {
                fdArray = fds.toArray(fdArray);
                index = selectReadable(fdArray);//本身是一个被注册为JNI本地方法的本地函数。用来监视参数传递过来的文件描述符数组，若描述符目录中存在相关事件，则返回其在数组中的索引。
            } catch (IOException ex) {
                throw new RuntimeException("Error in select()", ex);
            }

            if (index < 0) {
                throw new RuntimeException("Error in select()");
            } else if (index == 0) {//处理index为０的套接字描述符中发生的输入输出事件。为了处理传递给dev/socket/zygote套接字的链接请求，程序先创建了Z对象。在zygoteConnection构造方法中创建输入输出流，而后生成Credentials，检查请求连接一方的访问权限，为了处理zygoteConnection对象的输入输出事件，将套接字描述符添加到套接字描述符数组fds中。被添加的套接字描述符的输入输出事件在下一个循环中，由selectReadable()方法进行检查。
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDescriptor());
            } else {
                boolean done;
                done = peers.get(index).runOnce();//用于处理新连接的输入输出套接字，并生成新的android应用程序。

                if (done) {
                    peers.remove(index);
                    fds.remove(index);
                }
            }
        }
    }

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　在runOnce()方法中，方法用来创建新的进程。

      以上是ZygoteInte类加载新应用程序类并调用main()方法执行的整个过程。新运行的应用程序由ZygoteInit类动态加载，共用装载到父进程生成的虚拟机中的代码。共用应用程序Framework中的类与资源的链接信息，大大加快了应用程序创建于启动的速度。