Android 系统启动流程
Android系统是基于Linux定制的一款开源的而移动端操作系统，由于其开源的特性，各大手机厂商可以针对其源码进行深度定制，对于开发者来说，有如此庞大且优秀的开源os提供参考，尤其是对移动端的开发者来说，阅读Android系统源码可以帮助我们更好地理解其中的各种机制，平时束手无策的问题也可以在源码中寻找答案。当然光8.0的源码就20多个g，像全部读完几乎是不可能的事，我们主要以framework为主线，以系统运行机制为分支，层层阅读，剥开Android系统的神秘面纱。
Android 系统架构
首先来一张google经典的Android系统架构图：可以看到，从上到下主要分为4层：应用层，framework层，系统库和运行时，Linux内核层。
#Android 启动流程
这里再上一张Android系统启动的流程图，可以看到系统从启动开始是按照一个流程：Loader->kernel->framework->Application来进行的。
Loader层：
Boot Rom：当手机处于关机状态时，长按开机键开机，会引导芯片开始从固化在Rom里预设的代码开始执行，然后加载引导程序到RamBoot Loader：启动Android系统之前的引导程序，主要是检查Ram，初始化参数等
Kernel层
Kernel层指的就是Android内核层，这里一般开机刚刚结束进入Android系统，Kernel层的启动流程如下：
- 启动
swapper进程（pid=0），这是系统初始化过程kernel创建的第一个进程，用于初始化进程管理、内存管理、加载Display、Camera、Binder等驱动相关工作 - 启动
kthreadd进程，这是Linux系统的内核进程，会创建内核工作线程kworkder、软中断线程ksoftirqd和thermal等内核守护进程。kthreadd是所有内核进程的鼻祖。
Native层
这里的native层主要包括由init进程孵化的用户空间的守护进程，bootanim开机动画和hal层等。Init是Linux系统的守护进程，是所有用户空间进程的鼻祖。
init进程会孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lm这里写代码片kd等用户守护进程；init进程还会启动ServiceManager（Binder服务管家）、bootanim（开机动画）等重要服务。init进程孵化出Zygote进程，Zygote进程是Android系统第一个Java进程（虚拟机进程），Zygote进程是所有Java进程的父进程。
Framework层
framework层有native层和java层共同组成，协调系统平稳有序的工作。framework 层主要包括以下内容：
Media Server进程，是由init进程fork而来，负责启动和管理整个C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service等服务。Zygote进程，由Init进程通过解析init.rc文件生成，Zygote是Android系统的第一个Java进程，是所有Java进程的父进程。System Server进程，由Zygote进程fork而来，是Zygote进程孵化的第一个子进程，负责启动和管理整个Java Framework，包括Ams、Pms等。
App层
Zygote进程孵化的第一个App进程是Launcher进程，也就是我们的桌面进程，也就是我们打开手机看到的用户界面。因为在前面的framework 生成了各种守护进程和管理进程，对于Launcher也就有对应的点击、长按、滑动、卸载等监听。Zygote进程也会创建Browser、Phone、Email等App进程。也就是说所有的App进程都是由Zygote进程fork生成的。而且上层的进程全部由下层的进程进行管理，包括但不限于界面的注册、跳转，消息的传递。
Zygote进程的启动
了解了Android系统从按下开机键到桌面完整运行在用户眼前的整个流程，我们就可以针对系统的各个过程进行分析。由于是移动开发，平时最多打交道的是应用层，也是就上面的App层，跟我们打交道最多的就是framework层，我们主要关注framework层是如何启动并调度各应用进程协调工作的。从ZygoteInit的main方法开始，我们先看framework启动流程的时序图(省略了一些步骤)大体如下：
[外链图片转存失败(img-Gm3OOCcd-1568628095444)(http://on-img.com/chart_image/5b694cb9e4b025cf4939ddf2.png)]
1.ZygoteInit.main
public static void main(String argv[]) {
ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
// Mark zygote start. This ensures that thread creation will throw
// an error.
ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();
...
try {
// Report Zygote start time to tron unless it is a runtime restart
if (!"1".equals(SystemProperties.get("sys.boot_completed"))) {
MetricsLogger.histogram(null, "boot_zygote_init",
(int) SystemClock.elapsedRealtime());
}
...
// 1.加载首个Zygote进程的时候，加载参数有start-system-server，即startSystemServer=true
for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
startSystemServer = true;
} else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
enableLazyPreload = true;
} else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
} else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
} else {
throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
}
}
if (abiList == null) {
throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
}
// 2. 注册zygote服务端localserversocket
zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
...
// 3.在这里开启了SystemServer，也就是Ams,Pms,Wms...等一系列系统服务
if (startSystemServer) {
startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
}
Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
// 4.while(true) 死循环，除非抛出异常系统中断
zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
zygoteServer.closeServerSocket();
} catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run();
} catch (Throwable ex) {
Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
zygoteServer.closeServerSocket();
throw ex;
}
}
ZygoteInit.main()由native层传入初始化参数调用，这里不再赘述，这边主要沿Java的framework层来分析系统的调用，结合上图和代码注释可以看到，加载参数有start-system-server，即startSystemServer=true赋值，紧接着下面会调用ZygoteServer.registerServerSocket(),也就是这里和ZygoteServer的通信用到的是LocalSocket，我们知道跨进程调用最常见的调用方式就是LocalSocket和aidl，在framework里也有很多这样通信的。接下来就开启了SystemServer，后面是一个runSelectLoop()，这里其实是一个死循环，当抛出异常终止则会调用zygoteServer.closeServerSocket()来关闭socket连接。我们继续跟进startSystemServer看具体是如何开启系统服务的。
2.startSystemServer
/**
* Prepare the arguments and fork for the system server process.
*/
private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName, ZygoteServer zygoteServer)
throws Zygote.MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
...
/* Hardcoded command line to start the system server */
String args[] = {
"--setuid=1000",
"--setgid=1000",
"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
"--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
"--nice-name=system_server",
"--runtime-args",
"com.android.server.SystemServer",
};
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
int pid;
try {
//传入准备参数，注意上面参数最后的"com.android.server.SystemServer"
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 */
// pid = 0 说明创建子进程成功，SystemServer此时拥有独立进程，可以独立在自己的进程内操作了
if (pid == 0) {
if (hasSecondZygote(abiList)) {
waitForSecondaryZygote(socketName);
}
zygoteServer.closeServerSocket();
// 处理SystemServer进程
handleSystemServerProcess(parsedArgs);
}
return true;
}
这个方法不是很长，看注释可以知道，主要是用来准备SystemServer进程的参数和forkSystemServer进程。前面一堆参数不用看，注意我添加中文注释的地方，传入的参数有一个内容为"com.android.server.SystemServer"，这是SystemServer类的全限定名，接下来调用Zygote.forkSystemSeerver()，最后当pid=0时，也就是说明子进程创建成功，如果这时候有两个Zygote进程则等待第二个Zygote进程连接，关闭掉第一个Zygote进程和ZygoteServer的socket连接。最后调用handleSystemServerProcess()来处理SystemServer进程。这里的Zygote.forkSystemServer()实际上是调用了native层的forkSystemServer()来fork子进程。这里主要跟进handleSystemServerProcess()看看是如何完成新fork的SystemServer进程的剩余工作的。
3.handleSystemServerProcess
/**
* Finish remaining work for the newly forked system server process.
*/
private static void handleSystemServerProcess(
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
...
// 默认为null，走Zygote.init()流程
if (parsedArgs.invokeWith != null) {
...
} else {
ClassLoader cl = null;
if (systemServerClasspath != null) {
// 创建类加载器，并赋予当前线程
cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion);
Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
}
/*
* Pass the remaining arguments to SystemServer.
*/
ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
}
/* should never reach here */
}
parsedArgs.invokeWith默认是为null的，也就是走else流程，可以看到先创建了一个类加载器并赋予了当前线程，这个类加载器用来加载android application等类，后续的Android相关dex加载都是用的这个classloader。然后进入了ZygoteInit.zygoteInit()。
4.ZygoteInit.zygoteInit()
/**
* The main function called when started through the zygote process. This
* could be unified with main(), if the native code in nativeFinishInit()
* were rationalized with Zygote startup.
*
* Current recognized args:
*
* -
[--] <start class name> <args>
*
*
* @param targetSdkVersion target SDK version
* @param argv arg strings
*/
public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
ClassLoader classLoader) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
if (RuntimeInit.DEBUG) {
Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
}
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
RuntimeInit.redirectLogStreams();
RuntimeInit.commonInit();
// Zygote初始化
ZygoteInit.nativeZygoteInit();
// 应用初始化
RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}
这个方法不是很长，主要工作是Zygote的初始化和Runtime的初始化。Zygote 的初始化调用了native方法，里面的大致工作是打开/dev/binder驱动设备，创建一个新的binder线程，调用talkWithDriver()不断地跟驱动交互。
进入RuntimeInit.applicationInit()查看具体应用初始化流程。
5.RuntimeInit.applicationInit
protected static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
// If the application calls System.exit(), terminate the process
// immediately without running any shutdown hooks. It is not possible to
// shutdown an Android application gracefully. Among other things, the
// Android runtime shutdown hooks close the Binder driver, which can cause
// leftover running threads to crash before the process actually exits.
nativeSetExitWithoutCleanup(true);
// We want to be fairly aggressive about heap utilization, to avoid
// holding on to a lot of memory that isn't needed.
VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);
final Arguments args;
try {
// 解析参数
args = new Arguments(argv);
} catch (IllegalArgumentException ex) {
Slog.e(TAG, ex.getMessage());
// let the process exit
return;
}
// The end of of the RuntimeInit event (see #zygoteInit).
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
// Remaining arguments are passed to the start class's static main
invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}
这个方法也不是很长，前面的一些配置略过，主要看解析参数和invokeStaticMain()，顾名思义，这里的目的是通过反射调用静态的main方法，那么调用的是哪个类的main方法，我们看传入的参数是args.startClass，我们追溯参数的传递过程，发现之前提到的一系列args被封装进ZygoteConnection.Arguments类中，这一系列参数原本是
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",
};
可以看到，唯一的类的全限定名是com.android.server.SystemServer，追述args = new Arguments(argv)的源码也可以找到答案：
Arguments(String args[]) throws IllegalArgumentException {
parseArgs(args);
}
private void parseArgs(String args[])
throws IllegalArgumentException {
int curArg = 0;
for (; curArg < args.length; curArg++) {
String arg = args[curArg];
if (arg.equals("--")) {
curArg++;
break;
} else if (!arg.startsWith("--")) {
break;
}
}
if (curArg == args.length) {
throw new IllegalArgumentException("Missing classname argument to RuntimeInit!");
}
// startClass 为args的最后一个参数
startClass = args[curArg++];
startArgs = new String[args.length - curArg];
System.arraycopy(args, curArg, startArgs, 0, startArgs.length);
}
}
6.RuntimeInit.invokeStaticMain
private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
Class cl;
try {
cl = Class.forName(className, true, classLoader);
} catch (ClassNotFoundException ex) {
throw new RuntimeException(
"Missing class when invoking static main " + className,
ex);
}
Method m;
try {
m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
} catch (NoSuchMethodException ex) {
throw new RuntimeException(
"Missing static main on " + className, ex);
} catch (SecurityException ex) {
throw new RuntimeException(
"Problem getting static main on " + className, ex);
}
int modifiers = m.getModifiers();
if (! (Modifier.isStatic(modifiers) && Modifier.isPublic(modifiers))) {
throw new RuntimeException(
"Main method is not public and static on " + className);
}
/*
* This throw gets caught in ZygoteInit.main(), which responds
* by invoking the exception's run() method. This arrangement
* clears up all the stack frames that were required in setting
* up the process.
*/
throw new Zygote.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}
可以看到，这边走的就是正常的一个反射流程，会对main方法的参数、修饰符等校验，有问题抛出RuntimeException运行时异常，没问题就抛出一个Zygote.MethodAndArgsCaller，这一步的处理可以说是非常奇怪了，既然执行完毕为什么不直接invoke而是抛出异常呢，我们可以看到英文注释的大概解释，这个异常抛出在ZygoteInit.main()方法，执行了异常的run方法，其目的是清除设置中的所有堆栈帧，既然如此我们回到ZygoteInit.main()方法，果然：
try{
...
}catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run();
}
抛出该异常调用了caller.run()方法，那我们看这里做了什么：
public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
implements Runnable {
/** method to call */
private final Method mMethod;
/** argument array */
private final String[] mArgs;
public MethodAndArgsCaller(Method method, String[] args) {
mMethod = method;
mArgs = args;
}
public void run() {
try {
mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
} catch (IllegalAccessException ex) {
throw new RuntimeException(ex);
} catch (InvocationTargetException ex) {
Throwable cause = ex.getCause();
if (cause instanceof RuntimeException) {
throw (RuntimeException) cause;
} else if (cause instanceof Error) {
throw (Error) cause;
}
throw new RuntimeException(ex);
}
}
}
可以看到，这里调用了mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs })，也就是执行了SystemServer的main方法。
7.SystemServer.main
public static void main(String[] args) {
new SystemServer().run();
}
try {
...
//主线程在当前进程
Looper.prepareMainLooper();
...
// 初始化系统上下文
createSystemContext();
// 1.创建SystemServiceManager
mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
mSystemServiceManager.setRuntimeRestarted(mRuntimeRestart);
LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);
// Prepare the thread pool for init tasks that can be parallelized
SystemServerInitThreadPool.get();
} finally {
traceEnd();
}
...
try {
traceBeginAndSlog("StartServices");
//2.开启一些重要的系统服务
startBootstrapServices();
startCoreServices();
startOtherServices();
SystemServerInitThreadPool.shutdown();
} catch (Throwable ex) {
Slog.e("System", "******************************************");
Slog.e("System", "************ Failure starting system services", ex);
throw ex;
} finally {
traceEnd();
}
...
// Loop forever.
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
可以看到，这边主要的工作，创建主线程Looper循环器，初始化系统上下文，最关键的还是后面的开启一系列的服务，这些服务就包括了系统服务，跟进sartBootstrapService()看看是如何初始化系统服务的。
8.SystemServer.startBootstrapServices
...
SystemServerInitThreadPool.get().submit(SystemConfig::getInstance, TAG_SYSTEM_CONFIG);
// 阻塞等待与installd建立socket通道
Installer installer = mSystemServiceManager.startService(Installer.class);
// 1. 在这里开启了Ams
mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(
ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();
mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
mActivityManagerService.setInstaller(installer);
...
// 2.在这里开启了PowerManagerService
mPowerManagerService = mSystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class);
// 3.Ams 初始化PowerManager
mActivityManagerService.initPowerManagement();
// Bring up recovery system in case a rescue party needs a reboot
if (!SystemProperties.getBoolean("config.disable_noncore", false)) {
traceBeginAndSlog("StartRecoverySystemService");
//
mSystemServiceManager.startService(RecoverySystemService.class);
traceEnd();
}
mSystemServiceManager.startService(LightsService.class);
mDisplayManagerService = mSystemServiceManager.startService(DisplayManagerService.class);
mPackageManagerService = PackageManagerService.main(mSystemContext, installer,
mFactoryTestMode != FactoryTest.FACTORY_TEST_OFF, mOnlyCore);
mFirstBoot = mPackageManagerService.isFirstBoot();
mPackageManager = mSystemContext.getPackageManager();
mSystemServiceManager.startService(UserManagerService.LifeCycle.class);
mSystemServiceManager.startService(new OverlayManagerService(mSystemContext, installer));
可以看见启动了很多的系统服务，其中很多的服务目前也不是很了解，主要的是ActivityMangerService和PackageManagerService等主要管理系统的一些服务。自此，Android系统的SystemServer已经启动，并且其相关的各种系统服务已经启动，Ams等重要系统服务也均已开启。Ams是贯穿Android系统的核心服务，负责系统四大组件的启动、切换及其生命周期管理和调度等工作，各个应用程序App作为独立进程需要通过Binder与Ams进行通信，而Ams在SystemServer中通过LocalSocket与Zygote进行通信。不管是对于系统运行的原理，还是各组件的调度过程，理解Ams的工作原理十分重要，接下来将以此为主线，分别分析Ams、四大组件等的启动流程和生命周期的管理等。
参考资料
Android 8.0.1源码
Android系统开篇
Android系统启动过程深入分析