Direct Boot Mode

Direct Boot Mode

简介

在Android M及之前，当开机启动到锁屏界面时，所有程序阻塞，等待用户解锁(即使未设置开机密码，也需要滑屏解锁)后才会继续。

而Android 7.0引入了Direct Boot模式，当手机已经通电开机但是用户并有解锁锁屏的时候，Android N运行于一个安全的模式，也就是Dierect Boot模式。

而Direct Boot模式下，仅限于运行一些关键的、紧急的APP，比如：

• Apps that have scheduled noti cations, such as alarm clock apps.
• Apps that provide important user noti cations, like SMS apps.
• Apps that provide accessibility services, like Talkback.

技术点

1. 如何使APP支持Direct Boot？
   为了让APP应用能够在用户解锁设备之前运行，须在AndroidManinfest.xml清单文件中将组件显式标记为支持Direct Boot：

2. 广播
   Android N在引入DBM后，也新增了一条ACTION_LOCKED_BOOT_COMPLETED广播：

   • 在进入DRM后，APP会收到广播消息： Intent.ACTION_LOCKED_BOOT_COMPLETED // 未解锁
   • 在用户解锁后，APP会收到另一条广播： Intent.ACTION_BOOT_COMPLETED

   应用获取解锁的通知：

   • 监听广播：ACTION_USER_UNLOCKED
   • 监听广播：ACTION_BOOT_COMPLETED

3. 在Direct Boot模式下，应用只能访问其他支持DirectBoot的应用和组件；如果依赖外部服务或Activity，需要妥善处理外部服务或Activity不可用的情形；默认情况下，Intent过滤器仅匹配当前状态（已解锁/未解锁）下可用的组件。

启动FallbackHome流程

在Android N里，在启动Launcher之前会先启动一个FallbackHome；

FallbackHome是Settings里的一个activity，Settings的android:directBootAware为true，而且FallbackHome在category中配置了Home属性；而Launcher的android:directBootAware为false，所以在DirectBoot模式下，只有FallbackHome可以启动。即先启动com.android.settings/.FallbackHome ，待用户解锁后再启动com.android.launcher3/.Launcher。

所以，在ActivityManagerService在启动Home界面时，从PackageManagerService中获取到的就是FallbackHome。参考getHomeIntent()和startHomeActivityLocked()等函数。

阅读FallbackHome源码：packages/apps/Settings/src/com/android/settings/FallbackHome.java

FallbackHome是个透明的Activity，其代码不足100行。FallbackHome的onCreate()方法里面会注册监听ACTION_USER_UNLOCKED广播，并调用maybeFinish()方法。

而在ACTION_USER_UNLOCKED广播的BroadcastReceiver里面，当此广播到来，也是调用maybeFinish()方法。

关键的maybeFinish()方法：

• 判断用户是否已解锁，如果未解锁就什么都不做，函数退出；
• 如果已解锁，则去寻找Launcher，如果找到，FallbackHome就会调用finish()结束自己；如若找不到就延迟500ms再找。

注意两点：

• 如何寻找Launcher？
• 如何延迟500ms ？

如下是maybeFinish()的源码：

private void maybeFinish() {
    if (getSystemService(UserManager.class).isUserUnlocked()) {
        final Intent homeIntent = new Intent(Intent.ACTION_MAIN)
                .addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);
        final ResolveInfo homeInfo = getPackageManager().resolveActivity(homeIntent, 0);
        if (Objects.equals(getPackageName(), homeInfo.activityInfo.packageName)) {
            Log.d(TAG, "User unlocked but no home; let's hope someone enables one soon?");
            mHandler.sendEmptyMessageDelayed(0, 500);
        } else {
            Log.d(TAG, "User unlocked and real home found; let's go!");
            finish();
        }
    }
}

private Handler mHandler = new Handler() {
    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
        maybeFinish();
    }
};

附录：

看一下第一次启动HomeActivity（即FallbackHome）的调用栈：

at com.android.server.am.ActivityStack.resumeTopActivityInnerLocked(ActivityStack.java:2597)
   at com.android.server.am.ActivityStack.resumeTopActivityUncheckedLocked(ActivityStack.java:2127)
   at com.android.server.am.ActivityStackSupervisor.resumeFocusedStackTopActivityLocked(ActivityStackSupervisor.java:1830)
   at com.android.server.am.ActivityStarter.startActivityUnchecked(ActivityStarter.java:1249)
   at com.android.server.am.ActivityStarter.startActivityLocked(ActivityStarter.java:516)
   at com.android.server.am.ActivityStarter.startHomeActivityLocked(ActivityStarter.java:642)
   at com.android.server.am.ActivityManagerService.startHomeActivityLocked(ActivityManagerService.java:3969)
   at com.android.server.am.ActivityManagerService.systemReady(ActivityManagerService.java:13384)
   at com.android.server.SystemServer.startOtherServices(SystemServer.java:1318)
   at com.android.server.SystemServer.run(SystemServer.java:333)
   at com.android.server.SystemServer.main(SystemServer.java:218)
   at java.lang.reflect.Method.invoke(Native Method)
   at com.android.internal.os.Zygote$MethodAndArgsCaller.run(Zygote.java:240)
   at com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:708)

注意：关注ActivityStarter.computeStackFocus()函数，它决定了Activity在哪个stack上启动！

ACTION_USER_UNLOCKED广播（EnableScreen流程）

在开机接近尾声，WindowManagerService会调用enableScreenIfNeededLocked()函数判断是否enable screen，通过Handler发生ENABLE_SCREEN消息到主线程。而在mH的handleMessage()中处理ENABLE_SCREEN消息时，会调用performEnableScreen()函数。

WindowManagerService.performEnableScreen()函数中判断是否要enable screen的两个因素：

• checkWaitingForWindows()
  Don’t enable the screen until all existing windows have been drawn.
• checkBootAnimationCompleteLocked()
  在设置service.bootanim.exit属性后等待开机动画结束；

插叙：关于checkBootAnimationCompleteLocked()的内容：

• 检查BOOT_ANIMATION_SERVICE是否已结束，如果已结束，返回true；
• 如果未结束，则向Handler发送一个200ms的延时消息CHECK_IF_BOOT_ANIMATION_FINISHED；在此消息的处理过程中，会调用checkBootAnimationCompleteLocked()检查开机动画是否已结束，如果已结束，则会再次调用performEnableScreen()，否则继续延时等待；总之就是每200ms检查一次；
• 也就是说，performEnableScreen()函数是一直等待开机动画结束，才会继续下面的流程；

注：checkBootAnimationCompleteLocked()向我们展示了通过Handler机制polling轮询的方法，这比while循环的方式更有效率，能够改善用户响应能力。

WindowManagerService.performEnableScreen()还做了如下动作：

• 结束开机动画（即设置service.bootanim.exit属性为1）
• 通知SurfaceFlinger，系统已Boot，如下：

IBinder surfaceFlinger = ServiceManager.getService("SurfaceFlinger");
Parcel data = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken("android.ui.ISurfaceComposer");
surfaceFlinger.transact(IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION, // BOOT_FINISHED
             data, null, 0);
data.recycle();

• 设置mDisplayEnabled=true
• 调用InputMonitor.setEventDispatchingLw() // Enable input dispatch
  很关键，解释了为什么副屏APP界面早早起来了但却触摸无响应！
• 调用ActivityManagerService.bootAnimationComplete()
  它会继续调用ActivityManagerService.finishBooting()；
• 调用PhoneWindowManager.enableScreenAfterBoot()
• 调用updateRotationUnchecked() // 疑问：如何强制横屏显示？

继续：ActivityManagerService.bootAnimationComplete()函数

这里的关键是AMS的finishBooting()函数，它做了啥：

• 关闭一些APP // ??
• Enable Net Opts
• 调用SystemServiceManager.startBootPhase(SystemService.PHASE_BOOT_COMPLETED)函数；
  • 会对所有注册到ServiceManager的system service，调用其onBootPhase()函数；
• 调用UserController.sendBootCompletedLocked()函数；

UserController类负责管理用户状态，如下：

• finishUserBoot() // STATE_BOOTING --> STATE_RUNNING_LOCKED
• finishUserUnlocking() // STATE_RUNNING_LOCKED --> STATE_RUNNING_UNLOCKING
• finishUserUnlocked() // STATE_RUNNING_UNLOCKING --> STATE_RUNNING_UNLOCKED
• stopSingleUserLocked() // STATE_RUNNING_XX --> STATE_STOPPING
• finishUserStopping() // STATE_STOPPING --> STATE_SHUTDOWN

上述函数是依次被调用的关系：

• UserController.sendBootCompletedLocked()调用finishUserBoot()；
• finishUserBoot()会调用maybeUnlockUser()，进而调用到finishUserUnlocking()；
• 而finishUserUnlocking()会向mHandler发送SYSTEM_USER_UNLOCK_MSG消息；
• ActivityManagerService负责处理SYSTEM_USER_UNLOCK_MSG消息，会调用finishUserUnlocked()函数；

而且，UserController类在不同阶段会发送不同广播：

• UserController.finishUserBoot()会发送Intent.ACTION_LOCKED_BOOT_COMPLETED广播；
• UserController.finishUserUnlocked()会发送Intent.ACTION_USER_UNLOCKED广播；
• UserController.finishUserUnlockedCompleted()会发送Intent.ACTION_BOOT_COMPLETED广播；

AMS与UserController的关系大致如下图所示：

OK，我们再回头看下FallbackHome，当收到ACTION_USER_UNLOCKED广播，它就会调用maybeFinish()方法去启动Launcher！

注意：UserController不是一个独立模块，它是ActivityManager的一部分！

疑问：怎么没看到用户解锁的处理过程？

扩展：使能InputDispatcher

上面提到的InputMonitor.setEventDispatchingLw()会通过InputManagerService.setInputDispatchMode()最终调用Native层的InputDispatcher::setInputDispatchMode()函数。

Native层的InputDispatcher::setInputDispatchMode()函数，它就设置两个flag变量：

• mDispatchEnabled
• mDispatchFrozen

可以在shell里通过dumpsys input | grep DispatchEnabled命令来查看此变量的值。

在InputDispatcher::dispatchOnceInnerLocked()函数分发Input事件时，会判断mDispatchEnabled和mDispatchFrozen这俩变量的值：

• 若mDispatchEnabled为true，则丢弃此次Input事件（dropReason 为 DROP_REASON_DISABLED）；
• 若mDispatchFrozen为true，则直接return；

后记：如何优化启动速度

引入Direct Boot Mode后，由于FallbackHome的原因，开机时间明显变长，如何优化？

以下内容摘录自Android7.0 DirectBoot阻塞开机分析：

Android 7.0新增了DirectBoot功能，AOSP中为实现该功能修改了开机代码流程，并且这部分流程并未根据设备是否支持DirectBoot做区分，只是流程上做了兼容，确保不支持DirectBoot的设备在这套流程下也能正常开机。

在这套流程下，用户解锁后才可进入非directBootAware应用，包括Launcher。

com.android.settings/.FallbackHome中判断用户解锁状态，已解锁才会Finish掉去启动Launcher，未解锁就等待ACTION_USER_UNLOCKED广播后再去启动Launcher。非DirectBoot模式下耗时4s就是在等待finishBooting后的系统广播ACTION_USER_UNLOCKED。

目前已从APP和PackageManagerService的角度尝试修改，在开机流程中绕过FallbackHome，但验证失败：
1）去除FallbackHome的android.intent.category.Home属性会导致停留在开机动画之后的界面。因为此时仍旧处于未解锁状态，且Launcher非directBootAware应用，PMS中的限制导致此时无法启动Launcher；
2）修改FallbackHome和Launcher的优先级仍旧先启动FallbackHome；
3）将Launcher标记为directBootAware应用会导致开机后Launcher crash。因为Launcher中的widget仍旧是非directBootAware的，此时仍旧无法启动，除非将widget相关的APP都标记为directBootAware；
4）PMS依赖手机当前的状态，需要user解锁才能正常查询。如果强制修改，不考虑DirectBoot和当前启动状态，即使当前user未解锁，依然可以查询符合条件的component，修改后会有无法开机的现象。因为Launcher不是directBootAware的，当前手机user尚未解锁，涉及存储相关的解锁也未进行。

开机绕过FallbackHome涉及的修改面很多，并非通过修改APP或PMS可以实现，还涉及存储区域解锁以及用户状态和ACTION_USER_UNLOCKED广播的修改，对AOSP开机流程改动较大，暂时尚未有较好的优化方案，欢迎大神指教。

参考链接

• Support Direct Boot mode
• Android 7.0: What is Direct Boot, and how will it improve your experience?
• Android7.0 DirectBoot阻塞开机分析
• Android N新特性 : Direct Boot Mode
• Android Launcher 启动 Activity 的工作过程

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