Android Framework学习(二)之Zygote进程启动解析

上篇博客，我们学习了init进程的相关知识，本篇博客我们一次来学习zygote进程的相关知识。

Zygote简介

在Android系统中，JavaVM(Java虚拟机)、应用程序进程以及运行系统的关键服务的SystemServer进程都是由Zygote进程来创建的，我们也将它称为孵化器。它通过fock(复制进程)的形式来创建应用程序进程和SystemServer进程，由于Zygote进程在启动时会创建JavaVM，因此通过fock而创建的应用程序进程和SystemServer进程可以在内部获取一个JavaVM的实例拷贝。

zygote进程的启动

zygote进程是在init进程的main函数中进行启动的，zygote是init进程中众多service之一，在init.rc中有启动zygote的相关脚本
system/core/rootdir/init.rc

...
on nonencrypted    
    # A/B update verifier that marks a successful boot.  
    exec - root -- /system/bin/update_verifier nonencrypted  
    class_start main         
    class_start late_start 
...

zygote的class name就是main，其中class_start是一个COMMAND，对应的函数为do_class_start。class_start main用来启动zygote，do_class_start函数在builtins.cpp中定义

system/core/init/builtins.cpp

static int do_class_start(const std::vector<std::string>& args) {
        /* Starting a class does not start services
         * which are explicitly disabled.  They must
         * be started individually.
         */
    ServiceManager::GetInstance().
        ForEachServiceInClass(args[1], [] (Service* s) { s->StartIfNotDisabled(); });
    return 0;
}

可以看到关键代码在StartIfNotDisabled()方法中
system/core/init/service.cpp

bool Service::StartIfNotDisabled() {
    if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
        return Start();
    } else {
        flags_ |= SVC_DISABLED_START;
    }
    return true;
}

接着查看Start方法

bool Service::Start() {
    flags_ &= (~(SVC_DISABLED|SVC_RESTARTING|SVC_RESET|SVC_RESTART|SVC_DISABLED_START));
    time_started_ = 0;
    if (flags_ & SVC_RUNNING) {//如果Service已经运行，则不启动
        return false;
    }
    bool needs_console = (flags_ & SVC_CONSOLE);
    if (needs_console && !have_console) {
        ERROR("service '%s' requires console\n", name_.c_str());
        flags_ |= SVC_DISABLED;
        return false;
    }
  //判断需要启动的Service的对应的执行文件是否存在，不存在则不启动该Service
    struct stat sb;
    if (stat(args_[0].c_str(), &sb) == -1) {
        ERROR("cannot find '%s' (%s), disabling '%s'\n",
              args_[0].c_str(), strerror(errno), name_.c_str());
        flags_ |= SVC_DISABLED;
        return false;
    }

...
    pid_t pid = fork();//1.fork函数创建子进程
    if (pid == 0) {//运行在子进程中
        umask(077);
        for (const auto& ei : envvars_) {
            add_environment(ei.name.c_str(), ei.value.c_str());
        }
        for (const auto& si : sockets_) {
            int socket_type = ((si.type == "stream" ? SOCK_STREAM :
                                (si.type == "dgram" ? SOCK_DGRAM :
                                 SOCK_SEQPACKET)));
            const char* socketcon =
                !si.socketcon.empty() ? si.socketcon.c_str() : scon.c_str();

            int s = create_socket(si.name.c_str(), socket_type, si.perm,
                                  si.uid, si.gid, socketcon);
            if (s >= 0) {
                PublishSocket(si.name, s);
            }
        }
...
        //2.通过execve执行程序
        if (execve(args_[0].c_str(), (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
            ERROR("cannot execve('%s'): %s\n", args_[0].c_str(), strerror(errno));
        }

        _exit(127);
    }
...
    return true;
}

Start方法中调用fork函数来创建子进程，并在子进程中调用execve执行system/bin/app_process，这样就会进入framework/cmds/app_process/app_main.cpp的main函数
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

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

    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
   ...
     Vector args;
    if (!className.isEmpty()) {
        args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
        runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);
    } else {
        // We're in zygote mode.
        maybeCreateDalvikCache();
        if (startSystemServer) {
            args.add(String8("start-system-server"));//1
        }
        char prop[PROP_VALUE_MAX];
        if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) {
            LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: Unable to determine ABI list from property %s.",
                ABI_LIST_PROPERTY);
            return 11;
        }
        String8 abiFlag("--abi-list=");
        abiFlag.append(prop);
        args.add(abiFlag);
        for (; i < argc; ++i) {
            args.add(String8(argv[i]));
        }
    }
    if (!niceName.isEmpty()) {
        runtime.setArgv0(niceName.string());
        set_process_name(niceName.string());
    }
    if (zygote) {
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);//2
    } 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.");
        return 10;
    }
}

从上面代码可以得知，init调用app_main.cpp的main函数中的AppRuntime的start来启动zygote进程。

注释1处如果startSystemServer为true的话(默认为true)，将”start-system-server”放入启动的参数args。
注释2处调用注释2处这里调用runtime的start函数来启动zygote进程，并将args传入，这样启动zygote进程后，zygote进程会将SystemServer进程启动。我们知道runtime指的就是AppRuntime，AppRuntime声明也在app_main.cpp中，它继承AndroidRuntime，也就是我们调用start其实是调用AndroidRuntime的start函数：
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    ...
    /* start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {//1
        return;
    }
    onVmCreated(env);
    if (startReg(env) < 0) {//2
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }
    jclass stringClass;
    jobjectArray strArray;
    jstring classNameStr;

    stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
    assert(stringClass != NULL);
    //创建数组
    strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
    assert(strArray != NULL);
    //从app_main的main函数得知className为com.android.internal.os.ZygoteInit
    classNameStr = env->NewStringUTF(className);
    assert(classNameStr != NULL);
    env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);

    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
        jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());
        assert(optionsStr != NULL);
        env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);
    }
    char* slashClassName = toSlashClassName(className);
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
        /* keep going */
    } else {
    //找到ZygoteInit的main函数
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");//3
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
            /* keep going */
        } else {
        //通过JNI调用ZygoteInit的main函数
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);//4

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

注释1处调用startVm函数来创建JavaVm，注释2处调用startReg函数用来为JavaVm注册JNI。注释3处的代码用来找到ZygoteInit的main函数，其中startClass从app_main的main函数得知为com.android.internal.os.ZygoteInit。注释4处通过JNI调用ZygoteInit的main函数，因为ZygoteInit的main函数是Java编写的，因此需要通过JNI调用。

Zygote的Java层ZygoteInit

通过JNI调用ZygoteInit的main函数后，Zygote便进入了Java框架层，此前没有任何代码进入过Java框架层，换句换说Zygote开创了Java框架层。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
       ...
        try {
         ...       
            //注册Zygote用的Socket
            registerZygoteSocket(socketName);//1
           ...
           //预加载类和资源
           preload();//2
           ...
            if (startSystemServer) {
            //启动SystemServer进程
                startSystemServer(abiList, socketName);//3
            }
            Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
            //等待客户端请求
            runSelectLoop(abiList);//4
            closeServerSocket();
        } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
            caller.run();
        } catch (RuntimeException ex) {
            Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
            closeServerSocket();
            throw ex;
        }
    }

注释1处通过registerZygoteSocket函数来创建一个Server端的Socket，这个name为”zygote”的Socket用来等待ActivityManagerService来请求Zygote来创建新的应用程序进程。注释2处用来预加载类和资源。注释3处用来启动SystemServer进程，这样系统的关键服务也会由SystemServer进程启动起来。注释4处调用runSelectLoop函数来等待客户端请求。

1.registerZygoteSocket

private static void registerZygoteSocket(String socketName) {
        if (sServerSocket == null) {
            int fileDesc;
            final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
            try {
                String env = System.getenv(fullSocketName);
                fileDesc = Integer.parseInt(env);
            } catch (RuntimeException ex) {
                throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex);
            }
            try {
                FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
                fd.setInt$(fileDesc);
                sServerSocket = new LocalServerSocket(fd);//1
            } catch (IOException ex) {
                throw new RuntimeException(
                        "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
            }
        }

注释1处用来创建LocalServerSocket，也就是服务端的Socket。当Zygote进程将SystemServer进程启动后，就会在这个服务端的Socket上来等待ActivityManagerService请求Zygote进程来创建新的应用程序进程。

2.startSystemServer启动SystemServer进程

 private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
            throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
...
        /* Hardcoded command line to start the system server */
         /*1*/
        String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
            "--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);//2
            ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
            ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

            /*3*/
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }

            handleSystemServerProcess(parsedArgs);//4
        }

        return true;
    }

注释1处的代码用来创建args数组，这个数组用来保存启动SystemServer的启动参数，其中可以看出SystemServer进程的用户id和用户组id被设置为1000；并且拥有用户组1001~1010，1018、1021、1032、3001~3010的权限；进程名为system_server；启动的类名为com.android.server.SystemServer。在注释2处将args数组封装成Arguments对象并供注释3的forkSystemServer函数调用。注释3处调用Zygote的forkSystemServer，主要通过fork函数在当前进程创建一个子进程，如果返回的pid 为0，也就是表示在新创建的子进程中执行的，则执行注释4处的handleSystemServerProcess来启动SystemServer进程。

4.runSelectLoop
启动启动SystemServer进程后，最后进入runSelectLoop函数

private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
        ArrayList fds = new ArrayList();
        ArrayList peers = new ArrayList();
        fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());//1
        peers.add(null);

        while (true) {
            StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
            for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {//2
                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);
            }
            for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {//3
                if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                    continue;
                }
                if (i == 0) {
                    ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);//4
                    peers.add(newPeer);
                    fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
                } else {
                    boolean done = peers.get(i).runOnce();//5
                    if (done) {
                        peers.remove(i);
                        fds.remove(i);
                    }
                }
            }
        }
    }

注释1处中的sServerSocket就是我们在registerZygoteSocket函数中创建的服务端Socket，调用sServerSocket.getFileDescriptor()用来获得该Socket的fd字段的值并添加到fd列表fds中。接下来无限循环用来等待ActivityManagerService请求Zygote进程创建新的应用程序进程。注释2处通过遍历将fds存储的信息转移到pollFds数组中。最后在注释3处对pollFds进行遍历，如果i==0则说明服务端Socket与客户端连接上，也就是当前Zygote进程与ActivityManagerService建立了连接。则在注释4处通过acceptCommandPeer函数得到ZygoteConnection类并添加到Socket连接列表peers中，接着将该ZygoteConnection的fd添加到fd列表fds中，以便可以接收到ActivityManagerService发送过来的请求。如果i的值大于0，则说明ActivityManagerService向Zygote进程发送了一个创建应用进程的请求，则在注释5处调用ZygoteConnection的runOnce函数来创建一个新的应用程序进程。并在成功创建后将这个连接从Socket连接列表peers和fd列表fds中清除。

Zygote进程总结
1.创建AppRuntime并调用其start方法，启动Zygote进程。
2.创建JavaVM并为JavaVM注册JNI.
3.通过JNI调用ZygoteInit的main函数进入Zygote的Java框架层。
4.通过registerZygoteSocket函数创建服务端Socket，并通过runSelectLoop函数等待ActivityManagerService的请求来创建新的应用程序进程。
5.启动SystemServer进程。