Android 系统启动流程解析-从开机到Dalvik VM

Android完整的启动流程，可以理解为从按下开机键到用户最终看到Launcher的过程，这部分细节很多，力求了解大概流程，对关键细节掌握即可。本篇重点讲解从开机到创建Dalvik VM的过程，下篇分析从Zygote到最终Launcher的显示过程。

介绍Android系统启动流程的文章很多，在正式介绍之前，我们可以思考下，类比windows等PC系统的系统启动流程，Android系统的启动流程有何特别之处。

Android可以理解为构建于在Linux上的一个特殊“应用”，因此Android启动的流程除了kernel的启动部分之外，还有构建在它之上的Android运行环境的启动部分。本篇主要介绍Kernel启动到构建出Dalvik VM的过程。

借用一张图：

加电 & 系统自检

当系统加电后，CPU复位会首先运行在ROM芯片内固化的一段指令（Boot ROM），这段指令会将BootLoader程序加载到内存中并且开始执行。

BootLoader

BootLoader也叫“引导加载程序”，是个底层代码，包含一堆指令，主要分为两部分，

• 第一部分，检测外部RAM，找到并加载另一段bootloader程序，之后跳到其中执行。
• 第二部分bootloader，设置运行内核所需的网络、内存等基本条件，之后找到对应的Kernel镜像文件，并将其加载到物理内存中。

关于镜像文件，可以参考：https://source.android.com/devices/bootloader/partitions-images

bootloader相关的源码见：android/platform/bootable/bootloader/legacy/usbloader

经过这一步，Kernel的相关镜像已经加载到了物理内存的指定地址处，并建立了内核运行所需的基本环境。接下来BootLoade就将控制权交给了Kernel，内核开始执行。

Kernel start阶段

android kernel的加载过程与Linux Kernel加载过程类似，随着内核启动，开始设置缓存、受保护内存、调度和加载驱动程序。当完成这些设置后，便会启动指定 /system/core/init 第一个用户进程init。

相比Linux Kernel，Android Kernel新增了一些特性：

• Binder：android新增的一种进程间通信机制；
• Ashmem：android新增的共享内存方式；
• Logger：对LogCat的内核支持；
• WakeLocks：电源管理；
• OOM处理：可用内存过低，会杀死进程；
• Alarm Manager： 通过用户控件通知内核何时唤醒；
• YAFFS2：针对闪存设备的文件系统；关于Android的文件系统，我之前也有一篇专门介绍

init进程

init进程是Android系统的第一个用户进程，可以说是root进程，它主要有两个职责：

1. 挂载/sys，/dev，/proc等文件目录；
2. 解析运行init.rc中的相关配置；init.rc脚本相关的语法可参考：https://android.googlesource.com/platform/system/core/+/refs/heads/android10-release/init

相关源码

以android 10源码为例，init进程的启动主要分为几个阶段：

//init进程入口
/init/main.cpp
int main(int argc, char** argv) {
	f (argc > 1) {
		if (!strcmp(argv[1], "subcontext")) {
			android::base::InitLogging(argv, &android::base::KernelLogger);
	const BuiltinFunctionMap function_map;
return SubcontextMain(argc, argv, &function_map);
		}
		//建立安全机制
		if (!strcmp(argv[1], "selinux_setup")) {
			return SetupSelinux(argv);
		}
		//第二阶段
		if (!strcmp(argv[1], "second_stage")) {
			return SecondStageMain(argc, argv);
		}
	}
	//第一阶段
	return FirstStageMain(argc, argv);
}

//第一阶段
/init/first_stage_init.cpp
int FirstStagetMain(int argc, char** argv) {
	//主要是创建挂载相关文件目录
	CHECKCALL(mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755"));
	CHECKCALL(mkdir("/dev/pts", 0755));
	CHECKCALL(mkdir("/dev/socket", 0755));
	CHECKCALL(mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL));
#define MAKE_STR(x) __STRING(x)
	CHECKCALL(mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" 	MAKE_STR(AID_READPROC)));
	...
	//------------执行selinux_setup-->main.cpp
	const char* path = "/system/bin/init";
	const char* args[] = {path, "selinux_setup", nullptr};
	execv(path, const_cast<char**>(args));
	...
}

//建立安全机制
/init/selinux.cpp: 执行一些安全策略
/ This function initializes SELinux then execs init to run in the init SELinux context.
int SetupSelinux(char** argv) {
	// Set up SELinux, loading the SELinux policy.
	SelinuxSetupKernelLogging();
	SelinuxInitialize();
	
	//--------------进入second_stage main.cpp
	const char* path = "/system/bin/init";
	const char* args[] = {path, "second_stage", nullptr};
	execv(path, const_cast<char**>(args));
}

//第二阶段
/init/init.cpp
int SecondStageMain(int argc, char** argv) {
	//初始化日志系统
	InitKernelLogging(argv);
	//初始化属性域
	property_init();
	//装载子进程信号处理：为了防止僵尸子进程无法回收
	InstallSignalFdHandler(&epoll);
	//开启属性服务
	StartPropertyService(&epoll);
	//加载脚本
	ActionManager& am = ActionManager::GetInstance();
	ServiceList& sm = ServiceList::GetInstance();
	//加载解析init.rc脚本
	LoadBootScripts(am, sm);
	...
}

//解析init.rc文件
static void LoadBootScripts(ActionManager& action_manager, ServiceList& service_list) {
	//构造一个解析器
	Parser parser = CreateParser(action_manager, service_list);
	std::string bootscript = GetProperty("ro.boot.init_rc", "");
	if (bootscript.empty()) {
		parser.ParseConfig("/init.rc");
	}
	...
}

解析init.rc

init.rc是个配置文件，具体语法可以参考：
https://android.googlesource.com/platform/system/core/+/refs/heads/android10-release/rootdir/init.rc

在手机目录下也可以找到针对32位和64位的rc文件：

这里不分析init.rc文件的细节，解析init.rc后主要完成了以下几件事情：

• 创建一些关键文件目录、设置权限策略；
• 开启ServiceManager、VndServiceManager等本地守护服务；
• fork出Zygote进程；

Zygote进程

通过解析init.rc，从init进程fork出Zygote， 并且指定启动入口在app_main.cpp

service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server

//----Zygote进程入口-----
/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
int main(int argc, char* const argv[]){
	//构造AppRuntime
	AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
	argc--;
	argv++;
	//while循环拼接参数：根据init.rc中的配置，这里zygote=true
	while (i < argc) {
		const char* arg = argv[i++];
		if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
			zygote = true;
			niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
		} else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
			startSystemServer = true;
		} else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
			application = true;
		} else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
			niceName.setTo(arg + 12);
		} else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
			className.setTo(arg);
			break;
		} else {
			--i;
			break;
		}
	}
	//根据前面init.rc指定传入参数，
	if (zygote) {
		runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
	} 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.");
	}
}

//AndroidRuntime 继承自 AppRuntime
/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
AndroidRuntime::AndroidRuntime(char* argBlockStart, const size_t argBlockLength) :
mExitWithoutCleanup(false),
mArgBlockStart(argBlockStart),
mArgBlockLength(argBlockLength)
{
	//初始化绘制引擎skia
	SkGraphics::Init();
	// 虚拟机参数
	mOptions.setCapacity(20);
	//一个进程gCurRuntime只能初始化一次
	assert(gCurRuntime == NULL);        // one per process
	gCurRuntime = this;
}

void AndroidRuntime::start(const char className, const Vector <String8> & options, bool zygote)
{
	...
	/* start the virtual machine */
	//初始化JNI
	JniInvocation jni_invocation;
	jni_invocation.Init(NULL);
	JNIEnv env;
	//启动VM
	if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
		return;
	}
	
	//创建成功调用
	onVmCreated(env);
	/*
	* 注册预定义的JNI
	*/
	if (startReg(env) < 0) {
		return;
	}
	
	/*
	* Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
	* not return until the VM exits.
	*/
	//入口类
	char slashClassName = toSlashClassName(className);
	jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
	if (startClass == NULL) {
	
	} else {
		//找到入口方法， ZygoteInit.main()
		jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
	    if (startMeth == NULL) {
	    } else {
		    //Native调用Java，至此进入Java
	    	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");
}

小结：init通过解析init.rc后fork出Zygote进程，之后Zygote在其main中处理完一堆参数后，初始化出一个AndroidRuntime对象，在构造AndroidRuntime对象时就会初始化Skia绘制引擎，然后调用start创建Dalvik（ART）虚拟机，注册上层需要的JNI函数，找到并调用Java层入口类ZygoteInit.main()。至此，进入了Java世界。

总结

Android Kernel启动过程与大多数系统启动类似，从Boot ROM(PC BIOS)–> BootLoader–>Kernel 自启–>第一个进程（init）；只不过android Kernel相比Linux，多了一些Ashmem、Binder驱动之类的，同时需要为构建Android上层环境做准备，因此init在解析init.rc文件的配置过程中，会启动一些守护服务，同时fork出Zygote进程，Zygote作为连接Kernel与上层世界的桥梁，这里创建处了Dalvik（ART） VM，注册好JNI方法，通过Native调用并加载ZygoteInit.main()，进入了真正的Java世界。

下篇继续分析从ZygoteInit.mai()到Launcher界面的显示。