ART深入浅出1--虚拟机的启动和初始化
本文基于Android 7.1，不过因为从BSP拿到的版本略有区别，所以本文提到的源码未必与读者找到的源码完全一致。本文在提供源码片断时，将按照 <源码相对Android工程的路径>:<行号> <类名> <函数名> 的方式，如果行号对不上，请参考类名和函数名来找到对应的源码。
启动虚拟机
我们知道，Android的应用程序和服务都是由zygote进程产生的。zygote进程负责创建一个java虚拟机环境，并调用zygote的java入口。
zygote程序的主函数，放在文件frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp中。通过简单阅读 main函数，我们发现，所有的工作被一个AppRuntime接管。AppRuntime类的核心函数 start启动了虚拟机并运行了指定的main函数。
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp:306 main
if (zygote) {
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
} else if (className) {runtime即AppRuntime。AppRuntime继承自AndroidRuntime，start函数也在AndroidRuntime中实现。
AndroidRuntime类在 frameworks/base/include/android_runtime/AndroidRuntime.h 中声明，在 frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中实现。
我们重点看下start函数的实现。AndroidRuntime::start调用了AndroidRuntime::startVm函数，启动虚拟机。startVm函数分成两部分：1. 准备参数；2. CreateJavaVM。
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp:948 AndroidRuntime::startVm
if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
return -1;
}
JNI_CreateJavaVM函数的原型是
libnativehelper/include/nativehelper/jni.h:1103
jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM**, JNIEnv**, void*);
参数initArgs的类型是JavaVMInitArgs，定义如下
libnativehelper/include/nativehelper/jni.h:1081
typedef struct JavaVMOption {
const char* optionString;
void* extraInfo;
} JavaVMOption;
typedef struct JavaVMInitArgs {
jint version; /* use JNI_VERSION_1_2 or later */
jint nOptions;
JavaVMOption* options;
jboolean ignoreUnrecognized;
} JavaVMInitArgs;ART内的入口
现在我们终于进入了ART内部。ART内的JNI_CreateJavaVM函数，它的实现可以分为两部分：1. 初始化RuntimeOptions对象，保存参数；2. 启动Runtime。
Runtime在ART中代表一个java运行时环境。一个进程只有创建一个ART虚拟机，一个ART虚拟机只能有一个Runtime。下面看看JNI_CreateJavaVM函数的片断
art/runtime/java_vm_ext.cc:939 JNI_CreateJavaVM
extern "C" jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm, JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
ScopedTrace trace(__FUNCTION__);
const JavaVMInitArgs* args = static_cast(vm_args);
if (IsBadJniVersion(args->version)) {
LOG(ERROR) << "Bad JNI version passed to CreateJavaVM: " << args->version;
return JNI_EVERSION;
}
RuntimeOptions options;
for (int i = 0; i < args->nOptions; ++i) {
JavaVMOption* option = &args->options[i];
options.push_back(std::make_pair(std::string(option->optionString), option->extraInfo));
}
bool ignore_unrecognized = args->ignoreUnrecognized;
if (!Runtime::Create(options, ignore_unrecognized)) {
return JNI_ERR;
}
...//960
Runtime* runtime = Runtime::Current();
bool started = runtime->Start();
...
} Runtime的创建和启动
Runtime::Create函数 (art/runtime/runtime.cc:486) 创建了Runtime实例，并调用它的Init方法。
Runtime::Init
Init方法做了很多事情，总结起来，有下面几个：
- 子模块的初始化，如MemMap::Init, 这是初始化内存映射模块; QuasiAtomic::Startup等。这一部分没有太多值得关注的；
- 设置关键变量，这些包括：
- boot_class_path_string_
- class_path_string_
- compiler_callbacks_ : 用来编译的后端对象
- compiler_executable_ ：dex2oat的路径
- image_location_ : boot.art 等image的路径
- monitor_list_/monitor_pool_: 这是实现synchronized关键字的对象
- thread_list_: java的thread管理类
- intern_table_：字符串表
- 创建heap对象, heap_ = new gc::Heap(...)。heap创建过程中，会加载image。
- 创建自己的信号处理函数，InitPlatformSignalHandlers()。对于一些运行时异常，如NullPointerException, StackOverflowExeption等，ART都是通过linux信号机制实现的额。例如，ART截取SIGSEGV信号，如果发现这是一个空指针问题，且发生空指针的代码处于java代码中，它就会产生一个NullPointerException抛出，然后继续运行程序。
- 创建ClassLinker对象。这是一个非常重要的对象，类的加载、链接和初始化都是在这个类中完成的。
Runtime::Init其实做了非常多的事情。本小结内很难一一解释。我们将在后面介绍各个子单元的时候，都会详细介绍它们的初始化过程。
Runtime::Start
如果说Runtime::Init是初始化虚拟机的，那么，Runtime::Start就是为运行java代码做准备的。
这个函数不大，但是做了非常多的事情，下面我也将其中关键代码列出
art/runtime/runtime.cc:566
bool Runtime::Start() {
....//585
// Create the JIT either if we have to use JIT compilation or save profiling info.
// TODO(calin): We use the JIT class as a proxy for JIT compilation and for
// recoding profiles. Maybe we should consider changing the name to be more clear it's
// not only about compiling. b/28295073.
if (jit_options_->UseJitCompilation() || jit_options_->GetSaveProfilingInfo()) {
std::string error_msg;
if (!IsZygote()) {
// If we are the zygote then we need to wait until after forking to create the code cache
// due to SELinux restrictions on r/w/x memory regions.
CreateJit();
} else if (jit_options_->UseJitCompilation()) {
if (!jit::Jit::LoadCompilerLibrary(&error_msg)) {
// Try to load compiler pre zygote to reduce PSS. b/27744947
LOG(WARNING) << "Failed to load JIT compiler with error " << error_msg;
}
}
}
if (!IsImageDex2OatEnabled() || !GetHeap()->HasBootImageSpace()) {
ScopedObjectAccess soa(self);
StackHandleScope<2> hs(soa.Self());
auto class_class(hs.NewHandle(mirror::Class::GetJavaLangClass()));
auto field_class(hs.NewHandle(mirror::Field::StaticClass()));
class_linker_->EnsureInitialized(soa.Self(), class_class, true, true);
// Field class is needed for register_java_net_InetAddress in libcore, b/28153851.
class_linker_->EnsureInitialized(soa.Self(), field_class, true, true);
}
// InitNativeMethods needs to be after started_ so that the classes
// it touches will have methods linked to the oat file if necessary.
{
ScopedTrace trace2("InitNativeMethods");
InitNativeMethods();
}
// Initialize well known thread group values that may be accessed threads while attaching.
InitThreadGroups(self);
Thread::FinishStartup();
system_class_loader_ = CreateSystemClassLoader(this);
if (is_zygote_) {
if (!InitZygote()) {
return false;
}
} else {
....//644
}
StartDaemonThreads();
....
} 重点的初始化有：
- CreateJit : 从Android 6.0开始引入JIT(Just In Time) ，在7.0中开始大规模使用；
- 初始化基本类 class_class ，即java.lang.Class类，这是最基础的类；
- InitNativeMethods(): 将java.lang下面最基础的类的JNI接口进行初始化；
- InitZygote：这是zygote程序在调用时，需要做的事情。app_main.cpp文件不仅是zygote的主程序，也是安卓的am命令行的主程序，故此这里做了区分；
- StartDemonThreads，调用java.lang.Daemons.start，启动一组线程，它们的作用是，执行GC、调用finalize方法、 处理ReferenceQueue等一系列工作。
这里面需要注意的是：只有zygote和am程序会调用JNI_CreateJavaVM函数，被zygote孵化出的其他进程都不再执行这个入口函数，而是转而执行Runtime::PreZygoteFork和Runtime::InitNonZygoteOrPostFork。这一点将在后面，专门介绍ART是如何支持zygote孵化子进程的。