Android手机启动流程探究
按下手机电源键后，手机会依次经历：点亮屏幕->开机动画->进入Launcher几个阶段。而Android系统具体是如何启动起来的呢？作为技术人员，我很直接地就会想到以下疑惑的问题：
- 启动逻辑如何？
- 在机器中，启动的时候调用的文件流程步骤如何？
- 对应在源码中的代码如何？
- 对应编译生成的img文件，功能分类如何？
为了回答以上问题，依次研究之。
1.启动逻辑
1.1手机开机基本流程
按下电源键后手机到底做了些什么？我们首先解答这个问题。
大致流程图如下（MTK平台手机为例，其他平台大同小异）：
图1 手机开机基本流程图
上电：按下电源键，其实就是对电路的接通。而接通电路后就会产生脉冲，首先将激发电源管理芯片(PMU)，PMU检测到脉冲信号，产生最重要的一个东西：时钟脉冲。对于MTK平台而言，就是内部的32KHz时钟晶体模块开始工作，输出外部RTC的工作电压，为此实时时钟晶体起振。
复位：然后，PMU输出复位信号RSTON给手机CPU，CPU便开始启动系统自检程序，进行自检。
工作电压输出：手机完成自检后，CPU通过IIC总线控制PMU输出手机各电路的工作电压，如VDD1、VDD2、VDD3、AVDD等。
**13M晶体工作：**CPU得到工作时钟和工作电压后，便输出REF_ON信号，控制13M电路的工作，使其产生13MHz时钟，一路给CPU提供工作主时钟，另一路给射频主芯片提供基准频率源。
**调用开机程序：**CPU自检完成，并得到工作电压和主时钟后，便通过IIC总线校准PMU输出的各路工作电压，校准完成后便输出片选信号和地址信号给FLASH，调用开机程序，实现开机。
建立通信连接：手机开机后，CPU从FLASH中调用射频参数，通过广播控制信道（BCCH）接收小区信号强度，如果手机内有SIM卡或UIM卡，手机便将卡中的相关信息发射给临近的基站，并接收来自基站的信息，从而与对应的网络实现连接，即通常所说的搜网。
待机：搜网完成后，手机便处于等待状态，期间手机还会通过慢速辅助控制信道（SACCH）周期性地与基站交换一些信息，如信号强度、频率同步、接收质量和接收电平等。
1.2Android软件系统启动流程
不难看出，软件系统启动在第5步：调用开机程序。
软件系统启动流程如下图所示：
图2 Android系统启动流程图
init进程的启动： Init属于用户级进程，在内核启动（载入内存，初始化所有设备驱动和数据结构）结束后运行，接着根据init.rc和init.XXX.rc脚本文件建立ServiceManager以及Zygote等基本服务；创建完毕后，init进程并不会退出，而是转为property service功能；
ServiceManager与Zygote奠定了android的基础。Zygote进程建立起来，才会建立Android的运行空间。
Zygote 的建立过程：
首先Zygote在init.rc的描述：
Service zygote/system/bin/app_process-Xzygote/system/bin –zygote –start-server
所以Zygote从main（…）@frameworks\base\cmds\app_main.cpp开始
建立Java runtime ：runtime.start（…）；
建立虚拟机
通过main（…）@com.android.interal.os.ZyoteInit,建立真正的zygote；
接着登记listen端口（都是以socket通信方式）：resisterZygoteSocket（）
接着startSystemServer（），进入zygote服务框架
建立好后的Zygote通过socket通信，接收ActivityManagerService的请求 fork应用程序。
SystemServer的建立：在建立Zygote中startSystemServer在Zygote上forck了一个com.android.server.SystemServer，于是SystemServer就建立了，在init2（）中建立一个线程来new service来建立Android需要的服务 和Add service把这些服务 到 ServiceManager（service_list）中。
在SystemService的启动完Android所有服务后调用（XXX.systemReady（））来通知所有服务系统准备就绪，Home就是在这个ActivityManager. systemReady（）通知过程中建立的
这样 Android系统就启动结束了。具体的细节，将在后面代码分析中进行描述。
2.启动时调用手机文件流程
先查看下手机中到底有哪些文件。
首先通过adb连接进入手机：
adb shell查看手机根目录下文件情况：
ls结果返回如下，发现文件挺多：
shell@android:/ $ ls
acct
advanced_meta_init.rc
boot.ver
cache
config
custpack
d
data
default.prop
dev
emmc@android
emmc@cache
emmc@custpack
emmc@ebr1
emmc@mobile_info
emmc@protect_f
emmc@protect_s
emmc@sec_ro
emmc@usrdata
etc
factory_init.project.rc
factory_init.rc
fstab
init
init.aee.customer.rc
init.charging.rc
init.goldfish.rc
init.modem.rc
init.project.rc
init.protect.rc
init.rc
init.ssd_nomuser.rc
init.trace.rc
init.usb.rc
init.xlog.rc
meta_init.modem.rc
meta_init.project.rc
meta_init.rc
mnt
mobile_info
proc
protect_f
protect_s
recovery.ver
res
root
sbin
sdcard
storage
sys
system
ueventd.goldfish.rc
ueventd.rc
vendor
shell@android:/ $
好多文件，搜索了一下，没有直接对这些文件进行解释的资料，这部分内容待学习Android系统内核书籍后再添加。
但是，通过之前的流程图，我们需要知道的是 ——
Android的从Linux启动主要分为四个过程：
1、 init进程的启动；
2、 native进程启动；
3、 system service，android服务启动；
4、 Home的启动
而init进程的启动，首先要加载的是根目录下的init.rc和init.XXX.rc文件。
而system service在/system/bin/servicemanager下。
3.源码路径和分析
3.1主要源码路径
先总述一下主要源码路径：
platform\system\core\init
platform\frameworks\base\cmds\servicemanager\
platform\frameworks\base\cmds\app_process\
platform\frameworks\base\preloaded-classes
platform\dalvik\vm\native\
3.2系统启动源码分析
Android系统在启动时首先会启动Linux系统，引导加载Linux Kernel并启动init进程。Init进程是一个由内核启动的用户级进程，是Android系统的第一个进程。该进程的相关代码在platform\system\core\init\init.c。在main函数中，有如下代码：
open_devnull_stdio();
log_init();
INFO("reading config file\n");
init_parse_config_file("/init.rc");
/* pull the kernel commandline and ramdisk properties file in */
import_kernel_cmdline(0);
get_hardware_name(hardware, &revision);
snprintf(tmp, sizeof(tmp), "/init.%s.rc", hardware);
init_parse_config_file(tmp);
这里会加载解析init.rc和init.hardware.rc两个初始化脚本。*.rc文件定义了在init进程中需要启动哪些进程服务和执行哪些动作。其详细说明参见platform\system\core\init\reademe.txt。init.rc见如下定义：
service servicemanager /system/bin/servicemanager
user system
critical
onrestart restart zygote
onrestart restart media
service vold /system/bin/vold
socket vold stream 0660 root mount
ioprio be 2
service netd /system/bin/netd
socket netd stream 0660 root system
socket dnsproxyd stream 0660 root inet
service debuggerd /system/bin/debuggerd
service ril-daemon /system/bin/rild
socket rild stream 660 root radio
socket rild-debug stream 660 radio system
user root
group radio cache inet misc audio sdcard_rw
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
socket zygote stream 666
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart media
onrestart restart netd
service drm /system/bin/drmserver
user drm
group system root inet
具体解析过程见platform\system\core\init\Init_parser.c。解析所得服务添加到service_list中，动作添加到action_list中。
接下来在main函数中执行动作和启动进程服务：
execute_one_command();
restart_processes();
通常init过程需要创建一些系统文件夹并启动USB守护进程、Android Debug Bridge守护进程、Debug守护进程、ServiceManager进程、Zygote进程等。
<1>ServiceManager进程
ServiceManager进程是所有服务的管理器。由init.rc对ServiceManager的描述service servicemanager /system/bin/servicemanager可知servicemanager进程从platform\frameworks\base\cmd\servicemanager\Service_manager.cpp启动。在main函数中有如下代码：
int main(int argc, char **argv)
{
struct binder_state *bs;
void *svcmgr = BINDER_SERVICE_MANAGER;
bs = binder_open(128*1024);
if (binder_become_context_manager(bs)) {
LOGE("cannot become context manager (%s)\n", strerror(errno));
return -1;
}
svcmgr_handle = svcmgr;
binder_loop(bs, svcmgr_handler);
return 0;
}
首先调用binder_open()打开Binder设备(/dev/binder)，调用binder_become_context_manager()把当前进程设置为ServiceManager。ServiceManager本身就是一个服务。
int binder_become_context_manager(struct binder_state *bs)
{
return ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);
}
最后binder_loop()进入循环状态，并设置svcmgr_handler回调函数等待添加、查询、获取服务等请求。
<2> Zygote进程
Zygote进程用于产生其他进程。由init.rc对zygote的描述service zygot /system/bin/app_process可知zygote进程从platform\frameworks\base\cmds\app_process\App_main.cpp启动。在main函数中有如下代码：
if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
bool startSystemServer = (i < argc) ?
strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
setArgv0(argv0, "zygote");
set_process_name("zygote");
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer);
} else {
set_process_name(argv0);
runtime.mClassName = arg;
// Remainder of args get passed to startup class main()
runtime.mArgC = argc-i;
runtime.mArgV = argv+i;
LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",
getpid(), runtime.getClassName());
runtime.start();
}
首先创建AppRuntime，即AndroidRuntime，建立了一个Dalvik虚拟机。通过这个runtime传递com.android.internal.os.ZygoteInit参数，从而由Dalvik虚拟机运行ZygoteInit.java的main()，开始创建Zygote进程。在其main()中，如下所示：
int binder_become_context_manager(struct binder_state *bs)
{
return ioctl(bs->fd, BINDER_SET_CONTEXT_MGR, 0);
}
if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
bool startSystemServer = (i < argc) ?
strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
setArgv0(argv0, "zygote");
set_process_name("zygote");
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer);
} else {
set_process_name(argv0);
runtime.mClassName = arg;
// Remainder of args get passed to startup class main()
runtime.mArgC = argc-i;
runtime.mArgV = argv+i;
LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",
getpid(), runtime.getClassName());
runtime.start();
}
registerZygoteSocket();
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
SystemClock.uptimeMillis());
preloadClasses();
//cacheRegisterMaps();
preloadResources();
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
SystemClock.uptimeMillis());
// Finish profiling the zygote initialization.
SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();
// Do an initial gc to clean up after startup
gc();
// If requested, start system server directly from Zygote
if (argv.length != 2) {
throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);
}
if (argv[1].equals("true")) {
startSystemServer();
} else if (!argv[1].equals("false")) {
throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);
}
首先通过registerZygoteSocket()登记端口，接着preloadClasses()装载相关类。这里大概要装载1000多个类，具体装载类见platform\frameworks\base\preloaded-classes。这个文件有WritePreloadedClassFile类自动生成。分析该类的main函数，有如下一段筛选类的代码：
// Preload classes that were loaded by at least 2 processes. Hopefully,
// the memory associated with these classes will be shared.
for (LoadedClass loadedClass : root.loadedClasses.values()) {
Set names = loadedClass.processNames();
if (!Policy.isPreloadable(loadedClass)) {
continue;
}
if (names.size() >= MIN_PROCESSES ||
(loadedClass.medianTimeMicros() > MIN_LOAD_TIME_MICROS && names.size() > 1)) {
toPreload.add(loadedClass);
}
}
int initialSize = toPreload.size();
System.out.println(initialSize
+ " classses were loaded by more than one app.");
// Preload eligable classes from applications (not long-running
// services).
for (Proc proc : root.processes.values()) {
if (proc.fromZygote() && !Policy.isService(proc.name)) {
for (Operation operation : proc.operations) {
LoadedClass loadedClass = operation.loadedClass;
if (shouldPreload(loadedClass)) {
toPreload.add(loadedClass);
}
}
}
}
其中MIN_LOAD_TIME_MICROS等于1250，当类的装载时间大于1.25ms，则需要预装载。
Policy.isPreloadable()定义如下：
/**Reports if the given class should be preloaded. */
public static boolean isPreloadable(LoadedClass clazz) {
return clazz.systemClass && !EXCLUDED_CLASSES.contains(clazz.name);
}
其中EXCLUDED_CLASSES如下定义：
/**Reports if the given class should be preloaded. */
public static boolean isPreloadable(LoadedClass clazz) {
return clazz.systemClass && !EXCLUDED_CLASSES.contains(clazz.name);
}
/**
* Classes which we shouldn't load from the Zygote.
*/
private static final Set EXCLUDED_CLASSES
= new HashSet(Arrays.asList(
// Binders
"android.app.AlarmManager",
"android.app.SearchManager",
"android.os.FileObserver",
"com.android.server.PackageManagerService$AppDirObserver",
// Threads
"android.os.AsyncTask",
"android.pim.ContactsAsyncHelper",
"java.lang.ProcessManager"
));
这几个Binders和Thread是不会被预加载的。
另外还有一些application需要装载，要求满足条件proc.fromZygote()且不是属于常驻内存的服务。SERVICES定义如下：
/**
* Long running services. These are restricted in their contribution to the
* preloader because their launch time is less critical.
*/
// TODO: Generate this automatically from package manager.
private static final Set SERVICES = new HashSet(Arrays.asList(
"system_server",
"com.google.process.content",
"android.process.media",
"com.android.bluetooth",
"com.android.calendar",
"com.android.inputmethod.latin",
"com.android.phone",
"com.google.android.apps.maps.FriendService", // pre froyo
"com.google.android.apps.maps:FriendService", // froyo
"com.google.android.apps.maps.LocationFriendService",
"com.google.android.deskclock",
"com.google.process.gapps",
"android.tts"
));
preloaded-classes是在下载源码的时候生成，WritePreloadedClassFile类并没有被用到，但可以通过这个类了解Android系统对预加载类的默认要求，参考修改preloaded-classes文件，减少开机初始化时要预加载的类，提高开机速度。
最后来通过startSystemServer()启动SystemServer进程。见如下代码：
/* Hardcoded command line to start the system server */
String args[] = {
"--setuid=1000",
"--setgid=1000",
"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,3001,3002,3003",
"--capabilities=130104352,130104352",
"--runtime-init",
"--nice-name=system_server",
"com.android.server.SystemServer",
};
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
int pid;
try {
parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
/*
* Enable debugging of the system process if *either* the command line flags
* indicate it should be debuggable or the ro.debuggable system property
* is set to "1"
*/
int debugFlags = parsedArgs.debugFlags;
if ("1".equals(SystemProperties.get("ro.debuggable")))
debugFlags |= Zygote.DEBUG_ENABLE_DEBUGGER;
/* Request to fork the system server process */
pid = Zygote.forkSystemServer(
parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
parsedArgs.gids, debugFlags, null,
parsedArgs.permittedCapabilities,
parsedArgs.effectiveCapabilities)
Zygote包装了Linux的fork。forkSystemServer()调用forkAndSpecialize()，最终穿过虚拟机调用platform\dalvik\vm\native\dalvik_system_Zygote.c中Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkAndSpecialize()。由dalvik完成fork新的进程。
main()最后会调用runSelectLoopMode()，进入while循环，由peers创建新的进程。
<3> SystemService进程
SystemService用于创建init.rc定义的服务之外的所有服务。在main()的最后有如下代码：
// The system server has to run all of the time, so it needs to be
// as efficient as possible with its memory usage.
VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.8f);
System.loadLibrary("android_servers");
init1(args);
Init1()是在native空间实现的，用于启动native空间的服务，其实现在com_android_server_SystemServer.cpp中的android_server_SystemServer_init1()：
static void android_server_SystemServer_init1(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
system_init();
}
而system_init()服务初始化创建native层的各个服务：
// Start the sensor service
SensorService::instantiate();
// On the simulator, audioflinger et al don't get started the
// same way as on the device, and we need to start them here
if (!proc->supportsProcesses()) {
// Start the AudioFlinger
AudioFlinger::instantiate();
// Start the media playback service
MediaPlayerService::instantiate();
// Start the camera service
CameraService::instantiate();
// Start the audio policy service
AudioPolicyService::instantiate();
}
最后通过如下代码:
LOGI("System server: starting Android services.\n");
runtime->callStatic("com/android/server/SystemServer", "init2");
回到SystemServer.java，调用init2()：
public static final void init2() {
Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
Thread thr = new ServerThread();
thr.setName("android.server.ServerThread");
thr.start();
}
Init2启动一个线程，专门用来启动java空间的所有服务。如下代码所示启动部分服务：
Slog.i(TAG, "Content Manager");
ContentService.main(context,
factoryTest == SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL);
Slog.i(TAG, "System Content Providers");
ActivityManagerService.installSystemProviders();
Slog.i(TAG, "Battery Service");
battery = new BatteryService(context);
ServiceManager.addService("battery", battery);
Slog.i(TAG, "Lights Service");
lights = new LightsService(context);
Slog.i(TAG, "Vibrator Service");
ServiceManager.addService("vibrator", new VibratorService(context));
// only initialize the power service after we have started the
// lights service, content providers and the battery service.
power.init(context, lights, ActivityManagerService.getDefault(), battery);
Slog.i(TAG, "Alarm Manager");
AlarmManagerService alarm = new AlarmManagerService(context);
ServiceManager.addService(Context.ALARM_SERVICE, alarm);
并且把这些服务添加到ServiceManager中，以便管理和进程间通讯。
在该线程后半部分，ActivityManagerService会等待AppWidget、WallPaper、IMM等systemReady后调用自身的systemReady()。
((ActivityManagerService)ServiceManager.getService("activity"))
.setWindowManager(wm);
// Skip Bluetooth if we have an emulator kernel
// TODO: Use a more reliable check to see if this product should
// support Bluetooth - see bug 988521
if (SystemProperties.get("ro.kernel.qemu").equals("1")) {
Slog.i(TAG, "Registering null Bluetooth Service (emulator)");
ServiceManager.addService(BluetoothAdapter.BLUETOOTH_SERVICE, null);
} else if (factoryTest == SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) {
Slog.i(TAG, "Registering null Bluetooth Service (factory test)");
ServiceManager.addService(BluetoothAdapter.BLUETOOTH_SERVICE, null);
} else {
Slog.i(TAG, "Bluetooth Service");
bluetooth = new BluetoothService(context);
ServiceManager.addService(BluetoothAdapter.BLUETOOTH_SERVICE, bluetooth);
bluetooth.initAfterRegistration();
bluetoothA2dp = new BluetoothA2dpService(context, bluetooth);
ServiceManager.addService(BluetoothA2dpService.BLUETOOTH_A2DP_SERVICE,
bluetoothA2dp);
int bluetoothOn = Settings.Secure.getInt(mContentResolver,
Settings.Secure.BLUETOOTH_ON, 0);
if (bluetoothOn > 0) {
bluetooth.enable();
}
}
而在ActivityManagerService的systemReady()最后会执行如下代码：
mMainStack.resumeTopActivityLocked(null);由于Activity管理栈为空，因此启动Launcher。
// Find the first activity that is not finishing.
ActivityRecord next = topRunningActivityLocked(null);
// Remember how we'll process this pause/resume situation, and ensure
// that the state is reset however we wind up proceeding.
final boolean userLeaving = mUserLeaving;
mUserLeaving = false;
if (next == null) {
// There are no more activities! Let's just start up the
// Launcher...
if (mMainStack) {
return mService.startHomeActivityLocked();
}
}
在startHomeActivityLocked()中创建一个带Category为CATEGORY_HOME的Intent，由此去启动相应Activity，即Launcher。
Intent intent = new Intent(
mTopAction,
mTopData != null ? Uri.parse(mTopData) : null);
intent.setComponent(mTopComponent);
if (mFactoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) {
intent.addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);
}
这样，Android系统便启动起来进入到待机界面。
4.与启动相关的编译生成文件
编译完成后，在out目录下的项目文件夹下，将生成如下图所示文件：
图3 Android系统编译out目录结构图
我们用flashtool或者telweb工具进行刷机的时候，都是将其中的img文件烧入手机。
通过上图，整理出img后缀的文件和作用（可能有描述玩准确的地方，望交流指正）如下：
boot.img 开机引导的映像
cache.img 缓存映像
custpack.img 定制的内容映像
mobile_info.img 移动设备相关信息映像
ramdisk.img内存盘的根文件系统映像
ramdisk-recovery.img 内存盘根文件系统备份映像
recovery.img 系统备份映像
secro.img 签名映像
system.img 系统文件映像
userdata.img 用户数据映像
其中，boot.img和开机引导有关，我们启动的时候一定会用到。而我们之前讲述非常多的init.rc文件，则在ramdisk.img中。
这部分不去太深入了，个人觉得要深入就需要对Android编译原理进行更多地研究了。大家有兴趣和时间精力的可以去研究一下，应该不难理解，但是需要一个熟悉和知晓的过程。
参考文献：
1.《MTK手机开机过程》http://blog.csdn.net/archerm/article/details/5783528
2.《Qualcomm手机开机全过程大揭密》http://blog.csdn.net/duanlove/article/details/17332641
3.《Android开机启动流程初探》http://blog.csdn.net/xqz123456/article/details/39100719
- eyelike@2014-11-05