Android 系统启动流程

概述

站在巨人的肩膀上学习，本片博客参考
gityuan，用于笔记和巩固知识

Android 架构

这个是Google官方提供的经典的分层架构图，从下向上依次是，Linux内核，HAL，系统Native库和Android Runtime，Java框架层，应用层，其中每一层都有若干的子模块和子系统

Google提供的5层很经典，但是为了更进一步的透视Android 系统架构，以进程的视角，以分层的架构，来诠释Android的全貌，诠释Android 全貌的内在联系

Android 启动架构图

Android 系统启动过程由上图从下向上的一个过程，由Boot Loader引导开机，然后依次进入Kernel -> Native-> Framework-> App,下面简要介绍这几个过程

开机（关于Loader层）

• Boot ROM：当手机处于关机的状态，长按Power键开机，引导芯片从固化在ROM里预设的代码开始执行，然后加载程序到RAM
• Boot Loader：这是启动Android系统之前的引导程序，主要是检查RAM，初始化硬件参数等工能

关于Kernel （Linux内核层）

Android 平台的基础是Linux内核，比如ART虚拟机最终调用的是Linux内核执行的功能，Linux内核的安全机制为Android提供相应的保障，也允许设备制造商为内核开发硬件驱动程序

• 启动Kernel的swapper进程（pid=0），该进程又称为idle进程，系统初始化过程Kernel从无到有，开创的第一个进程，用于初始化进程管理，内存管理，加载Display，Camera Driver，Binder Driver，等相关工作
• 启动kthreadd进程（pid=2），是Linux的内核进程，会创建内核工作线程kworkder，软中断线程ksoftirqd，thermal等内核守护进程，kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖

关于硬件抽闲层（HAL）

硬件抽象层（HAL）提供标准接口，HAL包括多个库模块，每个模块都为特定的硬件组件实现一组接口，比如Wifi/蓝牙模块，当框架API请求访问硬件时，Android系统将为该硬件加载相应的库模块

Android Runtime 和 系统库

每个应用都在自己的进程中运行，都有自己的虚拟机实例，ART通过执行dex文件可在设备能运行多个虚拟机，DEX文件是专门为Android设计的字节码格式，经过优化使用的内存很小，ART主要包括的工能是，预先（AOT）和即时（JIT）编译
，优化垃圾回收（GC），以及调试相关支持

这里的Native系统库主要包括，init孵化来的用户空间的守护进程，HAL层以及开机动画等，启动init进程（pid=1），是Linux系统的用户进程，init进程是所有用户进程的鼻祖

• init进程会孵化出，ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程
• init进程还启动了ServiceManager（Binder的管家），bootanim（开机动画）等重要服务
• init 进程还孵化除了Zygote进程，Zygote进程是Android中的第一个Java进程（即虚拟机进程），Zygote是所有Java进程的父进程，Zygote进程本身就是init进程孵化出来的

Framework层

• Zygote进程，是由init进程通过解析init.rc文件后fork生成的，Zygote进程主要包括
  • 加载Zygoteinit类，注册Zygote Socket服务端套接字
  • 加载虚拟机
  • 提前加载类PreloadClasses
  • 提前加载资源PreLoadResouces
• System Server 进程，是由Zygote fork而来，System Server是Zygote孵化出的第一个进程，System Server 负责启动和管理整个Java FrameWork，包含ActivityManagerService， WorkManagerService，PagerManagerService，PowerManagerService等服务
• Media Server 进程，是由init fork而来，负责启动和管理整个C++FrameWork，包含AudioFlinger，Camera Service等

App层

• Zygote 孵化出的第一个App进程是Launcher，这是用户看到的桌面App
• Zygote 还会创建出Browser，Phone，Email等App进程，每个App至少运行在一个进程上
• 所有的App进程都是由Zygote fork而成

Syscall && JNI

• Native 和 KerNel之间有一层系统调用（Syscall）
• Java 层和Native层之间的纽带JNI

重要的进程

Android 系统中极其重要的进程，init，Zygote,ServiceMager,system_server

init 进程

• Linux系统中用户空间的第一个进程init.main

• init进程还启动了ServiceManager进程（Binder的管家），bootanim（开机动画）等重要服务

• init 进程还孵化除了Zygote进程，Zygote进程是Android中的第一个Java进程（即虚拟机进程），Zygote是所有Java进程的父进程，Zygote进程本身就是init进程孵化出来的

Zygote进程

• 所有App的父进程，ZygoteInit.main

• Zygote进程，是由init进程通过解析init.rc文件后fork生成的，Zygote进程主要包括

  • 加载Zygoteinit类，注册Zygote Socket服务端套接字
  • 加载虚拟机
  • 提前加载类PreloadClasses
  • 提前加载资源PreLoadResouces

• system_server进程，是由Zygote fork而来，System Server是Zygote孵化出的第一个进程，System Server 负责启动和管理整个Java FrameWork，包含ActivityManagerService， WorkManagerService，PagerManagerService，PowerManagerService等服务

system_server进程

系统各大服务的载体， SystemServer.main
system_server进程从源码角度来看可以分为，引导服务，核心服务和其他服务

• 引导服务(7个)：ActivityManagerService、PowerManagerService、LightsService、DisplayManagerService、PackageManagerService、UserManagerService、SensorService；
• 核心服务(3个)：BatteryService、UsageStatsService、WebViewUpdateService；
• 其他服务(70个+)：AlarmManagerService、VibratorService等。

ServiceManger进程

bInder服务的大管家

ServiceManager 是Binder IPC通信过程中的守护进程，本身也是一个Binder，但是并没有采用多线程模型来跟Binder通信，而是自行编写了binder.c直接和Binder驱动来通信，并且只有一个binder_loop来读取和处理事务，这样做的好处是简单和高效
ServiceManager本身工作相对简单，其工能查询和注册服务

流程图

ServiceManager 集中管理系统内的所有服务，通能过权限控制进程是否有权注册服务，通过字符串来查找是否有对应的Service，由于ServiceManager进程注册了Service的死亡通知，那么服务所在的进程死亡后，只需告诉ServiceManager，每个Client通过查询ServiceManager可以获取Service的情况

启动主要包括以下几个阶段

• 打开Binder驱动，并调用mmap()方法分配128k的内存映射空间，binder_open
• 注册成为Binder服务的大管家binder_become_context_manager
• 验证selinux权限，判断进程是否有权注册查看指定服务
• 进入无限循环，处理Client发来的请求 binder_loop
• 根据服务的名称注册服务，重复注册会移除之前的注册信息
• 死亡通知，当所在进程死亡后，调用binder_release方法，然后调用binder_node_release，这个过程发出死亡通知回调

App进程

• 通过Process.start启动的App进程ActivityThread.main
• Zygote 孵化出的第一个App进程是Launcher，这是用户看到的桌面App
• Zygote 还会创建出Browser，Phone，Email等App进程，每个App至少运行在一个进程上
• 所有的App进程都是由Zygote fork而成

进程与线程的区别

进程：每个App启动前必须先创建一个进程，该进程是由Zygote fork出来，进程具有独立的资源空间，用于承载App运行的各种Activity/Service组件，进程对于上层的应用层来说是完全透明的，这也是Google刻意为之，让App程序都运行在Android Runtime，大多数情况一个App运行在一个进程中，除非在AndroidManifest.xml文件中配置了Android:process,或者通过Native代码fork进程

线程：线程对于我们来说比较熟悉，比如每次new Thread().start,都会创建一个新的线程，该线程没有自己的独立空间，而是与所在的进程资源共享，从Linux来说，进程与线程都是task_struct结构体，除了是否资源共享外，没有任何区别

看一下进程创建的过程

• App发起进程：如果从桌面启动应用，则发起进程便是Launcher所在的进程，当从某App启动远程进程，则发起进程是App所在的进程，发起进程首先需要通过Binder发送信息给system_server进程
• system_server进程：调用Process.start方法，通过Socket向Zygote进程发送新建进程的请求
• zygote进程：在执行ZygoteInit.main()后进入runSelectLoop()循环体，当有客户端连接时，便会执行ZygoteConnection.runOnce()方法，再经过层层调用后fork出新的应用进程
• 新进程：执行handleChildProc方法，设置进程名，打开binder驱动，启动新的binder线程，设置art虚拟机参数，反射目标类的main方法，即调用ActivityThread.main()方法

Process.start()方法是阻塞方法，等待直到进程创建完成返回响应的pid，才完成该方法