Android小知识-深入浅出Android系统启动流程（上）

本篇文章已授权微信公众号顾林海独家发布

init进程启动过程

Android系统基于Linux，init进程是Android系统中用户空间的第一个进程，进程号为1，init源代码在system/core/init目录下。既然init进程是Android系统用户空间的第一个进程，因此担负着非常重要的责任，主要负责以下两件事：

解析配置init.rc，然后启动系统各种native进程，比如Zygote进程、SurfaceFlinger进程以及media进程等。
初始化并启动属性服务。

init进程的入口函数

init的入口函数是main，代码如下所示：

//路径：/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    //注释1
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);
    }
    //注释2
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
        return watchdogd_main(argc, argv);
    }
    //注释3
    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        install_reboot_signal_handlers();
    }

    ...
}

注释1处判断当前进程是不是ueventd。init进程创建子进程ueventd，并将创建设备节点文件的工作托付给ueventd。ueventd主要是负责设备节点的创建、权限设定等一系列工作。服务通过使用uevent，监控驱动发送的消息，做进一步处理。

ueventd通过两种方式创建设备节点文件。

“冷插拔”（Cold Plug），即以预先定义的设备信息为基础，当ueventd启动后，统一创建设备节点文件。这一类设备节点文件也被称为静态节点文件。
“热插拔”（Hot Plug），即在系统运行中，当有设备插入USB端口时，ueventd就会接收到这一事件，为插入的设备动态创建设备节点文件。这一类设备节点文件也被称为动态节点文件。

注释2处判断当前进程是不是watchdogd。Android系统在长时间的运行下会面临各种软硬件的问题，为了解决这个问题，Android开发了WatchDog类作为软件看门狗来监控SystemServer中的线程，一旦发现问题，WatchDog会杀死SystemServer进程，SystemServer的父进程Zygote接收到SystemServer的死亡信号后，会杀死自己。Zygote进程死亡的信号传递到init进程后，init进程会杀死Zygote进程所有的子进程并重启Zygote。

注释3处判断是否紧急重启，如果是紧急重启，就安装对应的消息处理器。

//路径：/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    //注释1
    add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);
    //注释2
    bool is_first_stage = (getenv("INIT_SECOND_STAGE") == nullptr);

    if (is_first_stage) {
        // 用于记录启动时间
        boot_clock::time_point start_time = boot_clock::now();
        // 清除屏蔽字(file mode creation mask)，保证新建的目录的访问权限不受屏蔽字影响
        umask(0);
        // 挂载tmpfs文件系统
        mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
        mkdir("/dev/pts", 0755);
        mkdir("/dev/socket", 0755);
        // 挂载devpts文件系统
        mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
        #define MAKE_STR(x) __STRING(x)
        // 挂载proc文件系统
        mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));
        //8.0新增, 收紧了cmdline目录的权限
        chmod("/proc/cmdline", 0440);
        // 8.0新增，增加了个用户组
        gid_t groups[] = { AID_READPROC };
        setgroups(arraysize(groups), groups);
        // 挂载sysfs文件系统
        mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
        // 8.0新增
        mount("selinuxfs", "/sys/fs/selinux", "selinuxfs", 0, NULL)
        // 提前创建了kmsg设备节点文件，用于输出log信息
        mknod("/dev/kmsg", S_IFCHR | 0600, makedev(1, 11));
        mknod("/dev/random", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 8));
        mknod("/dev/urandom", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 9));
        ...
    }
    ...
}

注释1处添加环境变量。注释2处获取本次启动是否是系统启动的第一阶段，如果是第一阶段，进入下面的if语句中，创建并挂载相关的文件系统。

以上创建并挂载的五类文件系统分别如下所示：

tmpfs：一种虚拟内存文件系统，它会将所有的文件存储在虚拟内存中，如果你将tmpfs文件系统卸载后，那么其下的所有的内容将不复存在。tmpfs既可以使用RAM，也可以使用交换分区，会根据你的实际需要而改变大小。tmpfs的速度非常惊人，毕竟它是驻留在RAM中的，即使用了交换分区，性能仍然非常卓越。由于tmpfs是驻留在RAM的，因此它的内容是不持久的。断电后，tmpfs的内容就消失了，这也是被称作tmpfs的根本原因。
devpts：为伪终端提供了一个标准接口，它的标准挂接点是/dev/ pts。只要pty的主复合设备/dev/ptmx被打开，就会在/dev/pts下动态的创建一个新的pty设备文件。
proc：一个非常重要的虚拟文件系统，它可以看作是内核内部数据结构的接口，通过它我们可以获得系统的信息，同时也能够在运行时修改特定的内核参数。
sysfs：与proc文件系统类似，也是一个不占有任何磁盘空间的虚拟文件系统。它通常被挂接在/sys目录下。sysfs文件系统是Linux2.6内核引入的，它把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的文件，使得它们可以在用户空间存取。
selinuxfs：用于支持SELinux的文件系统，SELinux提供了一套规则来编写安全策略文件，这套规则被称之为 SELinux Policy 语言。

//路径：/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (is_first_stage) {
        ...
        //重定向输入输出/内核Log系统
        InitKernelLogging(argv);
        LOG(INFO) << "init first stage started!";
        //挂在一些分区设备
        if (!DoFirstStageMount()) {
            LOG(ERROR) << "Failed to mount required partitions early ...";
            panic();
        }
        //注释1
        SetInitAvbVersionInRecovery();
        //注释2
        selinux_initialize(true);
        ...
    }
    ...
}

注释1处初始化安全框架AVB（Android Verified Boot），AVB主要用于防止系统文件本身被篡改，还包含了防止系统回滚的功能，以免有人试图回滚系统并利用以前的漏洞。注释2处调用selinux_initialize启动SELinux。

//路径：/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (is_first_stage) {
        ...
    }
    ...
    //注释1
    property_init();  
    ...
    //注释2
    signal_handler_init();
    ...
    //注释3
    start_property_service();
    ...
}

注释1处通过property_init函数对属性服务进行初始化，注释3通过start_property_service函数启动属性服务。注释2处signal_handler_init设置子进程退出的信号处理函数，当子进程异常退出的时候，init进程会去捕获异常信息，当它捕获到这些异常信息之后，就会调用该函数设置的相应的捕获函数来处理。比如init进程的子进程Zygote死之后，init进程捕获到这些异常信息，就会调用handle_signal()函数去重启Zygote进程。

//路径：/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (is_first_stage) {
        ...
    }
    ...
     if (bootscript.empty()) {
        //注释1
        parser.ParseConfig("/init.rc");
        ...
    } else {
        ...
    }
    ...
    while (true) {
        ...
        ServiceManager::GetInstance().IsWaitingForExec())) {
            //注释2
            am.ExecuteOneCommand();
        }
        if (!(waiting_for_prop || ServiceManager::GetInstance().IsWaitingForExec())) {
            //注释3
            restart_processes();
            ...
        }
        ...
    }    
    return 0;
}

注释1处解析init.rc配置文件，在注释2处执行子进程对应的命令，也就是执行init.rc文件里配置的命令。在注释3处重启死掉的service。

解析init.rc

在init.rc中使用的语言称为Android Init Language，翻译过来就是“Android初始化语言”，init语言共有五种类型的表达式，分别如下所示：

Action：Action中包含了一系列的Command。
Command：init语言中的命令。
Service：由init进程启动的服务。
Option：对服务的配置选项。
Import：引入其他配置文件。

Action表达式的语法如下所示：

on  [&& ]*

这里的trigger是Action执行的触发器，当触发器条件满足时，command会被执行。触发器有如下两类：

事件触发器：当指定的事件发生时触发。事件可能由“trigger”命令发出，也可能是init进程通过QueueEventTrigger()函数发出。
属性触发器：当指定的属性满足某个值时触发。

Action中的Command是init语言定义的命令，所有支持的命令如下表：

命令	参数格式	说明
bootchart_init	-	启动bootchart
chmod	octal-mode path	改变文件的访问权限
chown	owner group path	改变文件的拥有者和组
class_start	serviceclass	启动指定类别的服务
class_stop	serviceclass	停止并“disable”指定类别的服务
class_reset	serviceclass	停止指定类别的服务，但是不“disable”它们
copy	src dst	复制文件
domainname	name	设置域名
enable	servicename	enable一个被disable的服务
exec	[seclabel[user[group]]] -- command [argument]*	fork一个子进程来执行指定的命令
export	name value	导出环境变量
hostname	name	设置host名称
ifup	iterface	使网卡在线
insmod	path	安装指定路径的模块
load_all_props	-	从/system、/vendor等路径载入属性
load_persist_props	-	载入持久化的属性
loglevel	level	设置内核的日志级别
mkdir	path[mode][owner][group]	创建目录
mount_all	fstab[path]*[--option]	挂载文件系统并且导入指定的.rc文件
mount	typedevicedir[flag]*[options]	挂载一个文件系统
powerctl	-	内部实现使用
restart	service	重启服务
restorecon	path[path]*	设定文件的安全上下文
restorecon_recursive	path[path]*	restorecon的递归版本
rm	path	对于指定路径调用unlink(2)
rmdir	path	删除文件夹
setprop	namevalue	设置属性值
setrlimit	resourcecurmax	指定资源的rlimit
start	service	启动服务
stop	service	停止服务
swapon_all	fstab	在指定文件上调用fs_mgr_swapon_all
symlink	targetpath	创建符合链接
sysclktz	mins_west_of_gmt	指定系统时钟基准
trigger	event	触发一个事件
umount	path	ummount指定的文件系统
verity_load_state	-	内部实现使用
verity_update_state	mount_point	内部实现使用
wait	path[timeout]	等待某个文件存在直到超时，若存在则直接返回
write	pathcontent	写入内容到指定文件

Service是init进程启动的可执行程序，Service表达式的语法如下所示:

service   [  ]*

Option是对服务的修饰，它们影响着init进程如何以及何时启动服务。所有支持的Option入下所示：

Option	参数格式	说明
critical	-	标识为系统关键服务，该服务若退出多次将导致系统重启到recovery模式
disabled	-	不会随着类别自动启动，必须明确start
setenv	name value	为启动的进程设置环境变量
socket	nametypeperm[user[group[seclabel]]]	创建UNIX Domain Socket
user	username	在执行服务之前切换用户
group	groupname[groupname]*	在执行服务之前切换组
seclabel	seclabel	在执行服务之前切换seclabel
oneshot	-	一次性服务，死亡后不用重启
class	name	指定服务的类别
onrestart	-	当服务重启时执行命令
writepid	file...	写入子进程的pid到指定文件

import是一个关键字，而不是一个命令，可以在.rc文件中通过这个关键字来加载其他的.rc文件，它的语法如下：

import path

path可以是另一个.rc文件，也可以是一个文件夹。如果是文件夹，那么这个文件夹下面的所有文件都会被导入，但是它不会循环加载子目录中的文件。

启动Zygote

init.rc文件有如下配置代码：

...import /init.${ro.zygote}.rc...on nonencrypted
    class_start main
    class_start late_start...

在init.rc文件的开头使用了import类型语句来引入Zygote启动脚本，其中ro.zygote根据不同的内容引入不同的文件，从Android 5.0开始，Android开始支持64位程序，Zygote就有了32位和64位之分，如下图所示：

image

查看init.zygote64.rc的代码如下所示：

service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20    user root    group root readproc
    socket zygote stream 660 root system    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

Service用于通知init进程创建名为zygote的进程，这个进程执行程序的路径为/system/bin/app_process64，后面的代码是传递给app_process64的参数，class main指的是Zygote的classname为main。在解析Service类型语句时会将Service对象加入Service链表中。

再回过头看init.rc配置文件：

...import /init.${ro.zygote}.rc...on nonencrypted
    class_start main
    class_start late_start...

class_start是一个command，对应的函数是do_class_start，用于启动classname为main的Service，也就是前面的Zygote，因此class_start main是用来启动Zygote的，do_class_start函数在builtins.cpp中定义，代码如下所示：

//路径：/system/core/init/builtins.cpp
static int do_class_start(const std::vector& 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;
}

ForEachServiceInClass函数会遍历Service链表，找到classname为main的Zygote，并执行StartIfNotDisabled函数，代码如下所示：

//路径：/system/core/init/service.cpp
bool Service::StartIfNotDisabled() {
    if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
        return Start();
    } else {
        flags_ |= SVC_DISABLED_START;
    }
    return true;
}

如果Service没有在其对应的rc文件中设置disabled选项，就会调用Start函数，Start函数如下所示：

//路径：/system/core/init/service.cpp
bool Service::Start() {
    ...
    pid_t pid = -1;
    if (namespace_flags_) {
        pid = clone(nullptr, nullptr, namespace_flags_ | SIGCHLD, nullptr);
    } else {
        //注释1
        pid = fork();
    }

    if (pid == 0) {
        ...
        //注释2
        if (execve(strs[0], (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
            PLOG(ERROR) << "cannot execve('" << strs[0] << "')";
        }
        ...
    }
    ...
}

在注释1处通过fork函数创建子进程，并返回pid，如果pid为0说明当前代码逻辑在子线程中运行，接着执行注释2处的execve函数，来启动Service子进程，进入Service的main函数中，如果Service是Zygote，执行程序的路径是/system/bin/app_process64，对应的文件是app_main.cpp，也就是会进入app_main.cpp的main函数中。代码如下所示：

int main(int argc, char* const argv[])
{
    ...
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            //注释1
            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;
        }
    }
    ...
    if (zygote) {
        //注释2
        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.");
    }
}

在注释1处判断执行命令时是否带了--zygote，如果携带了，zygote赋值为true，接在注释2处判断如果zygote为true，就会通过runtime.start启动com.android.internal.os.ZygoteInit。

Android小知识-深入浅出Android系统启动流程（上）

init进程启动过程

init进程的入口函数

解析init.rc

启动Zygote

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