Framework -- 系统架构

一、前言

framework的学习，需要掌握到什么程度？

• App 的启动流程：整体的过程，具体到某些类在整个流程中所起的作用；
• 组件的设计模式，核心设计思想；
• 需要知晓目前已知的问题，以及解决方案。

二、Android系统架构

1.首先先看下Google官方提供的经典分层架构图：

• Linux内核层
• HAL层（硬件抽象层）
• 系统运行库层（系统Native库和Android运行时环境）
• Framwork层（Java框架层）
• Application层（包括Systema Apps和三方App）

2.从进程上划分

Loader 开机引导程序

由BootLoader引导开机

当手机处于关机状态时，长按电源进行开机。
原因：主板通电之后，开启引导烧录在存储器里的预设代码，然后加载引导程序到内存中，这个主要做一些内存检测以及硬件参数的初始化过程

linux kernel 硬件抽象层

开机引导程序执行完成之后，开始加载linux kernel 核心代码。

        这层主要是加载一些硬件驱动，如相机驱动，视频驱动，显示屏驱动，输入驱动

        上层应用想要调用这些硬件驱动的话，为了解决各大应用商提供的驱动不统一的问题，由硬件抽象层来适配，提供统一的api，

C++ FrameWork

        硬件驱动加载完成之后会加载linux 中第一个用户进程 init 进程，还会孵化出adbd deme进程，以及log deme进程。
        这就是为什么在运行时可以断点调试和输出日志的原因，就是因为这两个守护进程的存在

Android Framework

在ZygoteInit main方法里面还启动了SystemServer 系统服务进程

3.关键进程

init进程

是Linux系统中用户空间的第一个进程，进程号为1（pid=1），由于Android是基于Linux内核的，所以init也是Android系统中用户空间的第一个进程。

init进程的作用

• 孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程（守护进程一般以d结尾）
• 提供property service（属性服务）来管理Android系统的属性。
• 启动servicemanager(binder服务管家)、bootanim(开机动画)等重要服务
• 孵化出Zygote进程，Zygote进程是Android系统的第一个Java进程(即虚拟机进程)，Zygote是所有Java进程的父进程，Zygote进程本身是由init进程孵化而来的。

Zygote进程

      Init进程启动后，最重要的一个进程就是Zygote进程,Zygote是所有应用的鼻祖。SystemServer和其他所有Dalivik虚拟机进程都是由Zygote fork而来。

        Zygote进程由app_process启动，Zygote是一个C/S模型，Zygote进程作为服务端，其他进程作为客户端向它发出“孵化-fork”请求，而Zygote接收到这个请求后就“孵化-fork”出一个新的进程。

        是一个承上启下，连接Java世界和Linux 世界，zygote 进程创建完成之后就进入Java世界了，会调用ZygoteInit java 类，在这个类的入口方法，会创建Android Framework 系统服务，System Server 进程，所有app的进程都是由Zygote 进程孵化而来的
app进程创建完成之后，都会由ZygoteInit 反射调用app进程的入口类，也就是ActivityThread这个类，从而使app得以启动

1. 我们知道Java调用C++可以通过JNI。那么C++是如何转到Java的，也就是说ZygoteInit.java这个类是如何被调用的？
        在java中，class文件是由ClassLoader来加载的，但实际上，ClassLoader在加载java文件的过程中，也是通过C++来完成的（Bootstrp loader就是用C++写的，具体可以去看java类加载过程及机制，Java类加载器ClassLoader总结），所以C++如果想要访问java文件的话，是非常轻松的

2. 进程间通信通常使用的是binder，为什么SystemServer和Zygote之间通信要采用Socket

        UNIX上C++程序设计守则3:多线程程序里不准使用fork

        Binder通讯是需要多线程操作的，代理对象对Binder的调用是在Binder线程，需要再通过Handler调用主线程来操作。

        害怕父进程binder线程有锁，然后子进程的主线程一直在等其子线程(从父进程拷贝过来的子进程)的资源，但是其实父进程的子进程并没有被拷贝过来，造成死锁。

3.为什么一个java应用一个虚拟机？

        android为每个程序提供一个vm，可以使每个app都运行在独立的运行环境，使稳定性提高。每个程序一个虚拟机，各个程序之间也不可以随意访问内存，所以此类木马病毒几乎没有。

4.什么是Zygote资源预加载？

        预加载是指在zygote进程启动的时候就加载，这样系统只在zygote执行一次加载操作，所有APP用到该资源不需要再重新加载，减少资源加载时间，加快了应用启动速度，一般情况下，系统中App共享的资源会被列为预加载资源。
        zygote fork子进程时，根据fork的copy-on-write机制可知，有些类如果不做改变，甚至都不用复制，子进程可以和父进程共享这部分数据，从而省去不少内存的占用。

5. Zygote为什么要预加载

       应用程序都从Zygote孵化出来，应用程序都会继承Zygote的所有内容。
       如果在Zygote启动的时候加载这些类和资源，这些孵化的应用程序就继承Zygote的类和资源，这样启动引用程序的时候就不需要加载类和资源了，启动的速度就会快很多。
      开机的次数不多，但是启动应用程序的次数非常多。

6.Zygote预加载的原理是什么？

        zygote进程启动后将资源读取出来，保存到Resources一个全局静态变量中，下次读取系统资源的时候优先从静态变量中查找。

//1从classpath路径下搜索ZygoteInit这个类，并返回该类的Class对象，进程创建创建完成后会固定加载这个类
jClass clazz = (*env)->Findclass(env, "com/ android/internal/os/zygoteInit"):
//2获取类的默认构造方法ID
jmethodID mid_construct = (*env) ->GetMethodID (env, clazz,
"" "(v");
//3创建该类的实例
jobject jobj = (*env)->NewObject(env, clazz,mid_construct);
//4查找实例方法的ID
jmethodID mid_instance = (wenv)->GetMethodID(env, clazz, "main", "(Ljava/lang/String; I
1/5调用对象的实例方法
A
jstring str_arg = (*env)->NewstringUTF(env，”我是实例方法")；
(wenv) ->CallVoidMethod (env, jobj,mid_instance, str_arg, 200) ;

Zygoteinit main 方法里做了四件事情

1. 资源的预加载，加载系统的class文件，资源文件动态库。上层应用会使用大量的系统资源，如果在app启动的时候再去加载的话，会造成app启动缓慢，预加载可以提高app启动速度，也能共享这些资源文件
2. 通过main方法传入的args 数组，判断是否有包含start-system-server 这个参数，来来决定是否启动systemserver 进程，该进程是Android framework 的核心进程
3. 创建一个socket 服务，用来接受AMS 进程创建请求的
4. socket 服务创建完成之后，进入阻塞状态，等待客户端的连接

ZygoteInit-java
public static void main(String argv []){
    //1.预加载frameworks/base/preloaded-classes和framework_res.apk资源
    preloadClasses();
    preloadResources();
    preloadSharedLibraries();

    //2.启动system_server进程。该进程是framework的核心。
    if (argv [1].equals("start-system-server")) {
        startSystemServer();
    }
    //3.创建Socket服务
    registerZygoteSocket();

    //4.进入阻塞状态，等待连接，用以处理来自AMS申请进程创建的请求
    runSelectLoopMode();
    }
}

SystemService进程

        在zygoteInit main 方法中启动了SystemService系统服务进程，这个进程创建成功之后

通过反射的方法启动SystemServer.java的main()方法

        在他的main 方法里面会启动非常多的系统服务，比如 ActivityManagerService、PowerManagerService、DisplayManagerService、PackageManagerService、WindowManagerService、LauncherAppsService等多个核心系统服务

这些系统服务大致可分为三类

1. 引导服务
2. 核心服务
3. 其他一般服务

这些系统服务构成了Android的framework层，为app日常开发和运行提供了保障

当这些服务启动完成之后；其中的ActivityManagerService最终会调用systemReady()方法。是时候去通知ActivityManager去启动第三方应用了

4.Android系统启动流程总结：

1. 手机开机后，引导芯片启动，开启引导烧录在存储器里的预设代码，然后加载引导程序到内存中，BootLoader检查RAM，初始化硬件参数等功能
2. 硬件参数初始化完成后，进入到Kernel层，Kernel层主要加载一些硬件设备驱动(如相机驱动，视频驱动，显示屏驱动，输入驱动)，初始化进程管理等操作。在Kernel中首先启动swapper进程（pid=0），用于初始化进程管理、内管管理、加载Driver等操作，再启动kthread进程(pid=2),这些linux系统的内核进程，kthread是所有内核进程的鼻祖；
3. Kernel层加载完毕后，硬件设备驱动与HAL层进行交互。初始化进程管理等操作会启动init进程 ，这些在Native层中；
4. init进程(pid=1，init进程是所有进程的鼻祖，第一个启动)启动后，会启动adbd，logd等用户守护进程，并且会启动servicemanager(binder服务管家)等重要服务，同时孵化出zygote进程，这里属于C++ Framework，代码为C++程序；
5. zygote进程是由init进程解析init.rc文件后fork生成，它会加载虚拟机，启动System Server(zygote孵化的第一个进程)；SystemServer负责启动和管理整个Java Framework，包含ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等服务；
6. zygote同时会启动相关的APP进程，它启动的第一个APP进程为Launcher，然后启动Email，SMS等进程，所有的APP进程都有zygote fork生成。

三、Launcher应用的启动流程

进程的入口类一般有两种：

• native 进程的入口类一般是init 
• Java进程的入口类一般都是main 方法

总结：Zygote 进程创建成功之后，会进入到Java世界，第一个创建的是ZygoteInit 这个Java类，在它的入口方法里主要做了系统资源的预加载，以提高App 启动的响应速度，同时也是为了App 运行时能够共享系统的资源，其次它还会启动系统服务进程SystemService，这个进程的入口类是SystemService.java，而这个类里面一个启动了一百多个服务，共同为App 运行提供保障服务，当所有的服务启动完成之后，会通知ActivityManagerService去启动launcher应用

1.相关类介绍

ActivityManagerService 

        负责管理四大组件和进程，包括生命周期和状态切换。它的systemReady()方法，是Launcher应用启动的入口。

ActivityTaskManagerService 

        把原先在ActivityManagerService 对Activity生命周期管理和调度等工作全部转移到此，由它来管理Activity 的工作(Android10新增)。

RootActivityContainer 

        调用PackageManagerService去查询手机系统中已安装的所有的应用，哪一个是符合launcher标准，且得到一个Intent 对象，并交给ActivityStarter。

ActivityStater 

        得到这个Intent 对象之后交由ActivityStarter启动器进一步的启动，在它里面会做启动之前的各项检查，比如检查Activity 有没有在清单文件中注册，class文件是否存在，这个activity 是否有权限启动等。

ActivityRecord 

        在Activity 启动的时候就会涉及到进栈和出栈的操作，在Service端是无法拿到Activity 实例的，而ActivityRecrd 是在Service端对Activity 的一种映射，它里面记录和存储了Activity 所有的信息。

        代表一个Activity。

TaskRecord 

        任务栈，记录一个或多个ActivityRecord 的实例。

        Activity栈，内部维护一个ArrayList。

ActivityStack 

        任务栈的管理者，应用在运行的时候会有一个或多个任务栈，这些任务栈会交给ActivityStack 来管理。

        负责管理各个Activity栈，内部维护一个ArrayList。

ActivityStackSupervisor 

        由于手机在运行中会启动一个或多个应用，这个时候会产生一个或多个ActivityStack 对象，用来管理Launcher和非Launcher应用的ActivityStack实例。

        内部持有一个ActivityStack，而ActivityStack内部也持有ActivityStackSupervisor，相当于ActivityStack的辅助管理类

ProcessList 

        职责是把原先在ActivityManagerService钟启动进程的工作转移到此(Android10新增)。

ZygoteProcess 

        建立起与Zygote 进程的socket 链接，并且把创建进程所需要的参数给发送过去，

Instrumentation

        负责调用Activity和Application生命周期。

2.Activity任务栈之间的关系 (包含多个)

        ActivityStackSupervisor -> ActivityStack -> TaskRecord -> ActivityRecord

3.Launcher启动流程分析

BootRom -> BootLoader -> Linux Kernel -> Init -> Zygote -> SystemServer -> Launcher

1. ActivityManagerService.java 调用 systemReady() 系统服务启动完毕后，launcher应用的入口

//启动HomeActivity（即Launcher应用的入口Activity）：本意是在所有的屏幕上启动桌面应用
//因为Android10.0开始是支持多屏幕的，比如手机屏幕，虚拟投屏，外接屏幕
mAtmInternal.startHomeOnAllDisplays(currentUserId, "systemReady");

2. 这里的mAtmInternal是ActivityTaskManagerInternal，是一个抽象类。真正的实现类在ActivityTaskManagerService的内部类LocalService中，进而调用startHomeOnAllDisplays()，在这里会做一层转发，进而委托给RootActivityContainer

3. 在RootActivityContainer的startHomeOnAllDisplays()中调用PackageManagerService中去查询手机系统中已安装的所有的应用，哪一个符合launcher标准，且得到一个Intent对象，并交给ActivityStarter。

4. ActivityStarter中调用startActivityUnchecked() 进行清单文件校验，启动权限检查，根据启动模式和Intent.flag计算出该Activity所属的任务栈并加入，但此时并不会显示

5. ActivityTask中调用resumeTopActivityInnerLocked()，启动新的Activity之前会把当前可见的Activity暂停，计算待启动的Activity所属进程是否存在

6. 在ActivityStackSuperVisor.java类的startSpecificActivityLocked()去判断进程是否存在，如果存在，调用realStartActivityLocked去启动Activity，否则调用ActivityManagerIntenal::startProcess去创建进程

7. ActivityManagerService$LocalService.java中startProcess()，委派给ProcessList来负责进程的创建

8. ProcessList中调用startProcessLocked() 

9. ProcessList中调用startProcess() 中 调用annovaote.getProcess().start()

10. ZygoteProcessor.java 中的attemptZygoteSendArgsAndGetResult()

11. ActivityThread.java 进入应用的进程