Android系统启动-Zygote详解（Android 14）
一、什么是Zygote
在上一篇文章Android系统启动-init进程详解（Android 14）中，分析了init进程，在init进程启动的第二阶段会解析init.*.rc文件，启动多个进程，其中包括Zygote。
Zygote又叫孵化器，是 Android 系统创建的第一个Java进程，它是所有Java进程的父进程。包括 system_server 进程以及所有的App进程都是Zygote的子进程。
Zygote 进程作为 Socket 的 Server 端，接收处理系统中创建进程的请求。Android中的应用进程的创建都是应用进程通过 Binder 发送请求给 system_server 进程中的 ActivityManagerService(AMS) ，AMS 再发送 Socket 消息给 Zygote 进程，统一由 Zygote 进程创建出来的。整个过程如下图所示：
二、Zygote的启动
app_main.cpp
在init进程启动后，会解析 init.rc 文件，创建和加载 service 字段指定的 Zygote 进程。在 /system/core/rootdir/init.rc 中，通过如下引用来 load zygote 的 rc：
import /system/etc/init/hw/init.${ro.zygote}.rc这里根据属性 ro.zygote 的内容来引入不同的 Zygote 启动脚本。Android 5.0以后，Android开始支持64位编译，Zygote 进程也随之引入了32/64位的区别。所以，这里通过 ro.zygote 属性来控制启动不同版本的 Zygote 进程。
ro.zygote属性会有四种不同的值：
- zygote32：代表32位模式
- zygote32_64：代表32模式为主，64位模式为辅
- zygote64：代表64位模式
- zygote64_32：代表64模式为主，32位模式为辅
这里我们以64位处理器为例，init.zygote64.rc代码如下：
// system/core/rootdir/init.zygote64.rc
service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote
class main
priority -20
user root
group root readproc reserved_disk
socket zygote stream 660 root system
socket usap_pool_primary stream 660 root system
onrestart exec_background - system system -- /system/bin/vdc volume abort_fuse
onrestart write /sys/power/state on
# NOTE: If the wakelock name here is changed, then also
# update it in SystemSuspend.cpp
onrestart write /sys/power/wake_lock zygote_kwl
onrestart restart audioserver
onrestart restart cameraserver
onrestart restart media
onrestart restart media.tuner
onrestart restart netd
onrestart restart wificond
task_profiles ProcessCapacityHigh MaxPerformance
critical window=${zygote.critical_window.minute:-off} target=zygote-fatal这段脚本要求 init 进程创建一个名为 zygote 的进程，该进程要执行的程序是“/system/bin/app_process”。并且为 zygote 进程创建一个 socket 资源 (用于进程间通信，ActivityManagerService 就是通过该 socket 请求 zygote 进程 fork 一个应用程序进程)。
app_process64对应的代码定义在 frameworks/base/cmds/app_process 中，不管是app_process、app_process32 还是 app_process64 对应的源文件都是 app_main.cpp。
因此，Zygote 对应的可执行程序为 app_process，该程序对应的源文件为 app_main.cpp，入口函数为 main 函数，进程名为 Zygote。
// frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
int main(int argc, char* const argv[])
{
if (!LOG_NDEBUG) {
String8 argv_String;
for (int i = 0; i < argc; ++i) {
argv_String.append("\"");
argv_String.append(argv[i]);
argv_String.append("\" ");
}
ALOGV("app_process main with argv: %s", argv_String.string());
}
//zygote传入的参数argv为“-Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote”
//zygote_secondary传入的参数argv为“-Xzygote /system/bin --zygote --socket-name=zygote_secondary”
AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
argc--;
argv++;
const char* spaced_commands[] = { "-cp", "-classpath" };
// Allow "spaced commands" to be succeeded by exactly 1 argument (regardless of -s).
bool known_command = false;
int i;
for (i = 0; i < argc; i++) {
if (known_command == true) {
runtime.addOption(strdup(argv[i]));
ALOGV("app_process main add known option '%s'", argv[i]);
known_command = false;
continue;
}
for (int j = 0;
j < static_cast(sizeof(spaced_commands) / sizeof(spaced_commands[0]));
++j) {
if (strcmp(argv[i], spaced_commands[j]) == 0) {
known_command = true;
ALOGV("app_process main found known command '%s'", argv[i]);
}
}
if (argv[i][0] != '-') {
break;
}
if (argv[i][1] == '-' && argv[i][2] == 0) {
++i; // Skip --.
break;
}
runtime.addOption(strdup(argv[i]));
ALOGV("app_process main add option '%s'", argv[i]);
}
bool zygote = false;
bool startSystemServer = false;
bool application = false;
String8 niceName;
String8 className;
++i; // Skip unused "parent dir" argument.
while (i < argc) {
const char* arg = argv[i++];
if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
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;
}
}
Vector args;
if (!className.isEmpty()) {
//className不为空，说明是application启动模式
args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);
if (!LOG_NDEBUG) {
String8 restOfArgs;
char* const* argv_new = argv + i;
int argc_new = argc - i;
for (int k = 0; k < argc_new; ++k) {
restOfArgs.append("\"");
restOfArgs.append(argv_new[k]);
restOfArgs.append("\" ");
}
ALOGV("Class name = %s, args = %s", className.string(), restOfArgs.string());
}
} else {
//进入zygote模式，新建Dalvik的缓存目录:/data/dalvik-cache
maybeCreateDalvikCache();
if (startSystemServer) {
args.add(String8("start-system-server"));
}
char prop[PROP_VALUE_MAX];
if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) {
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: Unable to determine ABI list from property %s.",
ABI_LIST_PROPERTY);
return 11;
}
String8 abiFlag("--abi-list=");
abiFlag.append(prop);
args.add(abiFlag);
// In zygote mode, pass all remaining arguments to the zygote
// main() method.
for (; i < argc; ++i) {
args.add(String8(argv[i]));
}
}
//设置一个“好听的昵称” zygote\zygote64，之前的名称是app_process
if (!niceName.isEmpty()) {
runtime.setArgv0(niceName.string(), true /* setProcName */);
}
if (zygote) {
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
} else if (!className.isEmpty()) {
runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
} else {
//没有指定类名或zygote，参数错误
fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
app_usage();
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
}
} AndroidRuntime.cpp
在 app_main.cpp 的 main 函数中最后调用了 AndroidRuntime.start 函数：
// frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector& options, bool zygote)
{
static const String8 startSystemServer("start-system-server");
for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
if (options[i] == startSystemServer) {
const int LOG_BOOT_PROGRESS_START = 3000;
}
}
const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT");
if (rootDir == NULL) {
rootDir = "/system";
if (!hasDir("/system")) {
return;
}
setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1);
}
JniInvocation jni_invocation;
jni_invocation.Init(NULL);
JNIEnv* env;
// 【虚拟机创建】
if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
return;
}
onVmCreated(env);
// 【JNI方法注册】
if (startReg(env) < 0) {
return;
}
jclass stringClass;
jobjectArray strArray;
jstring classNameStr;
//等价 strArray= new String[options.size() + 1];
stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
//等价 strArray[0] = "com.android.internal.os.ZygoteInit"
classNameStr = env->NewStringUTF(className);
env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
//等价 strArray[1] = "start-system-server"；
// strArray[2] = "--abi-list=xxx"；
//其中xxx为系统响应的cpu架构类型，比如arm64-v8a.
for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());
env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);
}
//将"com.android.internal.os.ZygoteInit"转换为"com/android/internal/os/ZygoteInit"
char* slashClassName = toSlashClassName(className);
jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
if (startClass == NULL) {
...
} else {
jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
// 【通过JNI调用ZygoteInit.main()方法】
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
}
//释放相应对象的内存空间
free(slashClassName);
mJavaVM->DetachCurrentThread();
mJavaVM->DestroyJavaVM();
} start函数主要做了三件事：
- 调用 startVm 创建虚拟机
- 调用 startReg 注册 JNI 方法
- 通过JNI调用到 ZygoteInit.main()，进入 Java 框架层（此前没有任何代码进入过 Java 框架层）
startVM
如果每个应用程序在启动之时都需要单独运行和初始化一个虚拟机，会大大降低系统性能，因此系统首先在 Zygote 进程中创建一个虚拟机，然后通过它孵化出其他的进程，这样子进程会获得 Zygote 进程中的 Dalvik 虚拟机实例拷贝，进而共享虚拟机内存和框架层资源，大幅度提高应用程序的启动和运行速度。
下面只列举部分在调试优化过程中常用参数的源码。
// frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
// JNI检测功能，用于native层调用jni函数时进行常规检测，比较弱字符串格式是否符合要求，资源是否正确释放。该功能一般用于早期系统调试或手机Eng版，对于User版往往不会开启，引用该功能比较消耗系统CPU资源，降低系统性能。
const bool checkJni = GetBoolProperty("dalvik.vm.checkjni", false);
if (checkJni) {
ALOGD("CheckJNI is ON");
/* extended JNI checking */
addOption("-Xcheck:jni");
/* with -Xcheck:jni, this provides a JNI function call trace */
//addOption("-verbose:jni");
}
//虚拟机产生的trace文件，主要用于分析系统问题，路径默认为/data/anr/traces.txt
parseRuntimeOption("dalvik.vm.stack-trace-file", stackTraceFileBuf, "-Xstacktracefile:");
//对于不同的软硬件环境，这些参数往往需要调整、优化，从而使系统达到最佳性能
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapstartsize", heapstartsizeOptsBuf, "-Xms", "4m");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapsize", heapsizeOptsBuf, "-Xmx", "16m");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapgrowthlimit", heapgrowthlimitOptsBuf, "-XX:HeapGrowthLimit=");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapminfree", heapminfreeOptsBuf, "-XX:HeapMinFree=");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapmaxfree", heapmaxfreeOptsBuf, "-XX:HeapMaxFree=");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heaptargetutilization",
heaptargetutilizationOptsBuf, "-XX:HeapTargetUtilization=");
...
//初始化虚拟机
if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
return -1;
}
}startReg
int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
//设置线程创建方法为javaCreateThreadEtc
androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
env->PushLocalFrame(200);
//进程 JNI 方法的注册
if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
env->PopLocalFrame(NULL);
return -1;
}
env->PopLocalFrame(NULL);
return 0;
}register_jni_procs：
//frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
for (size_t i = 0; i < count; i++) {
if (array[i].mProc(env) < 0) {//调用gRegJNI的mProc
#ifndef NDEBUG
ALOGD("----------!!! %s failed to load\n", array[i].mName);
#endif
return -1;
}
}
return 0;
}
//gRegJNI是一个全局数组，定义如下:
//frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
REG_JNI(register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit),
REG_JNI(register_android_os_SystemClock),
........
//frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
#ifdef NDEBUG
#define REG_JNI(name) { name }
struct RegJNIRec {
int (*mProc)(JNIEnv*);
};
#else
#define REG_JNI(name) { name, #name }
struct RegJNIRec {
int (*mProc)(JNIEnv*);
const char* mName;
};
#endifgRegJNI数组有100多个成员，其中每一项成员都是通过REG_JNI宏定义的。调用 mProc，就等价于调用其参数名所指向的函数。 例如 REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit).mProc 也就是指进入 register_com_android_internal_os_RuntimeInit 方法。
ZygoteInit.java
AndroidRuntime.start() 执行到最后通过反射调用到 ZygoteInit.main()，至此第一次进入 Java 世界。
public static void main(String argv[]) {
// 1.创建ZygoteServer
ZygoteServer zygoteServer = null;
// 调用native函数，确保当前没有其它线程在运行
ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();
//设置pid为0，Zygote进入自己的进程组
Os.setpgid(0, 0);
........
Runnable caller;
try {
........
//得到systrace的监控TAG
String bootTimeTag = Process.is64Bit() ? "Zygote64Timing" : "Zygote32Timing";
TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog = new TimingsTraceLog(bootTimeTag,
Trace.TRACE_TAG_DALVIK);
//通过systradce来追踪 函数ZygoteInit， 可以通过systrace工具来进行分析
//traceBegin 和 traceEnd 要成对出现，而且需要使用同一个tag
bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygoteInit");
//开启DDMS(Dalvik Debug Monitor Service)功能
//注册所有已知的Java VM的处理块的监听器。
//线程监听、内存监听、native 堆内存监听、debug模式监听等等
RuntimeInit.preForkInit();
boolean startSystemServer = false;
String zygoteSocketName = "zygote";
String abiList = null;
boolean enableLazyPreload = false;
//2. 解析app_main.cpp - start()传入的参数
for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
startSystemServer = true;
//启动zygote时，才会传入参数：start-system-server
} else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
enableLazyPreload = true;
//启动zygote_secondary时，才会传入参数：enable-lazy-preload
} else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
//通过属性ro.product.cpu.abilist64\ro.product.cpu.abilist32 从C空间传来的值
abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
} else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
zygoteSocketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
//会有两种值：zygote和zygote_secondary
} else {
throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
}
}
// 根据传入socket name来决定是创建zygote还是zygote_secondary
final boolean isPrimaryZygote = zygoteSocketName.equals(Zygote.PRIMARY_SOCKET_NAME);
// 在第一次zygote启动时，enableLazyPreload为false，执行preload
if (!enableLazyPreload) {
//systrace 追踪 ZygotePreload
bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
// 3.加载进程的资源和类
preload(bootTimingsTraceLog);
//systrae结束 ZygotePreload的追踪
bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
}
//结束ZygoteInit的systrace追踪
bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygoteInit
//禁用systrace追踪，以便fork的进程不会从zygote继承过时的跟踪标记
Trace.setTracingEnabled(false, 0);
// 4.调用ZygoteServer 构造函数，创建socket，会根据传入的参数，
// 创建两个socket：/dev/socket/zygote 和 /dev/socket/zygote_secondary
zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote);
if (startSystemServer) {
//5.fork出system server
Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer);
// 启动SystemServer
if (r != null) {
r.run();
return;
}
}
// 6.zygote进程进入无限循环，处理请求
caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
} catch (Throwable ex) {
Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
throw ex;
} finally {
if (zygoteServer != null) {
zygoteServer.closeServerSocket();
}
}
// 7.在子进程中退出了选择循环。继续执行命令
if (caller != null) {
caller.run();
}
}
ZygoteInit 的 main 函数主要完成了以下工作：
- 调用 preload() 来预加载类和资源
- 调用 ZygoteServer() 创建了两个 Server 端的 Socket 分别为 /dev/socket/zygote 和 /dev/socket/zygote_secondary，Socket 用来等待 AMS 发送过来的请求，请求 zygote 进程创建新的应用程序进程。
- 调用 forkSystemServer 来启动 SystemServer 进程，这样系统的关键服务也会通过 SystemServer 进程启动起来。
- 最后调用 runSelectLoop 函数来等待客户端请求
总结
1.首先解析 init.rc 文件，创建 Zygote 进程，执行 app_process 程序，该程序入口为 app_main.cpp 的 main 函数。
2.在 app_main.cpp 中调用 AndroidRuntime.start 函数，在 start() 函数中调用 startVm() 创建 Java 虚拟机，然后调用 startReg() 来注册 JNI 函数，最后通过 JNI 调用到 ZygoteInit.main()，进入 Java 框架层（此前没有任何代码进入过 Java 框架层）。
3.在 ZygoteInit.main() 中调用 preload() 预加载类和资源，调用 ZygoteServer() 构造函数创建了两个Socket，用于响应 AMS 发送的请求。调用 forkSystemServer() 启动 SystemServer 进程。最后调用 runSelectLoop() 循环等待 AMS 的请求。