Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析

  在Android系统中，所有的应用程序进程以及系统服务进程SystemServer都是由Zygote进程孕育（fork）出来的，这也许就是为什么要把它称为Zygote（受精卵）的原因吧。由于Zygote进程在Android系统中有着如此重要的地位，本文将详细分析它的启动过程。

        在前面一篇文章Android应用程序进程启动过程的源代码分析中，我们看到了，当ActivityManagerService启动一个应用程序的时候，就会通过Socket与Zygote进程进行通信，请求它fork一个子进程出来作为这个即将要启动的应用程序的进程；在前面两篇文章Android应用程序安装过程源代码分析和Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中，我们又看到了，系统中的两个重要服务PackageManagerService和ActivityManagerService，都是由SystemServer进程来负责启动的，而SystemServer进程本身是Zygote进程在启动的过程中fork出来的。

        我们知道，Android系统是基于Linux内核的，而在Linux系统中，所有的进程都是init进程的子孙进程，也就是说，所有的进程都是直接或者间接地由init进程fork出来的。Zygote进程也不例外，它是在系统启动的过程，由init进程创建的。在系统启动脚本system/core/rootdir/init.rc文件中，我们可以看到启动Zygote进程的脚本命令：

 

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

        前面的关键字service告诉init进程创建一个名为"zygote"的进程，这个zygote进程要执行的程序是/system/bin/app_process，后面是要传给app_process的参数。

 

        接下来的socket关键字表示这个zygote进程需要一个名称为"zygote"的socket资源，这样，系统启动后，我们就可以在/dev/socket目录下看到有一个名为zygote的文件。这里定义的socket的类型为unix domain socket，它是用来作本地进程间通信用的，具体可以参考前面一篇文章Android学习启动篇提到的一书《Linux内核源代码情景分析》的第七章--基于socket的进程间通信。前面我们说到的ActivityManagerService就是通这个socket来和zygote进程通信请求fork一个应用程序进程的了。

        最后的一系列onrestart关键字表示这个zygote进程重启时需要执行的命令。

        关于init.rc文件的更多信息，请参考system/core/init/readme.txt文件。

        了解了这个信息之后，我们就知道Zygote进程要执行的程序便是system/bin/app_process了，它的源代码位于frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中，入口函数是main。在继续分析Zygote进程启动的过程之前，我们先来看看它的启动序列图：

        下面我们就详细分析每一个步骤。

        Step 1. app_process.main

        这个函数定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中：

 

int main(int argc, const char* const argv[])
{
    // These are global variables in ProcessState.cpp
    mArgC = argc;
    mArgV = argv;

    mArgLen = 0;
    for (int i=0; i<argc; i++) {
        mArgLen += strlen(argv[i]) + 1;
    }
    mArgLen--;

    AppRuntime runtime;
    const char *arg;
    argv0 = argv[0];

    // Process command line arguments
    // ignore argv[0]
    argc--;
    argv++;

    // Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vm

    int i = runtime.addVmArguments(argc, argv);

    // Next arg is parent directory
    if (i < argc) {
        runtime.mParentDir = argv[i++];
    }

    // Next arg is startup classname or "--zygote"
    if (i < argc) {
        arg = argv[i++];
        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();
        }
    } else {
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        return 10;
    }

}

        这个函数的主要作用就是创建一个AppRuntime变量，然后调用它的start成员函数。AppRuntime这个类我们在 Android应用程序进程启动过程的源代码分析 一文中已经有过介绍了，它同样是在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中定义：

 

class AppRuntime : public AndroidRuntime
{
    ......
};

        它约继承于AndroidRuntime类， AndroidRuntime类定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：

 

......

static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;

......

AndroidRuntime::AndroidRuntime()
{
    ......

    assert(gCurRuntime == NULL);        // one per process
    gCurRuntime = this;
}

        当AppRuntime对象创建时，会调用其父类AndroidRuntime的构造函数，而在AndroidRuntime类的构造函数里面，会将this指针保存在静态全局变量gCurRuntime中，这样，当其它地方需要使用这个AppRuntime对象时，就可以通过同一个文件中的这个函数来获取这个对象的指针：

 

AndroidRuntime* AndroidRuntime::getRuntime()
{
    return gCurRuntime;
}

        回到上面的main函数中，由于我们在init.rc文件中，设置了app_process启动参数--zygote和--start-system-server，因此，在main函数里面，最终会执行下面语句：

 

runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
rtSystemServer);

        这里的参数startSystemServer为true，表示要启动SystemServer组件。由于AppRuntime没有实现自己的start函数，它继承了父类AndroidRuntime的start函数，因此，下面会执行AndroidRuntime类的start函数。

        Step 2. AndroidRuntime.start

        这个函数定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：

/*
* Start the Android runtime.  This involves starting the virtual machine
* and calling the "static void main(String[] args)" method in the class
* named by "className".
*/
void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)
{
    ......

    char* slashClassName = NULL;
    char* cp;
    JNIEnv* env;

    ......

    /* start the virtual machine */
    if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
        goto bail;

    /*
    * Register android functions.
    */
    if (startReg(env) < 0) {
        LOGE("Unable to register all android natives\n");
        goto bail;
    }

    /*
    * We want to call main() with a String array with arguments in it.
    * At present we only have one argument, the class name.  Create an
    * array to hold it.
    */
    jclass stringClass;
    jobjectArray strArray;
    jstring classNameStr;
    jstring startSystemServerStr;
    stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
    assert(stringClass != NULL);
    strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);
    assert(strArray != NULL);
    classNameStr = env->NewStringUTF(className);
    assert(classNameStr != NULL);
    env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
    startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?
        "true" : "false");
    env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);

    /*
    * Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
    * not return until the VM exits.
    */
    jclass startClass;
    jmethodID startMeth;

    slashClassName = strdup(className);
    for (cp = slashClassName; *cp != '\0'; cp++)
        if (*cp == '.')
            *cp = '/';

    startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ......
    } else {
        startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ......
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
            ......
        }
    }

    ......
}

        这个函数的作用是启动Android系统运行时库，它主要做了三件事情，一是调用函数startVM启动虚拟机，二是调用函数startReg注册JNI方法，三是调用了com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数。

        Step 3. ZygoteInit.main

        这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

 

public class ZygoteInit {
    ......

    public static void main(String argv[]) {
        try {
            ......

            registerZygoteSocket();

            ......

            ......

            if (argv[1].equals("true")) {
                startSystemServer();
            } else if (!argv[1].equals("false")) {
                ......
            }

            ......

            if (ZYGOTE_FORK_MODE) {
                ......
            } else {
                runSelectLoopMode();
            }

            ......
        } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
            ......
        } catch (RuntimeException ex) {
            ......
        }
    }

    ......
}

         它主要作了三件事情，一个调用registerZygoteSocket函数创建了一个socket接口，用来和ActivityManagerService通讯，二是调用startSystemServer函数来启动SystemServer组件，三是调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程。

 

         Step 4. ZygoteInit.registerZygoteSocket

         这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {
    ......

    /**
    * Registers a server socket for zygote command connections
    *
    * @throws RuntimeException when open fails
    */
    private static void registerZygoteSocket() {
        if (sServerSocket == null) {
            int fileDesc;
            try {
                String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);
                fileDesc = Integer.parseInt(env);
            } catch (RuntimeException ex) {
                ......
            }

            try {
                sServerSocket = new LocalServerSocket(
                    createFileDescriptor(fileDesc));
            } catch (IOException ex) {
                .......
            }
        }
    }

    ......
}

         这个socket接口是通过文件描述符来创建的，这个文件描符代表的就是我们前面说的/dev/socket/zygote文件了。这个文件描述符是通过环境变量ANDROID_SOCKET_ENV得到的，它定义为：

 

 

public class ZygoteInit {
    ......

    private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote";

    ......
}

        那么，这个环境变量的值又是由谁来设置的呢？我们知道，系统启动脚本文件system/core/rootdir/init.rc是由init进程来解释执行的，而init进程的源代码位于system/core/init目录中，在init.c文件中，是由service_start函数来解释init.rc文件中的service命令的：

 

 

void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
{
    ......

    pid_t pid;

    ......

    pid = fork();

    if (pid == 0) {
        struct socketinfo *si;

        ......

        for (si = svc->sockets; si; si = si->next) {
            int socket_type = (
                !strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM :
                (!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET));
            int s = create_socket(si->name, socket_type,
                si->perm, si->uid, si->gid);
            if (s >= 0) {
                publish_socket(si->name, s);
            }
        }

        ......
    }

    ......
}

        每一个service命令都会促使init进程调用fork函数来创建一个新的进程，在新的进程里面，会分析里面的socket选项，对于每一个socket选项，都会通过create_socket函数来在/dev/socket目录下创建一个文件，在这个场景中，这个文件便是zygote了，然后得到的文件描述符通过publish_socket函数写入到环境变量中去：

 

 

static void publish_socket(const char *name, int fd)
{
    char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX;
    char val[64];

    strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) - 1,
            name,
            sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX));
    snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd);
    add_environment(key, val);

    /* make sure we don't close-on-exec */
    fcntl(fd, F_SETFD, 0);
}

       这里传进来的参数name值为"zygote"，而ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX在system/core/include/cutils/sockets.h定义为：

 

 

#define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX   "ANDROID_SOCKET_"

        因此，这里就把上面得到的文件描述符写入到以"ANDROID_SOCKET_zygote"为key值的环境变量中。又因为上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数与这里创建socket文件的create_socket函数是运行在同一个进程中，因此，上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数可以直接使用这个文件描述符来创建一个Java层的LocalServerSocket对象。如果其它进程也需要打开这个/dev/socket/zygote文件来和Zygote进程进行通信，那就必须要通过文件名来连接这个LocalServerSocket了，参考 Android应用程序进程启动过程的源代码分析 一文中的Step 4，ActivityManagerService是通过Process.start函数来创建一个新的进程的，而Process.start函数会首先通过Socket连接到Zygote进程中，最终由Zygote进程来完成创建新的应用程序进程，而Process类是通过openZygoteSocketIfNeeded函数来连接到Zygote进程中的Socket的：

 

 

public class Process {
    ......

    private static void openZygoteSocketIfNeeded()
            throws ZygoteStartFailedEx {

        ......

        for (int retry = 0
            ; (sZygoteSocket == null) && (retry < (retryCount + 1))
            ; retry++ ) {

                ......

                try {
                    sZygoteSocket = new LocalSocket();
                    sZygoteSocket.connect(new LocalSocketAddress(ZYGOTE_SOCKET,
                        LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED));

                    sZygoteInputStream
                        = new DataInputStream(sZygoteSocket.getInputStream());

                    sZygoteWriter =
                        new BufferedWriter(
                        new OutputStreamWriter(
                        sZygoteSocket.getOutputStream()),
                        256);

                    ......
                } catch (IOException ex) {
                    ......
                }
        }

        ......
    }

    ......
}

        这里的ZYGOTE_SOCKET定义为：

 

 

public class Process {
    ......

    private static final String ZYGOTE_SOCKET = "zygote";

    ......
}

        它刚好就是对应/dev/socket目录下的zygote文件了。

 

        Android系统中的socket机制和binder机制一样，都是可以用来进行进程间通信，读者可以自己对比一下这两者的不同之处，Binder进程间通信机制可以参考Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划一文。

       Socket对象创建完成之后，回到Step 3中的ZygoteInit.main函数中，startSystemServer函数来启动SystemServer组件。

       Step 5. ZygoteInit.startSystemServer
       这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

 

public class ZygoteInit {
    ......

    private static boolean startSystemServer()
            throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
        /* 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);

            ......

            /* Request to fork the system server process */
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                parsedArgs.gids, debugFlags, null,
                parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            ......
        }

        /* For child process */
        if (pid == 0) {
            handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return true;
    }

    ......
}

        这里我们可以看到，Zygote进程通过Zygote.forkSystemServer函数来创建一个新的进程来启动SystemServer组件，返回值pid等0的地方就是新的进程要执行的路径，即新创建的进程会执行handleSystemServerProcess函数。

 

        Step 6. ZygoteInit.handleSystemServerProcess
        这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {
    ......

    private static void handleSystemServerProcess(
            ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
        closeServerSocket();

        /*
        * Pass the remaining arguments to SystemServer.
        * "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"
        */
        RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);
        /* should never reach here */
    }

    ......
}

        由于由Zygote进程创建的子进程会继承Zygote进程在前面Step 4中创建的Socket文件描述符，而这里的子进程又不会用到它，因此，这里就调用closeServerSocket函数来关闭它。这个函数接着调用RuntimeInit.zygoteInit函数来进一步执行启动SystemServer组件的操作。

 

        Step 7. RuntimeInit.zygoteInit

        这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：

 

public class RuntimeInit {
    ......

    public static final void zygoteInit(String[] argv)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
        ......

        zygoteInitNative();

        ......


        // Remaining arguments are passed to the start class's static main

        String startClass = argv[curArg++];
        String[] startArgs = new String[argv.length - curArg];

        System.arraycopy(argv, curArg, startArgs, 0, startArgs.length);
        invokeStaticMain(startClass, startArgs);
    }

    ......
}

         这个函数会执行两个操作，一个是调用zygoteInitNative函数来执行一个Binder进程间通信机制的初始化工作，这个工作完成之后，这个进程中的Binder对象就可以方便地进行进程间通信了，另一个是调用上面Step 5传进来的com.android.server.SystemServer类的main函数。

 

         Step 8. RuntimeInit.zygoteInitNative

         这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：

 

public class RuntimeInit {
    ......

    public static final native void zygoteInitNative();

    ......
}

        这里可以看出，函数zygoteInitNative是一个Native函数，实现在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中，这里我们就不再细看了，具体可以参考 Android应用程序进程启动过程的源代码分析 一文的Step 9，完成这一步后，这个进程的Binder进程间通信机制基础设施就准备好了。

 

        回到Step 7中的RuntimeInit.zygoteInitNative函数，下一步它就要执行com.android.server.SystemServer类的main函数了。

        Step 9. SystemServer.main

        这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件中：

 

public class SystemServer
{
    ......

    native public static void init1(String[] args);

    ......

    public static void main(String[] args) {
        ......

        init1(args);

        ......
    }

    public static final void init2() {
        Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
        Thread thr = new ServerThread();
        thr.setName("android.server.ServerThread");
        thr.start();
    }

    ......
}

        这里的main函数首先会执行JNI方法init1，然后init1会调用这里的init2函数，在init2函数里面，会创建一个ServerThread线程对象来执行一些系统关键服务的启动操作，例如我们在前面两篇文章 Android应用程序安装过程源代码分析 和 Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析 中提到的PackageManagerService和ActivityManagerService。
        这一步的具体执行过程可以参考 Android应用程序安装过程源代码分析 一文，这里就不再详述了。

 

        这里执行完成后，层层返回，最后回到上面的Step 3中的ZygoteInit.main函数中，接下来它就要调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面Step 4中创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程了。

        Step 10. ZygoteInit.runSelectLoopMode

        这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {
    ......

    private static void runSelectLoopMode() throws MethodAndArgsCaller {
        ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList();
        ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList();
        FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];

        fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
        peers.add(null);

        int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
        while (true) {
            int index;

            ......


            try {
                fdArray = fds.toArray(fdArray);
                index = selectReadable(fdArray);
            } catch (IOException ex) {
                throw new RuntimeException("Error in select()", ex);
            }

            if (index < 0) {
                throw new RuntimeException("Error in select()");
            } else if (index == 0) {
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
            } else {
                boolean done;
                done = peers.get(index).runOnce();

                if (done) {
                    peers.remove(index);
                    fds.remove(index);
                }
            }
        }
    }

    ......
}

        这个函数我们已经在 Android应用程序进程启动过程的源代码分析 一文的Step 5中分析过了，这就是在等待ActivityManagerService来连接这个Socket，然后调用ZygoteConnection.runOnce函数来创建新的应用程序，有兴趣的读者可以参考 Android应用程序进程启动过程的源代码分析 这篇文章，这里就不再详述了。

        这样，Zygote进程就启动完成了，学习到这里，我们终于都对Android系统中的进程有了一个深刻的认识了，这里总结一下：

        1. 系统启动时init进程会创建Zygote进程，Zygote进程负责后续Android应用程序框架层的其它进程的创建和启动工作。

        2. Zygote进程会首先创建一个SystemServer进程，SystemServer进程负责启动系统的关键服务，如包管理服务PackageManagerService和应用程序组件管理服务ActivityManagerService。

        3. 当我们需要启动一个Android应用程序时，ActivityManagerService会通过Socket进程间通信机制，通知Zygote进程为这个应用程序创建一个新的进程。