Android应用程序启动过程源代码分析

前文简要介绍了Android应用程序的Activity的启动过程。在Android系统中,应用程序是由Activity组成的,因此,应用程序的启动过程实际上就是应用程序中的默认Activity的启动过程,本文将详细分析应用程序框架层的源代码,了解Android应用程序的启动过程。

在上一篇文章Android应用程序的Activity启动过程简要介绍和学习计划中,我们举例子说明了启动Android应用程序中的Activity的两种情景,其中,在手机屏幕中点击应用程序图标的情景就会引发Android应用程序中的默认Activity的启动,从而把应用程序启动起来。这种启动方式的特点是会启动一个新的进程来加载相应的Activity。这里,我们继续以这个例子为例来说明Android应用程序的启动过程,即MainActivity的启动过程。

MainActivity的启动过程如下图所示:

Android应用程序启动过程源代码分析

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下面详细分析每一步是如何实现的。

Step 1. Launcher.startActivitySafely

在Android系统中,应用程序是由Launcher启动起来的,其实,Launcher本身也是一个应用程序,其它的应用程序安装后,就会Launcher的界面上出现一个相应的图标,点击这个图标时,Launcher就会对应的应用程序启动起来。

Launcher的源代码工程在packages/apps/Launcher2目录下,负责启动其它应用程序的源代码实现在src/com/android/launcher2/Launcher.java文件中:

回忆一下前面一篇文章 Android应用程序的Activity启动过程简要介绍和学习计划说到的应用程序Activity,它的默认Activity是MainActivity,这里是AndroidManifest.xml文件中配置的:

因此,这里的intent包含的信息为:action = "android.intent.action.Main",category="android.intent.category.LAUNCHER", cmp="shy.luo.activity/.MainActivity",表示它要启动的Activity为shy.luo.activity.MainActivity。Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK表示要在一个新的Task中启动这个Activity,注意,Task是Android系统中的概念,它不同于进程Process的概念。简单地说,一个Task是一系列Activity的集合,这个集合是以堆栈的形式来组织的,遵循后进先出的原则。事实上,Task是一个非常复杂的概念,有兴趣的读者可以到官网 http://developer.android.com/guide/topics/manifest/activity-element.html查看相关的资料。这里,我们只要知道,这个MainActivity要在一个新的Task中启动就可以了。

Step 2. Activity.startActivity

在Step 1中,我们看到,Launcher继承于Activity类,而Activity类实现了startActivity函数,因此,这里就调用了Activity.startActivity函数,它实现在frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java文件中:

这个函数实现很简单,它调用startActivityForResult来进一步处理,第二个参数传入-1表示不需要这个Actvity结束后的返回结果。

Step 3.Activity.startActivityForResult

这个函数也是实现在frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java文件中:

这里的mInstrumentation是Activity类的成员变量,它的类型是Intrumentation,定义在frameworks/base/core/java/android/app/Instrumentation.java文件中,它用来监控应用程序和系统的交互。

这里的mMainThread也是Activity类的成员变量,它的类型是ActivityThread,它代表的是应用程序的主线程,我们在Android系统在新进程中启动自定义服务过程(startService)的原理分析一文中已经介绍过了。这里通过mMainThread.getApplicationThread获得它里面的ApplicationThread成员变量,它是一个Binder对象,后面我们会看到,ActivityManagerService会使用它来和ActivityThread来进行进程间通信。这里我们需注意的是,这里的mMainThread代表的是Launcher应用程序运行的进程。

这里的mToken也是Activity类的成员变量,它是一个Binder对象的远程接口。

Step 4. Instrumentation.execStartActivity
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/Instrumentation.java文件中:

这里的ActivityManagerNative.getDefault返回ActivityManagerService的远程接口,即ActivityManagerProxy接口,具体可以参考 Android系统在新进程中启动自定义服务过程(startService)的原理分析一文。

这里的intent.resolveTypeIfNeeded返回这个intent的MIME类型,在这个例子中,没有AndroidManifest.xml设置MainActivity的MIME类型,因此,这里返回null。

这里的target不为null,但是target.mEmbddedID为null,我们不用关注。

Step 5. ActivityManagerProxy.startActivity

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中:

这里的参数比较多,我们先整理一下。从上面的调用可以知道,这里的参数resolvedType、grantedUriPermissions和resultWho均为null;参数caller为ApplicationThread类型的Binder实体;参数resultTo为一个Binder实体的远程接口,我们先不关注它;参数grantedMode为0,我们也先不关注它;参数requestCode为-1;参数onlyIfNeeded和debug均空false。

Step 6. ActivityManagerService.startActivity

上一步Step 5通过Binder驱动程序就进入到ActivityManagerService的startActivity函数来了,它定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中:

这里只是简单地将操作转发给成员变量mMainStack的startActivityMayWait函数,这里的mMainStack的类型为ActivityStack。

Step 7.ActivityStack.startActivityMayWait

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

注意,从Step 6传下来的参数outResult和config均为null,此外,表达式(aInfo.applicationInfo.flags&ApplicationInfo.FLAG_CANT_SAVE_STATE) != 0为false,因此,这里忽略了无关代码。

下面语句对参数intent的内容进行解析,得到MainActivity的相关信息,保存在aInfo变量中:

解析之后,得到的aInfo.applicationInfo.packageName的值为"shy.luo.activity",aInfo.name的值为"shy.luo.activity.MainActivity",这是在这个实例的配置文件AndroidManifest.xml里面配置的。

此外,函数开始的地方调用intent.getComponent()函数的返回值不为null,因此,这里的componentSpecified变量为true。

接下去就调用startActivityLocked进一步处理了。

Step 8. ActivityStack.startActivityLocked

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

从传进来的参数caller得到调用者的进程信息,并保存在callerApp变量中,这里就是Launcher应用程序的进程信息了。

前面说过,参数resultTo是Launcher这个Activity里面的一个Binder对象,通过它可以获得Launcher这个Activity的相关信息,保存在sourceRecord变量中。
再接下来,创建即将要启动的Activity的相关信息,并保存在r变量中:

接着调用startActivityUncheckedLocked函数进行下一步操作。

Step 9. ActivityStack.startActivityUncheckedLocked

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

函数首先获得intent的标志值,保存在launchFlags变量中。

这个intent的标志值的位Intent.FLAG_ACTIVITY_NO_USER_ACTION没有置位,因此 ,成员变量mUserLeaving的值为true。

这个intent的标志值的位Intent.FLAG_ACTIVITY_PREVIOUS_IS_TOP也没有置位,因此,变量notTop的值为null。

由于在这个例子的AndroidManifest.xml文件中,MainActivity没有配置launchMode属值,因此,这里的r.launchMode为默认值0,表示以标准(Standard,或者称为ActivityInfo.LAUNCH_MULTIPLE)的方式来启动这个Activity。Activity的启动方式有四种,其余三种分别是ActivityInfo.LAUNCH_SINGLE_INSTANCE、ActivityInfo.LAUNCH_SINGLE_TASK和ActivityInfo.LAUNCH_SINGLE_TOP,具体可以参考官方网站http://developer.android.com/reference/android/content/pm/ActivityInfo.html

传进来的参数r.resultTo为null,表示Launcher不需要等这个即将要启动的MainActivity的执行结果。

由于这个intent的标志值的位Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK被置位,而且Intent.FLAG_ACTIVITY_MULTIPLE_TASK没有置位,因此,下面的if语句会被执行:

这段代码的逻辑是查看一下,当前有没有Task可以用来执行这个Activity。由于r.launchMode的值不为ActivityInfo.LAUNCH_SINGLE_INSTANCE,因此,它通过findTaskLocked函数来查找存不存这样的Task,这里返回的结果是null,即taskTop为null,因此,需要创建一个新的Task来启动这个Activity。

接着往下看:

这段代码的逻辑是看一下,当前在堆栈顶端的Activity是否就是即将要启动的Activity,有些情况下,如果即将要启动的Activity就在堆栈的顶端,那么,就不会重新启动这个Activity的别一个实例了,具体可以参考官方网站 http://developer.android.com/reference/android/content/pm/ActivityInfo.html。现在处理堆栈顶端的Activity是Launcher,与我们即将要启动的MainActivity不是同一个Activity,因此,这里不用进一步处理上述介绍的情况。

执行到这里,我们知道,要在一个新的Task里面来启动这个Activity了,于是新创建一个Task:

新建的Task保存在r.task域中,同时,添加到mService中去,这里的mService就是ActivityManagerService了。

最后就进入startActivityLocked(r, newTask, doResume)进一步处理了。这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityStack.java文件中:

这里的NH表示当前系统中历史任务的个数,这里肯定是大于0,因为Launcher已经跑起来了。当NH>0时,并且现在要切换新任务时,要做一些任务切的界面操作,这段代码我们就不看了,这里不会影响到下面启Activity的过程,有兴趣的读取可以自己研究一下。

这里传进来的参数doResume为true,于是调用resumeTopActivityLocked进一步操作。

Step 10. Activity.resumeTopActivityLocked

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

函数先通过调用topRunningActivityLocked函数获得堆栈顶端的Activity,这里就是MainActivity了,这是在上面的Step 9设置好的,保存在next变量中。

接下来把mUserLeaving的保存在本地变量userLeaving中,然后重新设置为false,在上面的Step 9中,mUserLeaving的值为true,因此,这里的userLeaving为true。

这里的mResumedActivity为Launcher,因为Launcher是当前正被执行的Activity。

当我们处理休眠状态时,mLastPausedActivity保存堆栈顶端的Activity,因为当前不是休眠状态,所以mLastPausedActivity为null。

有了这些信息之后,下面的语句就容易理解了:

它首先看要启动的Activity是否就是当前处理Resumed状态的Activity,如果是的话,那就什么都不用做,直接返回就可以了;否则再看一下系统当前是否休眠状态,如果是的话,再看看要启动的Activity是否就是当前处于堆栈顶端的Activity,如果是的话,也是什么都不用做。

上面两个条件都不满足,因此,在继续往下执行之前,首先要把当处于Resumed状态的Activity推入Paused状态,然后才可以启动新的Activity。但是在将当前这个Resumed状态的Activity推入Paused状态之前,首先要看一下当前是否有Activity正在进入Pausing状态,如果有的话,当前这个Resumed状态的Activity就要稍后才能进入Paused状态了,这样就保证了所有需要进入Paused状态的Activity串行处理。

这里没有处于Pausing状态的Activity,即mPausingActivity为null,而且mResumedActivity也不为null,于是就调用startPausingLocked函数把Launcher推入Paused状态去了。

Step 11. ActivityStack.startPausingLocked

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

函数首先把mResumedActivity保存在本地变量prev中。在上一步Step 10中,说到mResumedActivity就是Launcher,因此,这里把Launcher进程中的ApplicationThread对象取出来,通过它来通知Launcher这个Activity它要进入Paused状态了。当然,这里的prev.app.thread是一个ApplicationThread对象的远程接口,通过调用这个远程接口的schedulePauseActivity来通知Launcher进入Paused状态。

参数prev.finishing表示prev所代表的Activity是否正在等待结束的Activity列表中,由于Laucher这个Activity还没结束,所以这里为false;参数prev.configChangeFlags表示哪些config发生了变化,这里我们不关心它的值。

Step 12.ApplicationThreadProxy.schedulePauseActivity

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ApplicationThreadNative.java文件中:

这个函数通过Binder进程间通信机制进入到ApplicationThread.schedulePauseActivity函数中。

Step 13. ApplicationThread.schedulePauseActivity

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中,它是ActivityThread的内部类:

这里调用的函数queueOrSendMessage是ActivityThread类的成员函数。

上面说到,这里的finished值为false,因此,queueOrSendMessage的第一个参数值为H.PAUSE_ACTIVITY,表示要暂停token所代表的Activity,即Launcher。

Step 14. ActivityThread.queueOrSendMessage

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

这里首先将相关信息组装成一个msg,然后通过mH成员变量发送出去,mH的类型是H,继承于Handler类,是ActivityThread的内部类,因此,这个消息最后由H.handleMessage来处理。

Step 15. H.handleMessage

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

这里调用ActivityThread.handlePauseActivity进一步操作,msg.obj是一个ActivityRecord对象的引用,它代表的是Launcher这个Activity。
Step 16.ActivityThread.handlePauseActivity

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

函数首先将Binder引用token转换成ActivityRecord的远程接口ActivityClientRecord,然后做了三个事情:1. 如果userLeaving为true,则通过调用performUserLeavingActivity函数来调用Activity.onUserLeaveHint通知Activity,用户要离开它了;2. 调用performPauseActivity函数来调用Activity.onPause函数,我们知道,在Activity的生命周期中,当它要让位于其它的Activity时,系统就会调用它的onPause函数;3. 它通知ActivityManagerService,这个Activity已经进入Paused状态了,ActivityManagerService现在可以完成未竟的事情,即启动MainActivity了。

Step 17. ActivityManagerProxy.activityPaused

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中:

这里通过Binder进程间通信机制就进入到ActivityManagerService.activityPaused函数中去了。

Step 18.ActivityManagerService.activityPaused

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

这里,又再次进入到ActivityStack类中,执行activityPaused函数。

Step 19.ActivityStack.activityPaused

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

这里通过参数token在mHistory列表中得到ActivityRecord,从上面我们知道,这个ActivityRecord代表的是Launcher这个Activity,而我们在Step 11中,把Launcher这个Activity的信息保存在mPausingActivity中,因此,这里mPausingActivity等于r,于是,执行completePauseLocked操作。

Step 20.ActivityStack.completePauseLocked

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

函数首先把mPausingActivity变量清空,因为现在不需要它了,然后调用resumeTopActivityLokced进一步操作,它传入的参数即为代表Launcher这个Activity的ActivityRecord。

Step 21.ActivityStack.resumeTopActivityLokced
这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityStack.java文件中:

通过上面的Step 9,我们知道,当前在堆栈顶端的Activity为我们即将要启动的MainActivity,这里通过调用topRunningActivityLocked将它取回来,保存在next变量中。之前最后一个Resumed状态的Activity,即Launcher,到了这里已经处于Paused状态了,因此,mResumedActivity为null。最后一个处于Paused状态的Activity为Launcher,因此,这里的mLastPausedActivity就为Launcher。前面我们为MainActivity创建了ActivityRecord后,它的app域一直保持为null。有了这些信息后,上面这段代码就容易理解了,它最终调用startSpecificActivityLocked进行下一步操作。

Step 22. ActivityStack.startSpecificActivityLocked
这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityStack.java文件中:

注意,这里由于是第一次启动应用程序的Activity,所以下面语句:

取回来的app为null。在Activity应用程序中的AndroidManifest.xml配置文件中,我们没有指定Application标签的process属性,系统就会默认使用package的名称,这里就是"shy.luo.activity"了。每一个应用程序都有自己的uid,因此,这里uid + process的组合就可以为每一个应用程序创建一个ProcessRecord。当然,我们可以配置两个应用程序具有相同的uid和package,或者在AndroidManifest.xml配置文件的application标签或者activity标签中显式指定相同的process属性值,这样,不同的应用程序也可以在同一个进程中启动。

函数最终执行ActivityManagerService.startProcessLocked函数进行下一步操作。

Step 23.ActivityManagerService.startProcessLocked

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

这里再次检查是否已经有以process + uid命名的进程存在,在我们这个情景中,返回值app为null,因此,后面会创建一个ProcessRecord,并存保存在成员变量mProcessNames中,最后,调用另一个startProcessLocked函数进一步操作:

这里主要是调用Process.start接口来创建一个新的进程,新的进程会导入android.app.ActivityThread类,并且执行它的main函数,这就是为什么我们前面说每一个应用程序都有一个ActivityThread实例来对应的原因。

Step 24. ActivityThread.main

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

这个函数在进程中创建一个ActivityThread实例,然后调用它的attach函数,接着就进入消息循环了,直到最后进程退出。

函数attach最终调用了ActivityManagerService的远程接口ActivityManagerProxy的attachApplication函数,传入的参数是mAppThread,这是一个ApplicationThread类型的Binder对象,它的作用是用来进行进程间通信的。

Step 25.ActivityManagerProxy.attachApplication

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中:

这里通过Binder驱动程序,最后进入ActivityManagerService的attachApplication函数中。

Step 26.ActivityManagerService.attachApplication

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

这里将操作转发给attachApplicationLocked函数。

Step 27.ActivityManagerService.attachApplicationLocked

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

在前面的Step 23中,已经创建了一个ProcessRecord,这里首先通过pid将它取回来,放在app变量中,然后对app的其它成员进行初始化,最后调用mMainStack.realStartActivityLocked执行真正的Activity启动操作。这里要启动的Activity通过调用mMainStack.topRunningActivityLocked(null)从堆栈顶端取回来,这时候在堆栈顶端的Activity就是MainActivity了。

Step 28. ActivityStack.realStartActivityLocked

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

这里最终通过app.thread进入到ApplicationThreadProxy的scheduleLaunchActivity函数中,注意,这里的第二个参数r,是一个ActivityRecord类型的Binder对象,用来作来这个Activity的token值。

Step 29.ApplicationThreadProxy.scheduleLaunchActivity
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ApplicationThreadNative.java文件中:

这个函数最终通过Binder驱动程序进入到ApplicationThread的scheduleLaunchActivity函数中。

Step 30.ApplicationThread.scheduleLaunchActivity
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

函数首先创建一个ActivityClientRecord实例,并且初始化它的成员变量,然后调用ActivityThread类的queueOrSendMessage函数进一步处理。

Step 31.ActivityThread.queueOrSendMessage
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

函数把消息内容放在msg中,然后通过mH把消息分发出去,这里的成员变量mH我们在前面已经见过,消息分发出去后,最后会调用H类的handleMessage函数。

Step 32. H.handleMessage

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

这里最后调用ActivityThread类的handleLaunchActivity函数进一步处理。

Step 33.ActivityThread.handleLaunchActivity

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

这里首先调用performLaunchActivity函数来加载这个Activity类,即shy.luo.activity.MainActivity,然后调用它的onCreate函数,最后回到handleLaunchActivity函数时,再调用handleResumeActivity函数来使这个Activity进入Resumed状态,即会调用这个Activity的onResume函数,这是遵循Activity的生命周期的。

Step 34.ActivityThread.performLaunchActivity
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

函数前面是收集要启动的Activity的相关信息,主要package和component信息:

然后通过ClassLoader将shy.luo.activity.MainActivity类加载进来:

接下来是创建Application对象,这是根据AndroidManifest.xml配置文件中的Application标签的信息来创建的:

后面的代码主要创建Activity的上下文信息,并通过attach方法将这些上下文信息设置到MainActivity中去:

最后还要调用MainActivity的onCreate函数:

这里不是直接调用MainActivity的onCreate函数,而是通过mInstrumentation的callActivityOnCreate函数来间接调用,前面我们说过,mInstrumentation在这里的作用是监控Activity与系统的交互操作,相当于是系统运行日志。

Step 35. MainActivity.onCreate

这个函数定义在packages/experimental/Activity/src/shy/luo/activity/MainActivity.java文件中,这是我们自定义的app工程文件:

这样,MainActivity就启动起来了,整个应用程序也启动起来了。

整个应用程序的启动过程要执行很多步骤,但是整体来看,主要分为以下五个阶段:

一. Step1 - Step 11:Launcher通过Binder进程间通信机制通知ActivityManagerService,它要启动一个Activity;

二. Step 12 - Step 16:ActivityManagerService通过Binder进程间通信机制通知Launcher进入Paused状态;

三. Step 17 - Step 24:Launcher通过Binder进程间通信机制通知ActivityManagerService,它已经准备就绪进入Paused状态,于是ActivityManagerService就创建一个新的进程,用来启动一个ActivityThread实例,即将要启动的Activity就是在这个ActivityThread实例中运行;

四. Step 25 - Step 27:ActivityThread通过Binder进程间通信机制将一个ApplicationThread类型的Binder对象传递给ActivityManagerService,以便以后ActivityManagerService能够通过这个Binder对象和它进行通信;

五. Step 28 - Step 35:ActivityManagerService通过Binder进程间通信机制通知ActivityThread,现在一切准备就绪,它可以真正执行Activity的启动操作了。

这里不少地方涉及到了Binder进程间通信机制,相关资料请参考Android进程间通信(IPC)机制Binder简要介绍和学习计划一文。

这样,应用程序的启动过程就介绍完了,它实质上是启动应用程序的默认Activity,在下一篇文章中,我们将介绍在应用程序内部启动另一个Activity的过程,即新的Activity与启动它的Activity将会在同一个进程(Process)和任务(Task)运行,敬请关注。

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