Android内核解读-Android系统的开机启动过程
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前言
当长按手机的power键，Android手机就会开机，那么Android系统的开机启动过程到底是怎么样的呢，本文将要介绍这一过程。简单来说，Android系统的开机启动过程大致是这样的：首先linux系统会启动一个叫做zygote（可以称为受精卵、母体）的linux程序，这个程序实际上就是android系统的内核，zygote启动的时候会建立socket服务端并加载大量的类和资源。接着zygote会孵化第一个dalvik进程SystemServer，在SystemServer中会创建一个socket客户端，后续AMS（ActivityManagerService）会通过此客户端和zygote通信，zygote再根据请求孵化出新的dalvik进程即启动一个新的apk同时把新进程的socket连接关闭。SystemServer初始化完毕后会启动一个位于桟顶的activity，由于系统刚开机，所以task桟顶没有activity，于是接着它会发送一个隐式的intent（category：CATEGORY_HOME），也就是launcher了，即Android系统的桌面程序，launcher启动以后，我们就可以通过桌面启动各种应用了，可以发现，launcher可以有多个，第三方应用只要加入launcher所需要的intent-filter即可。下面一一分析各个流程。（注：本文分析基于Android4.3源码）
zygote的启动过程
zygote是一个linux程序，其对应的可执行文件位于/system/bin/app_process，它在/init.rc中定义，如下
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
class main
socket zygote stream 660 root system
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart media
onrestart restart netd
可以发现，zygote创建了一个流式套接字（即采用TCP协议），并监听660端口，并且当zygote重启的时候需要对唤醒电源并重启Media、netd服务。下面看zygote的源码，其路径为frameworks\base\cmds\app_process\app_main.cpp中：
int main(int argc, char* const argv[])
{
#ifdef __arm__
/*
* b/7188322 - Temporarily revert to the compat memory layout
* to avoid breaking third party apps.
*
* THIS WILL GO AWAY IN A FUTURE ANDROID RELEASE.
*
* http://git.kernel.org/?p=linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git;a=commitdiff;h=7dbaa466
* changes the kernel mapping from bottom up to top-down.
* This breaks some programs which improperly embed
* an out of date copy of Android's linker.
*/
char value[PROPERTY_VALUE_MAX];
property_get("ro.kernel.qemu", value, "");
bool is_qemu = (strcmp(value, "1") == 0);
if ((getenv("NO_ADDR_COMPAT_LAYOUT_FIXUP") == NULL) && !is_qemu) {
int current = personality(0xFFFFFFFF);
if ((current & ADDR_COMPAT_LAYOUT) == 0) {
personality(current | ADDR_COMPAT_LAYOUT);
setenv("NO_ADDR_COMPAT_LAYOUT_FIXUP", "1", 1);
execv("/system/bin/app_process", argv);
return -1;
}
}
unsetenv("NO_ADDR_COMPAT_LAYOUT_FIXUP");
#endif
// 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--;
//注意，这里持有了一个AppRuntime对象，其继承自AndroidRuntime
AppRuntime runtime;
const char* 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);
// Parse runtime arguments. Stop at first unrecognized option.
bool zygote = false;
bool startSystemServer = false;
bool application = false;
const char* parentDir = NULL;
const char* niceName = NULL;
const char* className = NULL;
//这里是解析init.rc中定义的zygote的启动参数
while (i < argc) {
const char* arg = argv[i++];
if (!parentDir) {
parentDir = arg;
} else if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
zygote = true;
niceName = "zygote";
} 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 = arg + 12;
} else {
className = arg;
break;
}
}
if (niceName && *niceName) {
setArgv0(argv0, niceName);
set_process_name(niceName);
}
runtime.mParentDir = parentDir;
if (zygote) {
//从init.rc中的定义可以看出，zygote为true，startSystemServer也为true
//最终这里会调用ZygoteInit的main方法
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer ? "start-system-server" : "");
} else if (className) {
// Remainder of args get passed to startup class main()
runtime.mClassName = className;
runtime.mArgC = argc - i;
runtime.mArgV = argv + i;
runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit",
application ? "application" : "tool");
} else {
fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
app_usage();
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
return 10;
}
}
说明：这句代码runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",startSystemServer ? "start-system-server" : "")在AndroidRuntime中实现，其最终会调用ZygoteInit的main方法，请看env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);这里的startClass就是com.android.internal.os.ZygoteInit，而startMeth就是main，所以，我们直接看ZygoteInit的main方法，代码路径为：frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.java：
public static void main(String argv[]) {
try {
// Start profiling the zygote initialization.
SamplingProfilerIntegration.start();
//这里注册流式socket，以便于fork新的dalvik进程
registerZygoteSocket();
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
SystemClock.uptimeMillis());
//这里预先加载一些类和资源
preload();
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
SystemClock.uptimeMillis());
// Finish profiling the zygote initialization.
SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();
// Do an initial gc to clean up after startup
gc();
// Disable tracing so that forked processes do not inherit stale tracing tags from
// Zygote.
Trace.setTracingEnabled(false);
// If requested, start system server directly from Zygote
if (argv.length != 2) {
throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);
}
if (argv[1].equals("start-system-server")) {
//启动SystemServer，zygote通过SystemServer和上层服务进行交互
startSystemServer();
} else if (!argv[1].equals("")) {
throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);
}
Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
//通过Select方式监听端口，即异步读取消息，死循环，没有消息则一直阻塞在那里
runSelectLoop();
closeServerSocket();
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run();
} catch (RuntimeException ex) {
Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
closeServerSocket();
throw ex;
}
}
下面看一下runSelectLoop方法，看看它是如何fork产生一个新的进程的：
/**
* Runs the zygote process's select loop. Accepts new connections as
* they happen, and reads commands from connections one spawn-request's
* worth at a time.
*
* @throws MethodAndArgsCaller in a child process when a main() should
* be executed.
*/
private static void runSelectLoop() throws MethodAndArgsCaller {
ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];
fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
peers.add(null);
int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
//死循环，没有消息则一直阻塞在这里
while (true) {
int index;
/*
* Call gc() before we block in select().
* It's work that has to be done anyway, and it's better
* to avoid making every child do it. It will also
* madvise() any free memory as a side-effect.
*
* Don't call it every time, because walking the entire
* heap is a lot of overhead to free a few hundred bytes.
*/
if (loopCount <= 0) {
gc();
loopCount = GC_LOOP_COUNT;
} else {
loopCount--;
}
try {
fdArray = fds.toArray(fdArray);
//通过select()函数来读取新的socket消息，其返回值有<0、0、>0三种
//分别代表：发生异常、继续读取新消息、首先处理当前消息
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) {
//构造一个ZygoteConnection对象，并将其加入到peers列表中
ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
peers.add(newPeer);
fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
} else {
boolean done;
//这里处理当前socket消息，ZygoteConnection的runOnce会被调用，一个新的dalvik进程会被创建
done = peers.get(index).runOnce();
if (done) {
//处理完了以后删除此socket消息
peers.remove(index);
fds.remove(index);
}
}
}
}
接着，我们还需要看下ZygoteConnection的runOnce方法，看看一个dalvik进程到底是如何产生的，我们知道每个apk都运行在一个独立的dalvik进程中，所以当启动一个apk的时候，zygote会孵化出一个新的进程，在这个进程中运行此apk。在ZygoteConnection中，新进程是通过Zygote的静态方法forkAndSpecialize来产生的：
pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo, parsedArgs.niceName);
具体的我们就不用多看了，内部肯定是通过linux系统的fork()函数来产生一个新进程的。当一个新的dalvik进程产生了以后，还需要做一些清场的工作，由于新进程是由zygote程序fork出来的，所以子进程具有zygote的一份拷贝，我们知道，zygote启动的时候创建了一个socket服务端，这个服务端只能有一个，由zygote孵化的子进程是不应该有的，所以子进程孵化出来以后，还必须关闭拷贝的socket服务端，这些操作在handleChildProc方法中完成：
private void handleChildProc(Arguments parsedArgs,
FileDescriptor[] descriptors, FileDescriptor pipeFd, PrintStream newStderr)
throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
//关闭本地和服务端（如果有）的socket
closeSocket();
ZygoteInit.closeServerSocket();
if (descriptors != null) {
try {
ZygoteInit.reopenStdio(descriptors[0],
descriptors[1], descriptors[2]);
for (FileDescriptor fd: descriptors) {
IoUtils.closeQuietly(fd);
}
newStderr = System.err;
} catch (IOException ex) {
Log.e(TAG, "Error reopening stdio", ex);
}
}
if (parsedArgs.niceName != null) {
Process.setArgV0(parsedArgs.niceName);
}
if (parsedArgs.runtimeInit) {
if (parsedArgs.invokeWith != null) {
WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
pipeFd, parsedArgs.remainingArgs);
} else {
RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
parsedArgs.remainingArgs);
}
} else {
String className;
try {
className = parsedArgs.remainingArgs[0];
} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {
logAndPrintError(newStderr,
"Missing required class name argument", null);
return;
}
String[] mainArgs = new String[parsedArgs.remainingArgs.length - 1];
System.arraycopy(parsedArgs.remainingArgs, 1,
mainArgs, 0, mainArgs.length);
if (parsedArgs.invokeWith != null) {
WrapperInit.execStandalone(parsedArgs.invokeWith,
parsedArgs.classpath, className, mainArgs);
} else {
ClassLoader cloader;
if (parsedArgs.classpath != null) {
cloader = new PathClassLoader(parsedArgs.classpath,
ClassLoader.getSystemClassLoader());
} else {
cloader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
}
try {
//这里子进程的main方法被调用，此时，子进程完全从zygote（母体）上脱离出来了
ZygoteInit.invokeStaticMain(cloader, className, mainArgs);
} catch (RuntimeException ex) {
logAndPrintError(newStderr, "Error starting.", ex);
}
}
}
}
同时在ZygoteInit中会预先加载一些类和资源，具体代码在preload方法中：
static void preload() {preloadClasses();
preloadResources();
}
SystemServer的创建
SystemServer作为zygote孵化的第一个dalvik进程，其孵化过程在上面已经进行了描述，但是其和普通进程的启动略有不同，普通进程由Zygote.forkAndSpecialize来启动，而SystemServer由Zygote.forkSystemServer来启动，其次是SystemServer内部多创建了一个socket客户端。关于SystemServer内部的本地socket客户端，本文前面已经说过，外围的Service都是通过SystemServer和zygote交互的，比如要启动一个apk，首先AMS会发起一个新进程的创建请求，在startProcessLocked方法中会调用Process的start方法，其内部会调用startViaZygote方法，而在startViaZygote内部会创建一个本地socket和zygote通信，我们要知道，AMS是在SystemServer进程中创建的，所以说在SystemServer中创建一个本地socket和zygote通信是有道理的。SystemServer的一个很重要的作用是创建各种服务，包括大家常见的WindowManagerService、AlarmManagerService、ActivityManagerService等，然后上层的各种manager通过binder和service进行交互，关于SystemServer创建各种服务的过程以及和binder的交互，请参考我之前写的一篇博客的其中一节，这里就不重复了：各种Manager和Binder服务的对应关系。
系统桌面的启动
当SystemServer创建各种服务完毕后，其中的一个服务ActivityManagerService由于也创建完成，所以其事件回调方法systemReady会被调用，这个方法很长，注意到在这个方法的倒数第二句是mMainStack.resumeTopActivityLocked(null)，它的意思是将桟顶的activity复位，看它的代码final boolean resumeTopActivityLocked(ActivityRecord prev, Bundle options) {
// Find the first activity that is not finishing.
//找到桟顶的activity记录
ActivityRecord next = topRunningActivityLocked(null);
// Remember how we'll process this pause/resume situation, and ensure
// that the state is reset however we wind up proceeding.
final boolean userLeaving = mUserLeaving;
mUserLeaving = false;
//由于系统刚启动，桟顶肯定没有activity，所以next为null
if (next == null) {
// There are no more activities! Let's just start up the
// Launcher...
if (mMainStack) {
ActivityOptions.abort(options);
//程序执行到这里，桌面就会被调起来
return mService.startHomeActivityLocked(mCurrentUser);
}
}
...此处省略
}
最后看看桌面是如何被调起来的：
boolean startHomeActivityLocked(int userId) {
if (mHeadless) {
// Added because none of the other calls to ensureBootCompleted seem to fire
// when running headless.
ensureBootCompleted();
return false;
}
if (mFactoryTest == SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL
&& mTopAction == null) {
// We are running in factory test mode, but unable to find
// the factory test app, so just sit around displaying the
// error message and don't try to start anything.
return false;
}
Intent intent = new Intent(
mTopAction,
mTopData != null ? Uri.parse(mTopData) : null);
intent.setComponent(mTopComponent);
if (mFactoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) {
//其实就是为intent加上CATEGORY_HOME这个Category，接着就发送隐式intent来调起所有满足条件的桌面
//这也是第三方桌面存在的价值
intent.addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);
}
ActivityInfo aInfo =
resolveActivityInfo(intent, STOCK_PM_FLAGS, userId);
if (aInfo != null) {
intent.setComponent(new ComponentName(
aInfo.applicationInfo.packageName, aInfo.name));
// Don't do this if the home app is currently being
// instrumented.
aInfo = new ActivityInfo(aInfo);
aInfo.applicationInfo = getAppInfoForUser(aInfo.applicationInfo, userId);
ProcessRecord app = getProcessRecordLocked(aInfo.processName,
aInfo.applicationInfo.uid);
if (app == null || app.instrumentationClass == null) {
intent.setFlags(intent.getFlags() | Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK);
//这里启动桌面activity，到此为止，桌面被启动了，我们就可以认为手机开机完成了
mMainStack.startActivityLocked(null, intent, null, aInfo,
null, null, 0, 0, 0, null, 0, null, false, null);
}
}
return true;
}
到此为止，桌面已经启动了，也就意味着手机的开机启动过程已经完成，后续我们就可以通过桌面来启动各个应用了，根据本文的介绍，我们已经知道apk启动时dalvik进程的创建过程，关于单个activity的启动过程，请参看我之前写的另一篇文章Android源码分析-Activity的启动过程。到此为止，本文结束了，相信大家对Android系统的开机启动过程应该有了一个感性的认识了。