Android Framework启动流程分析
一、Linux内核启动
1、装载引导程序bootloader
Linux内核启动时首先装载执行bootloader引导程序，装载完成后进入内核程序。
2、加载Linux内核
Linux内核加载主要包括初始化kernel核心（内存初始化，打开中断，初始化进程表等）、初始化驱动、启动内核后台（daemons)线程、安装根（root)文件系统等。
Linux加载的最后阶段启动执行第一个用户级进程init（内核引导参数上一般都会设置“init=/init”，由kernel自动执行，PID为1，是所有进程的父进程）。由此进入Android框架的启动阶段。
二、Android框架启动
Android框架的启动始于init进程，这个阶段也是本文要重点讲解的。启动过程可以分为以下几个主要的阶段：
1、init进程启动
2、init.rc脚本启动
3、zygote服务启动
4、System Server进程启动
5、Home应用启动
下图示出了Android Framework框架的启动流程：
注：图片来源：http://yelinsen.iteye.com/blog/1017352
1、init进程启动
init进程是Android系统的入口，它会以后台进程（daemon）的形式一直存在。该进程的程序源码在目录system/core/init中，入口函数是init.c:main()。主要有如下功能：1）创建/安装设备文件/进程文件/系统文件节点；
2）解析init.rc和init.hardware.rc；
3）启动脚本中指定的服务，执行指定的命令或动作；
4）作为守护进程循环检查是否有action需要执行、是否需要重启某服务等。
详细代码可以参考init.c中入口函数main的实现。
2、init.rc脚本启动
init.rc文件是Android系统的重要配置文件，位于/system/core/rootdir/目录中。主要功能是定义了系统启动时需要执行的一系列action及service：执行特定动作、设置环境变量和属性和执行特定的service。该脚本在init进程的init.c:main函数中解析并启动。代码如下：
init_parse_config_file("/init.rc");
......
get_hardware_name(hardware, &revision);
snprintf(tmp, sizeof(tmp), "/init.%s.rc", hardware);
init_parse_config_file(tmp);
......
for(;;) {
int nr, i, timeout = -1;
execute_one_command();
restart_processes();
if (!property_set_fd_init && get_property_set_fd() > 0) {
ufds[fd_count].fd = get_property_set_fd();
ufds[fd_count].events = POLLIN;
ufds[fd_count].revents = 0;
fd_count++;
property_set_fd_init = 1;
}
if (!signal_fd_init && get_signal_fd() > 0) {
ufds[fd_count].fd = get_signal_fd();
ufds[fd_count].events = POLLIN;
ufds[fd_count].revents = 0;
fd_count++;
signal_fd_init = 1;
}
if (!keychord_fd_init && get_keychord_fd() > 0) {
ufds[fd_count].fd = get_keychord_fd();
ufds[fd_count].events = POLLIN;
ufds[fd_count].revents = 0;
fd_count++;
keychord_fd_init = 1;
}
if (process_needs_restart) {
timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;
if (timeout < 0)
timeout = 0;
}
if (!action_queue_empty() || cur_action)
timeout = 0;
#if BOOTCHART
if (bootchart_count > 0) {
if (timeout < 0 || timeout > BOOTCHART_POLLING_MS)
timeout = BOOTCHART_POLLING_MS;
if (bootchart_step() < 0 || --bootchart_count == 0) {
bootchart_finish();
bootchart_count = 0;
}
}
#endif
nr = poll(ufds, fd_count, timeout);
if (nr <= 0)
continue;
for (i = 0; i < fd_count; i++) {
if (ufds[i].revents == POLLIN) {
if (ufds[i].fd == get_property_set_fd())
handle_property_set_fd();
else if (ufds[i].fd == get_keychord_fd())
handle_keychord();
else if (ufds[i].fd == get_signal_fd())
handle_signal();
}
}
}
需要重点说明的是init.rc脚本文件配置了一些重要的服务，init进程通过创建子进程启动这些服务，这里创建的service都属于native服务，运行在Linux空间，通过socket向上层提供特定的服务，并以守护进程的方式运行在后台。脚本中服务的定义示例如下：
service servicemanager /system/bin/servicemanager
class core
user system
group system
critical
onrestart restart zygote
08 onrestart restart media
service ril-daemon /system/bin/rild
class main
socket rild stream 660 root radio
socket rild-debug stream 660 radio system
user root
group radio cache inet misc audio sdcard_rw log
service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
class main
user system
group graphics
onrestart restart zygote
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
class main
socket zygote stream 666
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart media
onrestart restart netd
service media /system/bin/mediaserver
class main
user media
group audio camera inet net_bt net_bt_admin net_bw_acct drmrpc
ioprio rt 4
通过init.rc脚本系统启动了以下几个重要的服务：
1）servicemanager:启动binder IPC，管理所有的Android系统服务
2）mountd:设备安装Daemon，负责设备安装及状态通知
3）debuggerd:启动debug system，处理调试进程的请求
4）rild:启动radio interface layer daemon服务，处理电话相关的事件和请求
5）mediaserver:启动AudioFlinger,MediaPlayerService and CameraService，负责多媒体播放相关的功能，包括音视频解码、显示输出
6）zygote:进程孵化器，启动Android Java VMRuntime和启动systemserver，负责Android应用进程的孵化工作
3、zygote服务启动
zygote进程孵化了所有的Android应用进程，是Android Framework的基础，该进程的启动也标志着Framework框架初始化启动的开始。zygote服务进程的主要功能：
1）注册底层功能的JNI函数到虚拟机
2）预加载java类和资源
3）fork并启动System Server核心进程
4）作为守护进程监听处理“孵化新进程”的请求
如上面所述，zygote是通过init脚本启动的：
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
class main
socket zygote stream 666
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart media
onrestart restart netd
上面脚本的含义为作为孵化进程（-Xzygote参数)，通过system/bin/app_process启动zygote服务，同时启动SystemServer(--start-system-server参数）进程。该服务对应的可执行文件app_process的源码位于frameworks/base/cmds/app_process。
zygote服务在函数app_main.cpp:main()中启动。该函数的关键代码有两处：1）创建AndroidRuntime对象：
AppRuntime runtime; // android运行空间
2）启动zygote和systemserver：
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer ? "start-system-server" : "");
方法start()代码位于frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中，主要逻辑如下：
---调用startVM创建虚拟机：内部使用以下代码创建vm对象：
if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
LOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
goto bail;
}
---注册底层功能的JNI函数到JNIEnv: startReg()
---调用env->GetStaticMethodID和env->CallStaticVoidMethod()函数运行Java类ZygoteInit的main()
由此可见虚拟机启动后执行的第一个Java类是ZygoteInit.java，并进入ZygoteInit.java:main()函数中。在main函数中实现了以下逻辑：
1）启动服务端Socket端口：
调用registerZygoteSocket()实现，主要用于接受处理创建新进程的请求。
2）预加载指定的java类和资源：
调用preloadClasses()预加载指定的java类，调用preloadResources()预加载指定的Resources。特别说明的是孵化器进程会把这些预先加载的类和资源共享给所有APK应用进程，这样有效的解决了Framework类和资源共享的问题。
3）启动System Server进程：
调用startSystemServer()创建（fork)SystemServer进程。该函数的关键代码有三处：
---设定启动进程的相关信息：比如进程名称、启动后装载的第一个java类
---调用forkSystemServer()从当前的zygote进程孵化出新的进程
---调用函数hanldeSystemServerProcess()关闭从Zygote进程继承过来的Socket，调用RuntimeInit.zygoteInit()启动SystemServer.java:main()函数
4）循环监听孵化新Dalvik进程的请求：
调用runSelectLoopMode()进入无限循环：监听客户端socket连接，根据请求孵化新的应用进程。Process类中保存了客户端socket，并由ActivityManagerService管理该客户端。每当需要启动新的Dalvik应用进程时，ActivityManagerService都会通过该socket客户端与Zygote进程的socket服务端进行通信，请求Zygote孵化出新的进程。
至此,启动zygote服务工作完成，需要说明的是zygote进程即为app_process可执行程序所在进程。
4、System Server进程启动
SystemServer进程在Android的运行环境中扮演了“神经中枢”的作用，Android应用能够直接交互的大部分系统服务都在该进程中运行，如WindowManagerServer、ActivityManagerSystemService、PackageManagerServer等，这些系统服务都是以独立线程的方式存在于SystemServer进程中。System Server进程的主要功能：
1）加载android servers底层函数库
2）启动android系统中的native服务
3）创建、注册并启动Android的系统服务，在独立线程中运行
4）创建Looper消息循环，处理System Server进程中的事件消息
1）加载android_servers函数库
2）启动native服务：
调用本地函数init1()实现，该函数的源码位于文件frameworks/base/services/jni/com_android_server_systemService.cpp中，涉及的函数system_init()实现在文件frameworks/base/cmds/system_server/library/system_init.cpp中。
3）启动Android系统的各种系统服务：
调用函数init2()实现，该函数首先创建了一个ServerThread对象，该对象是一个线程，然后直接运行该线程，如以下代码所示：
public static final void init2() {
Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
Thread thr = new ServerThread();
thr.setName("android.server.ServerThread");
thr.start();
}
从ServerThread的run()方法内部开始真正启动各种服务线程。---创建Android系统服务对象,并注册到ServiceManager
---在SystemServer进程中建立Looper消息循环：通过Looper.prepare和Looper.loop来实现
---系统就绪通知：调用systemReady()通知各个服务
System Server进程启动过程中最核心的一步是“启动Android系统的各种系统服务”，这些系统服务构成了整个Android框架的基础（如图所示），通过Binder IPC为上层应用提供各种功能。介绍下几个重要系统服务的功能。
1）ActivityManagerService
Activity管理服务，主要功能包括：---统一管理和调度各应用程序的Activity，维护系统中运行的所有应用Task和Activity
---内存管理：应用程序关闭时对应进程还在运行，当系统内存不足时根据策略kill掉优先级较低进程
---进程管理：维护和管理系统中运行的所有进程，并提供了查询进程信息的API
---Provider、Service和Broadcast管理和调度
2）WindowManagerService
窗口管理服务，主要功能包括为应用程序分配窗口，并管理这些窗口。包括分配窗口的大小、调节各窗口的叠放次序、隐藏或者显示窗口，程序退出时删除窗口。
3）PackageManagerService
程序包管理服务，主要功能为：---根据intent查找匹配的Activity、Provider以及Service
---进行权限检查，即当应用程序调用某个需要一定权限的函数时，系统能够判断调用者是否具备该权限
---提供安装、删除应用程序的API
4）NotificationManagerService
通知管理服务，负责管理和通知后台事件的发生等，这个和statusbar服务结合在一起，一般会在statusbar上添加响应图标。用户可以通过这知道系统后台发生了什么事情。
5）AudioService
音频管理服务，AudioFlinger的上层管理封装，主要是音量、音效、声道及铃声等的管理。
6）TelephonyRegistry
电话服务管理，用于监听和上报电话状态，包括来电、通话、信号变化等。
到这里，Android Framework的启动已经完成，框架中提供的各种服务也已经就绪，可以正常运行并响应处理应用的各种操作请求。
启动完成后需要启动home应用进入手机主界面，这是下面第5节讲解的。
5、Home应用启动在ServerThread:run()函数的最后调用了ActivityManagerService.self().systemReady方法，该方法实现了如下代码用于启动第一个Activity：
mMainStack.resumeTopActivityLocked(null);
由于系统刚启动时没有任何Activity对象，代码会调用ActivityManagerService:startHomeActivityLocked函数启动Home应用：
Intent intent = new Intent(
mTopAction,
mTopData != null ? Uri.parse(mTopData) : null);
intent.setComponent(mTopComponent);
if (mFactoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) {
intent.addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);
}