Android init源代码分析（1）概要分析

功能概述

init进程是Android内核启动的第一个进程，其进程号（pid）为1，是Android系统所有进程的祖先，因此它肩负着系统启动的重要责任。Android的init源代码位于system/core/init/目录下，伴随Android系统多个版本的迭代，init源代码也几经重构。

目前Android4.4源代码中，init目录编译后生成如下Android系统的三个文件，分别是

• /init
• /sbin/ueventd-->/init
  
• /sbin/watchdogd-->/init

其中ueventd与wathdogd均是指向/init的软链接。（具体实现请阅读init/Android.mk）。
在Android系统早期版本（2.2之前）只有init进程，Android2.2中将创建设备驱动节点文件功能独立到ueventd进程完成，在Android4.1中则添加了watchdogd。

/init主要完成三大功能：

1. 解析init.rc初始化Android属性系统，并维护属性服务
2. 初始化Android属性系统，并维护属性服务
   
3. 处理子进程启动、停止、重启动

/ueventd用于创建设备驱动节点。

/watchdogd 是看门狗服务进程。

代码分析

分析代码当先抓住主干，了解其大致结构与流程，再逐块深入，分析其实现细节。这样先大局再细节的方法可以让我们在阅读代码时保持头脑的清醒，切忌不可在没有对整体流程了解的情况下深入细节，那很容易导致我们迷失在代码森林中。

接下来分析init.c的main函数。为了方便分析，将main函数代码做了精简，代码如下。

int main(int argc, char **argv)
{
    //<part 1>
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd"))
        return ueventd_main(argc, argv);
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd"))
        return watchdogd_main(argc, argv);
   
    //<part2>
    umask(0);
    mkdir("/dev", 0755);
    mkdir("/proc", 0755);
    mkdir("/sys", 0755);
    mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
    mkdir("/dev/pts", 0755);
    mkdir("/dev/socket", 0755);
    mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
    mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
    ....
    open_devnull_stdio();
    klog_init();
    property_init();
    ....
    //<part3>
    INFO("reading config file\n");
    init_parse_config_file("/init.rc");
    ...
    action_for_each_trigger("early-init", action_add_queue_tail);
    ....
    queue_builtin_action(queue_property_triggers_action, "queue_property_triggers");
   
    //<part4>
    for(;;) {
        ...
        execute_one_command();
        restart_processes();
        ....
        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();
            }
        }
    }
    return 0;
}

将main函数分为上述4个部分，对应part1到part4，下面分别做具体说明。

代码<part1>

通过命令行判断argv[0]的字符串内容，来区分当前程序是init，ueventd或是watchdogd。
C程序的main函数原型为 main(int argc, char* argv[]), ueventd以及watchdogd的启动都在init.rc中描述，由init进程解析后执行fork、exec启动，因此其入口参数的构造在init代码中，将在init.rc解析时分析。此时我们只需要直到argv[0]中将存储可执行文件的名字。

代码<part2>

umaks(0)用于设定当前进程（即/init）的文件模型创建掩码（file mode creation mask），注意这里的文件是广泛意义上的文件，包括普通文件、目录、链接文件、设备节点等。

PS. 以上解释摘自umask的mannual，可在linux系统中执行man 3 umask查看。

Linux C库中mkdir与open的函数运行如下。
int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

Linux内核给每一个进程都设定了一个掩码，当程序调用open、mkdir等函数创建文件或目录时，传入open的mode会现在掩码做运算，得到的文件mode，才是文件真正的mode。
譬如要创建一个目录，并设定它的文件权限为0777，

mkdir("testdir", 0777)

但实际上写入的文件权限却未必是777，因为mkdir系统调用在创建testdir时，会将0777与当前进程的掩码（称为umask）运算，具体运算方法为 0777&~umask作为testdir的真正权限。因此上述init中首先调用umask(0)将进程掩码清0，这样调用open/mkdir等函数创建文件或目录时，传入的mode就会作为实际的值写入文件系统。

接下来创建目录，并挂载内核文件系统，它们是

• tmpfs，虚拟内存文件系统，该文件系统被挂载到/dev目录下，主要存放设备节点文件，用户进程通过访问/dev目录下的设备节点文件可以与硬件驱动程序交互。
• devpts，一种虚拟终端文件系统
  
• proc，虚拟文件系统，被挂载到/proc目录下，通过该文件系统可与内核数据结构交互，查看以及设定内核参数。
• sysfs，虚拟文件系统，被挂载到/sys目录下，它与proc类似，是2.6内核在吸收了proc文件系统的设计经验和教训的基础上所实现的一种较新的文件系统，为内核提供了统一的设备驱动模型。（引用：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-sysfs/index.html）

代码<part2>随后的代码如下。

    open_devnull_stdio();
    klog_init();
    property_init();

    get_hardware_name(hardware, &revision);

    process_kernel_cmdline();

    union selinux_callback cb;
    cb.func_log = log_callback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_LOG, cb);

    cb.func_audit = audit_callback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);

    selinux_initialize();
    /* These directories were necessarily created before initial policy load
     * and therefore need their security context restored to the proper value.
     * This must happen before /dev is populatedproperty_init(); by ueventd.
     */
    restorecon("/dev");
    restorecon("/dev/socket");
    restorecon("/dev/__properties__");
    restorecon_recursive("/sys");

    is_charger = !strcmp(bootmode, "charger");

    INFO("property init\n");
    property_load_boot_defaults();

open_devnull_stdio()

该函数名字暗示将init进程的stido，包括stdin（标准输入，文件描述符为0）、stdout（标准输出，文件描述符为1）以及stderr（标准错误，文件描述符号为2），全部重定向/dev/null设备，但是细心的读者可能会有疑问，在代码<part2>中虽然挂载了tmpfs文件系统到/dev目录下，但是并未创建任何设备节点文件，/dev/null此时并不存在啊，如何才能将stdio重定向到null设备中呢？带着疑问我们来分析该函数实现。

void open_devnull_stdio(void)
{
    int fd;
    static const char *name = "/dev/__null__";
    if (mknod(name, S_IFCHR | 0600, (1 << 8) | 3) == 0) {
        fd = open(name, O_RDWR);
        unlink(name);
        if (fd >= 0) {
            dup2(fd, 0);
            dup2(fd, 1);
            dup2(fd, 2);
            if (fd > 2) {
                close(fd);
            }
            return;
        }
    }

    exit(1);
}

该函数中通过mknode函数创建/dev/__null__设备节点文件，随后打开该文件得到文件描述符fd，然后利用dup2系统调用将文件描述符0、1、2绑定到fd上。这个/dev/__null__看起来很奇怪，Linux系统中的null不是/dev/null么，这两者有什么关系么？
在Linux内核为设备节点文件分别了一个主、次设备号，内核实际以这两个设备号来标识某个设备驱动，而并不以文件名作为标识。mknod系统调用创建设备节点文件，其第三个参数的高8位为主设备号，低8位次设备号。可见/dev/__null__的主次设备号分别是1、3。它是否就是/dev/null呢？我们需要深入内核去确认这一点。
kernel/Documentation/devices.txt 中存在如下片段

    1 char    Memory devices
            1 = /dev/mem      Physical memory access
            2 = /dev/kmem     Kernel virtual memory access
            3 = /dev/null     Null device
            4 = /dev/port     I/O port access
            5 = /dev/zero     Null byte source
            6 = /dev/core     OBSOLETE - replaced by /proc/kcore
            7 = /dev/full     Returns ENOSPC on write
            8 = /dev/random   Nondeterministic random number gen.
            9 = /dev/urandom  Faster, less secure random number gen.
           10 = /dev/aio      Asynchronous I/O notification interface
           11 = /dev/kmsg     Writes to this come out as printk's
           12 = /dev/oldmem   Used by crashdump kernels to access
                      the memory of the kernel that crashed.

可见/dev/__null__与/dev/null的设备号完全相同，它就是/dev/null的马甲。那么为什么init进程不直接创建/dev/null呢？ 当前我们还无法回答这个问题，要等到分析/sbin/uevnted的原理时才能明白。
还有一个疑问，为什么要将stdio重定向/dev/__null__设备呢？这是因为此时Anrdoid系统上处于启动的早期阶段，可用于接收init进程标准输出、标准错误的设备节点还不存在。因此init进程一不做二不休，直接把它们重定向到/dev/__nulll__了。
当我们学习C语言时，第一个helloworld程序是通过printf打印的，我们知道它通过标准输出打印到终端上。printf也是我们广大程序员最喜爱的调试方法之一。现在标准输出被重定向到null设备了，如果我们想在init中添加打印语句，怎么办呢？带着这样的担忧，我们继续分析代码。

klog_init()

随后klog_init()显然是在暗示我们，虽然标准输出没了，但是还有方法打印log的。带着欣喜又好奇的心情，让我们看看klog_init是如何实现的。

void klog_init(void)
{
    static const char *name = "/dev/__kmsg__";

    if (klog_fd >= 0) return; /* Already initialized */

    if (mknod(name, S_IFCHR | 0600, (1 << 8) | 11) == 0) {
        klog_fd = open(name, O_WRONLY);
        if (klog_fd < 0)
                return;
        fcntl(klog_fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
        unlink(name);
    }
}

klog_init函数首先检查klog_fd是否已经初始化。首次执行时，调用mknod创建主设备号为1，从设备号为11的设备节点文件/dev/__kmsg__，然后打开该文件将文件描述符保存到变量klog_fd中，接着调用fcntl(klog_fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC)句作用是设置当执行execv时，关闭该文件描述符。随后调用unlink来删除/dev/__kmsg__文件，这里比较特殊，具体解释下。

当open某个文件却还没有close它时，调用unlink并不能删除该文件，该文件将在调用close后被删除。对内核来说，当调用open打开一个文件，内核维护对应该文件的数据结构，其中存在一个变量维护当前文件的引用计数，该数据结构在用户空间即对应文件描述符。第一次open后，引用计数为1，调用open将使引用计数加1, 调用close将使得引用计数减1。当调用unlink系统调用时，若文件引用计数非0，则内核并不会立刻删除该文件，内核会在每次close该文件时检查引用计数，若为0时将真正删除文件。

P.S.根据unlink的mannul，（man 2 unlink)，其中写道：
If the name was the last link to a file but any processes still have the file open the  file  will  remain  in existence until the last file descriptor referring to it is closed.

/dev/__kmsg__文件与/dev/kmsg的设备节点完全相同，前者同样是后者的马甲。该设备驱动节点是内核日志文件，内核调用printk函数打印的log可以通过该设备节点访问，向该文件中写入则等同于执行内核printk。该文件的内容可通Linux系统标准程序dmesg读取，Android系统也提供了dmesg命令。

klog.c文件代码较少，在此一并分析

static int klog_level = KLOG_DEFAULT_LEVEL;
int klog_get_level(void) {
    return klog_level;
}
void klog_set_level(int level) {
    klog_level = level;
}
#define LOG_BUF_MAX 512
void klog_vwrite(int level, const char *fmt, va_list ap)
{
    char buf[LOG_BUF_MAX];

    if (level > klog_level) return;
    if (klog_fd < 0) klog_init();
    if (klog_fd < 0) return;

    vsnprintf(buf, LOG_BUF_MAX, fmt, ap);
    buf[LOG_BUF_MAX - 1] = 0;

    write(klog_fd, buf, strlen(buf));
}

void klog_write(int level, const char *fmt, ...)
{
    va_list ap;
    va_start(ap, fmt);
    klog_vwrite(level, fmt, ap);
    va_end(ap);
}

klog_write调用klog_vwrite函数可用于向/dev/__kmesg__中写入日志，第一个参数是当前log的级别，如果当前level大于klog_leve则直接返回，即无法将log写入/dev/__kmesg__中。此外，提供了两个函数klog_set_level与klog_get_level分别用于设置和读取当前的klog_level，默认level为KLOG_DEFAULT_LEVEL，在klog.h中定义。

klog.h

#define KLOG_ERROR_LEVEL   3
#define KLOG_WARNING_LEVEL 4
#define KLOG_NOTICE_LEVEL  5
#define KLOG_INFO_LEVEL    6
#define KLOG_DEBUG_LEVEL   7

#define KLOG_ERROR(tag,x...)   klog_write(KLOG_ERROR_LEVEL, "<3>" tag ": " x)
#define KLOG_WARNING(tag,x...) klog_write(KLOG_WARNING_LEVEL, "<4>" tag ": " x)
#define KLOG_NOTICE(tag,x...)  klog_write(KLOG_NOTICE_LEVEL, "<5>" tag ": " x)
#define KLOG_INFO(tag,x...)    klog_write(KLOG_INFO_LEVEL, "<6>" tag ": " x)
#define KLOG_DEBUG(tag,x...)   klog_write(KLOG_DEBUG_LEVEL, "<7>" tag ": " x)

 #define KLOG_DEFAULT_LEVEL  3  /* messages <= this level are logged */

可见默认级别为3，即KLOG_ERROR_LEVEL，只有调用KLOG_ERROR才能被输出到/dev/__kmesg__中。

property_init();

这一句用来初始化Android的属性系统，将在init之属性系统中专门介绍。

get_hardware_name

get_hardware_name(hardware, &revision)通过读取/proc/cpuinfo文件获取硬件信息，以笔者的山寨机为例，该文件内容如下。

shell@android:/ $ cat /proc/cpuinfo                                        
Processor       : ARMv7 Processor rev 1 (v7l)
processor       : 0
BogoMIPS        : 348.76

processor       : 1
BogoMIPS        : 348.76

processor       : 2
BogoMIPS        : 348.76

processor       : 3
BogoMIPS        : 348.76

Features        : swp half thumb fastmult vfp edsp thumbee neon vfpv3 tls vfpv4
CPU implementer : 0x41
CPU architecture: 7
CPU variant     : 0x0
CPU part        : 0xc05
CPU revision    : 1

Hardware        : QRD MSM8625Q SKUD
Revision        : 0000
Serial          : 0000000000000000

get_hardware_name函数读取该文件，将Hardware字段的值填入hardware数组中，将Revision字段的值转换为16进制数字填入revision变量中。

process_kernel_cmdline

接下来init程序调用函数process_kernel_cmdline解析内核启动参数。内核通常由bootloader（启动引导程序）加载启动，目前广泛使用的bootloader大都基于u-boot定制。内核允许bootloader启动自己时传递参数。在内核启动完毕之后，启动参数可通过/proc/cmdline查看。

例如android4.4模拟器启动后，查看其内核启动参数，如下

root@generic:/ # cat /proc/cmdline                                            

qemu.gles=0 qemu=1 console=ttyS0 android.qemud=ttyS1 android.checkjni=1 ndns=1

static void process_kernel_cmdline(void)
{
    /* don't expose the raw commandline to nonpriv processes */
    chmod("/proc/cmdline", 0440);

    /* first pass does the common stuff, and finds if we are in qemu.
     * second pass is only necessary for qemu to export all kernel params
     * as props.
     */
    import_kernel_cmdline(0, import_kernel_nv);
    if (qemu[0])
        import_kernel_cmdline(1, import_kernel_nv);

    /* now propogate the info given on command line to internal variables
     * used by init as well as the current required properties
     */
    export_kernel_boot_props();
}

首先修改/proc/cmdline文件权限，0440即表明只有root用户或root组用户可以读写该文件，其他用户无法访问。随后连续调用import_kernel_cmdline函数，第一个参数标识当前Android设备是否是模拟器，第二个参数一个函数指针。

import_kernel_cmdline函数将/proc/cmdline内容读入到内部缓冲区中，并将cmdline内容的以空格拆分成小段字符串，依次传递给import_kernel_nv函数处理。以前面/proc/cmdline的输出为例子，该字符串共可以拆分成以下几段

qemu.gles=0
qemu=1
console=ttyS0
android.qemud=ttyS1
android.checkjni=1
ndns=1

因此在import_kernel_nv将会被连续调用6次，依次传入上述字符串。函数实现如下：

import_kernel_nv

static void import_kernel_nv(char *name, int for_emulator)
{
    char *value = strchr(name, '=');
    int name_len = strlen(name);

    if (value == 0) return;
    *value++ = 0;
    if (name_len == 0) return;

    if (for_emulator) {
        /* in the emulator, export any kernel option with the
         * ro.kernel. prefix */
        char buff[PROP_NAME_MAX];
        int len = snprintf( buff, sizeof(buff), "ro.kernel.%s", name );

        if (len < (int)sizeof(buff))
            property_set( buff, value );
        return;
    }

    if (!strcmp(name,"qemu")) {
        strlcpy(qemu, value, sizeof(qemu));
    } else if (!strncmp(name, "androidboot.", 12) && name_len > 12) {
        const char *boot_prop_name = name + 12;
        char prop[PROP_NAME_MAX];
        int cnt;

        cnt = snprintf(prop, sizeof(prop), "ro.boot.%s", boot_prop_name);
        if (cnt < PROP_NAME_MAX)
            property_set(prop, value);
    }
}

import_kernel_cmdline第一次执行时，传入import_kernel_nv的形式参数for_emulator为 0,，因此将匹配name是否为qemu，如果是，将其值保存到qemu全局静态缓冲区中。对于android模拟器，存在/proc/cmdline中存在“qemu=1”字段。如果for_emulator为1，则将生成ro.kernel.{name}={value}属性写入Android的属性系统中。

此时回到process_kernel_cmdline函数，继续执行

if (qemu[0])
     import_kernel_cmdline(1, import_kernel_nv);

当系统为模拟器时，qemu[0]其值为'1'，第二次执行import_kernel_cmdline，将再次调用6次import_kernel_nv，并且for_emulator为1，因此将生成6个属性，现在来确定以下我们的分析。

root@generic:/ # getprop | grep ro.kernel.                                     
[ro.kernel.android.checkjni]: [1]
[ro.kernel.android.qemud]: [ttyS1]
[ro.kernel.console]: [ttyS0]
[ro.kernel.ndns]: [1]
[ro.kernel.qemu.gles]: [0]
[ro.kernel.qemu]: [1]

可验证我们的分析是正确的。

export_kernel_boot_props()

接下来继续执行process_kernel_cmdline函数的最后一句export_kernel_boot_props。由于该函数实现非常直观，其代码不在详细描述。该函数用于设置几个系统属性，具体包括如下：

读取ro.boot.serialno，若存在其值写入ro.serialno，否则ro.serialno写入空。

读取ro.boot.mode，若存在其值写入ro.bootmode，否则ro.bootmode写入"unkown"

读取ro.boot.baseband，若存在其值写入ro.baseband，否则ro.baseband写入"unkown"

读取ro.boot.bootloader，若存在其值写入ro.bootloader，否则ro.bootloader写入"unkown"

读取ro.boot.console，若存在，其值写入全局缓冲区console中

读取ro.bootmode，若存在，其值保存到全局缓冲区bootmode中
读取ro.boot.hardware，若存在其值写入ro.hardware，否则将/proc/cmdline中解析出来的hardware写入ro.hardware中。

SELinux

    union selinux_callback cb;
    cb.func_log = log_callback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_LOG, cb);

    cb.func_audit = audit_callback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);

    selinux_initialize();
    /* These directories were necessarily created before initial policy load
     * and therefore need their security context restored to the proper value.
     * This must happen before /dev is populated by ueventd.
     */
    restorecon("/dev");
    restorecon("/dev/socket");
    restorecon("/dev/__properties__");
    restorecon_recursive("/sys");

这部分代码是在Android4.1之后添加的，随后伴随Android系统更新不停迭代。这段代码主要涉及SELinux初始化。由于SELinux与Android系统启动关闭不大，暂不分析。

回到init函数<part2>继续分析

    is_charger = !strcmp(bootmode, "charger");

    INFO("property init\n");
    property_load_boot_defaults();

第一句将利用bootmode与字符串"charger"将其保存到is_charger变量中，is_charger非0表明但前Android是以充电模式启动，否则为正常模式。正常启动模式与充电模式需要启动的进程不同的，这两种模式启动具体启动的程序差别将在init.rc解析时介绍。

接下来调用INFO宏打印一条log语句，此宏定义在init/log.h中，其实现如下

#define ERROR(x...)   KLOG_ERROR("init", x)
#define NOTICE(x...)  KLOG_NOTICE("init", x)
#define INFO(x...)    KLOG_INFO("init", x)

显然这是一条level为KLOG_INFO_LEVEL的log语句。它是否能输出到/dev/__kmesg__中跟当前klog level的值有关。默认情况下，klog level为3，这条语句将不会输出到/dev/__kmsg__中。

到这里init.c main函数之<part2>代码分析分析完毕。

接下来<part3>代码涉及init进程核心功能：init.rc解析。这部分代码逻辑我们将在独立文章《Android init源代码分析（2）init.rc解析》中介绍。