Android系统zygote进程启动过程源码分析

一、简介

 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。

zygote，ps中看到的进程名叫zygote，其最初的名字是app_process，通过直接调用pctrl把名字给改成了”zygote”

二、zygote在android中主要有三个作用：

 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。

三、zygote代码组成

在android中提到zygote，主要两块：

一个是C/C++编写的zygote，主要用来为应用和SystemService fork进程的。

/dalvik/vm/native/dalvik_system_Zygote.c 

一个是java编写的zygote接口，负责为应用和service调用C/C++ zygote的接口执行fork，从而创建VM进程。

Zygote系统代码组成及其调用结构：

• Zygote.java
  

                提供访问Dalvik “zygote”的接口。主要是包装Linux系统的Fork，以建立一个新的VM实例进程。

• ZygoteConnection.java
  

                Zygote的套接口连接管理及其参数解析。其他Actvitiy建立进程请求是通过套接口发送命令参数给Zygote。

• ZygoteInit.java
  

                Zygote的main函数入口。

说明：在android中，service主要有NativeService和SystemService。SystemService主要是指系统中service，比如，InputMethodService、ActivityManagerService等。

Zygote系统代码层次调用（frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中）

main()

        registerZygoteSocket();

        startSystemServer()…

        runSelectLoopMode()

                Accept socket connection

                        Conntecion.RunOnce()

                        Read argument

                                folkAndSpecialize

folkAndSpecialize使用Native函数Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkAndSpecialize（/dalvik/vm/native/dalvik_system_Zygote.c ）

五、启动流程

Android系统 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。

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、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。

源码：

/*
 * Main entry of app process.
 * 
 * Starts the interpreted runtime, then starts up the application.
 * 
 */


#define LOG_TAG "appproc"


#include <binder/IPCThreadState.h>
#include <binder/ProcessState.h>
#include <utils/Log.h>
#include <cutils/process_name.h>
#include <cutils/memory.h>
#include <android_runtime/AndroidRuntime.h>


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>


namespace android {


void app_usage()
{
    fprintf(stderr,
        "Usage: app_process [java-options] cmd-dir start-class-name [options]\n");
}


status_t app_init(const char* className, int argc, const char* const argv[])
{
    LOGV("Entered app_init()!\n");


    AndroidRuntime* jr = AndroidRuntime::getRuntime();
    jr->callMain(className, argc, argv);
    
    LOGV("Exiting app_init()!\n");
    return NO_ERROR;
}

//定义AppRuntime类
//继承于AndroidRuntime类， AndroidRuntime类定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

//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getRuntime()函数来获取这个对象的指针
class AppRuntime : public AndroidRuntime
{
public:
    AppRuntime()
        : mParentDir(NULL)
        , mClassName(NULL)
        , mArgC(0)
        , mArgV(NULL)
    {
    }


#if 0
    // this appears to be unused
    const char* getParentDir() const
    {
        return mParentDir;
    }
#endif


    const char* getClassName() const
    {
        return mClassName;
    }


    virtual void onStarted()
    {
        sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
        if (proc->supportsProcesses()) {
            LOGV("App process: starting thread pool.\n");
            proc->startThreadPool();
        }
        
        app_init(mClassName, mArgC, mArgV);


        if (ProcessState::self()->supportsProcesses()) {
            IPCThreadState::self()->stopProcess();
        }
    }


    virtual void onZygoteInit()
    {
        sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
        if (proc->supportsProcesses()) {
            LOGV("App process: starting thread pool.\n");
            proc->startThreadPool();
        }       
    }


    virtual void onExit(int code)
    {
        if (mClassName == NULL) {
            // if zygote
            if (ProcessState::self()->supportsProcesses()) {
                IPCThreadState::self()->stopProcess();
            }
        }


        AndroidRuntime::onExit(code);
    }


    
    const char* mParentDir;
    const char* mClassName;
    int mArgC;
    const char* const* mArgV;
};


}


using namespace android;


/*
 * sets argv0 to as much of newArgv0 as will fit
 */
static void setArgv0(const char *argv0, const char *newArgv0)
{
    strlcpy(const_cast<char *>(argv0), newArgv0, strlen(argv0));
}

//主要做了什么？

//初始化了运行时环境，并且建立虚拟机创建一个AppRuntime变量，然后调用它的start成员函数

//运行再com.android.internal.os.ZygoteInit的main函数
int main(int argc, const char* const argv[])
{

//这几个参数重要，参数都在argv[]里面传进来的

//service   zygote   /system/bin/app_process  -Xzygote  /system/bin    --zygote   --start-system-server

    // 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* 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;
    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);

//改名字为zygote，不知道windows下的怎么改、linux下的可以用pctrl系统调用
        set_process_name(niceName);
    }


    runtime.mParentDir = parentDir;


    if (zygote) {

//在init.rc文件中，设置了app_process（也就是zygote）启动参数--zygote和--start-system-server，最终会执行

//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
        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 {
        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;
    }
}

Step2、frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件

 /*
 * 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)
 {
 //传人参数为："com.android.internal.os.ZygoteInit"和"start-system-server"
     ......

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

     ......

     /* start the virtual machine */
 //启动虚拟机，自己可以进去看它的源码
     if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
         goto bail;

     /*
     * Register android functions.
     */
 //JNI注册，其实就是注册一些JAVA中native函数在C++层对应的实现函数
     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.
     */
 //下面这些话，都是把c++的字符串转成JNI字符串
     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 {

 // 下面调用的就是com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数
         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.frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

 public class ZygoteInit {
     ......

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

             registerZygoteSocket();  //创建了一个socket接口，用来和                            ActivityManagerService通讯

             ......

             ......

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

             ......

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

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

     ......
 }

3.1、registerZygoteSocket函数

 public class ZygoteInit {
     ......

    private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote";
     ......
     /**
     * 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 {
                //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
                 sServerSocket = new LocalServerSocket(
                     createFileDescriptor(fileDesc));
             } catch (IOException ex) {
                 .......
             }
         }
     }

     ......
 }

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,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。

3.2、startSystemServer函数

    SystemServer进程启动参见下一篇《Android系统SystemServer进程启动过程源码分析》

3.3、runSelectLoopMode函数

 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;
 //无限循环，等待ActivityManagerService来连接这个Socket
 //ZygoteInit会监听domain socket “dev/socket/zygote”，以执行framework层指定的fork操作
         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;
 //调用ZygoteConnection.runOnce函数来创建新的应用程序
                 done = peers.get(index).runOnce();

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

     ......
 }