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Android小知识-深入浅出Android系统启动流程(上)

本篇文章已授权微信公众号 顾林海 独家发布

init进程启动过程

Android系统基于Linux,init进程是Android系统中用户空间的第一个进程,进程号为1,init源代码在system/core/init目录下。既然init进程是Android系统用户空间的第一个进程,因此担负着非常重要的责任,主要负责以下两件事:

  1. 解析配置init.rc,然后启动系统各种native进程,比如Zygote进程、SurfaceFlinger进程以及media进程等。

  2. 初始化并启动属性服务。

init进程的入口函数

init的入口函数是main,代码如下所示:

//路径:/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    //注释1
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);
    }
    //注释2
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
        return watchdogd_main(argc, argv);
    }
    //注释3
    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        install_reboot_signal_handlers();
    }

    ...
}
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注释1处判断当前进程是不是ueventd。init进程创建子进程ueventd,并将创建设备节点文件的工作托付给ueventd。ueventd主要是负责设备节点的创建、权限设定等一系列工作。服务通过使用uevent,监控驱动发送的消息,做进一步处理。

ueventd通过两种方式创建设备节点文件。

  1. “冷插拔”(Cold Plug),即以预先定义的设备信息为基础,当ueventd启动后,统一创建设备节点文件。这一类设备节点文件也被称为静态节点文件。

  2. “热插拔”(Hot Plug),即在系统运行中,当有设备插入USB端口时,ueventd就会接收到这一事件,为插入的设备动态创建设备节点文件。这一类设备节点文件也被称为动态节点文件。

注释2处判断当前进程是不是watchdogd。Android系统在长时间的运行下会面临各种软硬件的问题,为了解决这个问题,Android开发了WatchDog类作为软件看门狗来监控SystemServer中的线程,一旦发现问题,WatchDog会杀死SystemServer进程,SystemServer的父进程Zygote接收到SystemServer的死亡信号后,会杀死自己。Zygote进程死亡的信号传递到init进程后,init进程会杀死Zygote进程所有的子进程并重启Zygote。

注释3处判断是否紧急重启,如果是紧急重启,就安装对应的消息处理器。

//路径:/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    //注释1
    add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);
    //注释2
    bool is_first_stage = (getenv("INIT_SECOND_STAGE") == nullptr);

    if (is_first_stage) {
        // 用于记录启动时间
        boot_clock::time_point start_time = boot_clock::now();
        // 清除屏蔽字(file mode creation mask),保证新建的目录的访问权限不受屏蔽字影响
        umask(0);
        // 挂载tmpfs文件系统
        mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
        mkdir("/dev/pts", 0755);
        mkdir("/dev/socket", 0755);
        // 挂载devpts文件系统
        mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
        #define MAKE_STR(x) __STRING(x)
        // 挂载proc文件系统
        mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));
        //8.0新增, 收紧了cmdline目录的权限
        chmod("/proc/cmdline", 0440);
        // 8.0新增,增加了个用户组
        gid_t groups[] = { AID_READPROC };
        setgroups(arraysize(groups), groups);
        // 挂载sysfs文件系统
        mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
        // 8.0新增
        mount("selinuxfs", "/sys/fs/selinux", "selinuxfs", 0, NULL)
        // 提前创建了kmsg设备节点文件,用于输出log信息
        mknod("/dev/kmsg", S_IFCHR | 0600, makedev(1, 11));
        mknod("/dev/random", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 8));
        mknod("/dev/urandom", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 9));
        ...
    }
    ...
}
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注释1处添加环境变量。注释2处获取本次启动是否是系统启动的第一阶段,如果是第一阶段,进入下面的if语句中,创建并挂载相关的文件系统。

以上创建并挂载的五类文件系统分别如下所示:

  • tmpfs:一种虚拟内存文件系统,它会将所有的文件存储在虚拟内存中,如果你将tmpfs文件系统卸载后,那么其下的所有的内容将不复存在。tmpfs既可以使用RAM,也可以使用交换分区,会根据你的实际需要而改变大小。tmpfs的速度非常惊人,毕竟它是驻留在RAM中的,即使用了交换分区,性能仍然非常卓越。由于tmpfs是驻留在RAM的,因此它的内容是不持久的。断电后,tmpfs的内容就消失了,这也是被称作tmpfs的根本原因。

  • devpts:为伪终端提供了一个标准接口,它的标准挂接点是/dev/ pts。只要pty的主复合设备/dev/ptmx被打开,就会在/dev/pts下动态的创建一个新的pty设备文件。

  • proc:一个非常重要的虚拟文件系统,它可以看作是内核内部数据结构的接口,通过它我们可以获得系统的信息,同时也能够在运行时修改特定的内核参数。

  • sysfs:与proc文件系统类似,也是一个不占有任何磁盘空间的虚拟文件系统。它通常被挂接在/sys目录下。sysfs文件系统是Linux2.6内核引入的,它把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的文件,使得它们可以在用户空间存取。

  • selinuxfs:用于支持SELinux的文件系统,SELinux提供了一套规则来编写安全策略文件,这套规则被称之为 SELinux Policy 语言。

//路径:/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (is_first_stage) {
        ...
        //重定向输入输出/内核Log系统
        InitKernelLogging(argv);
        LOG(INFO) << "init first stage started!";
        //挂在一些分区设备
        if (!DoFirstStageMount()) {
            LOG(ERROR) << "Failed to mount required partitions early ...";
            panic();
        }
        //注释1
        SetInitAvbVersionInRecovery();
        //注释2
        selinux_initialize(true);
        ...
    }
    ...
}
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注释1处初始化安全框架AVB(Android Verified Boot),AVB主要用于防止系统文件本身被篡改,还包含了防止系统回滚的功能,以免有人试图回滚系统并利用以前的漏洞。注释2处调用selinux_initialize启动SELinux。

//路径:/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (is_first_stage) {
        ...
    }
    ...
    //注释1
    property_init();  
    ...
    //注释2
    signal_handler_init();
    ...
    //注释3
    start_property_service();
    ...
}
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注释1处通过property_init函数对属性服务进行初始化,注释3通过start_property_service函数启动属性服务。注释2处signal_handler_init设置子进程退出的信号处理函数,当子进程异常退出的时候,init进程会去捕获异常信息,当它捕获到这些异常信息之后,就会调用该函数设置的相应的捕获函数来处理。比如init进程的子进程Zygote死之后,init进程捕获到这些异常信息,就会调用handle_signal()函数去重启Zygote进程。

//路径:/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (is_first_stage) {
        ...
    }
    ...
     if (bootscript.empty()) {
        //注释1
        parser.ParseConfig("/init.rc");
        ...
    } else {
        ...
    }
    ...
    while (true) {
        ...
        ServiceManager::GetInstance().IsWaitingForExec())) {
            //注释2
            am.ExecuteOneCommand();
        }
        if (!(waiting_for_prop || ServiceManager::GetInstance().IsWaitingForExec())) {
            //注释3
            restart_processes();
            ...
        }
        ...
    }    
    return 0;
}
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注释1处解析init.rc配置文件,在注释2处执行子进程对应的命令,也就是执行init.rc文件里配置的命令。在注释3处重启死掉的service。

解析init.rc

在init.rc中使用的语言称为Android Init Language,翻译过来就是“Android初始化语言”,init语言共有五种类型的表达式,分别如下所示:

  • Action:Action中包含了一系列的Command。

  • Command:init语言中的命令。

  • Service:由init进程启动的服务。

  • Option:对服务的配置选项。

  • Import:引入其他配置文件。

Action表达式的语法如下所示:

on <trigger> [&& <trigger>]*
    <command>
    <command>
    <command>
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这里的trigger是Action执行的触发器,当触发器条件满足时,command会被执行。触发器有如下两类:

  • 事件触发器:当指定的事件发生时触发。事件可能由“trigger”命令发出,也可能是init进程通过QueueEventTrigger()函数发出。

  • 属性触发器:当指定的属性满足某个值时触发。

Action中的Command是init语言定义的命令,所有支持的命令如下表:

命令 参数格式 说明
bootchart_init - 启动bootchart
chmod octal-mode path 改变文件的访问权限
chown owner group path 改变文件的拥有者和组
class_start serviceclass 启动指定类别的服务
class_stop serviceclass 停止并“disable”指定类别的服务
class_reset serviceclass 停止指定类别的服务,但是不“disable”它们
copy src dst 复制文件
domainname name 设置域名
enable servicename enable一个被disable的服务
exec [seclabel[user[group]]] -- command [argument]* fork一个子进程来执行指定的命令
export name value 导出环境变量
hostname name 设置host名称
ifup iterface 使网卡在线
insmod path 安装指定路径的模块
load_all_props - 从/system、/vendor等路径载入属性
load_persist_props - 载入持久化的属性
loglevel level 设置内核的日志级别
mkdir path[mode][owner][group] 创建目录
mount_all fstab[path]*[--option] 挂载文件系统并且导入指定的.rc文件
mount typedevicedir[flag]*[options] 挂载一个文件系统
powerctl - 内部实现使用
restart service 重启服务
restorecon path[path]* 设定文件的安全上下文
restorecon_recursive path[path]* restorecon的递归版本
rm path 对于指定路径调用unlink(2)
rmdir path 删除文件夹
setprop namevalue 设置属性值
setrlimit resourcecurmax 指定资源的rlimit
start service 启动服务
stop service 停止服务
swapon_all fstab 在指定文件上调用fs_mgr_swapon_all
symlink targetpath 创建符合链接
sysclktz mins_west_of_gmt 指定系统时钟基准
trigger event 触发一个事件
umount path ummount指定的文件系统
verity_load_state - 内部实现使用
verity_update_state mount_point 内部实现使用
wait path[timeout] 等待某个文件存在直到超时,若存在则直接返回
write pathcontent 写入内容到指定文件

Service是init进程启动的可执行程序,Service表达式的语法如下所示:

service <name> <pathname> [ <argument> ]*    <option>
    <option>
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Option是对服务的修饰,它们影响着init进程如何以及何时启动服务。所有支持的Option入下所示:

Option 参数格式 说明
critical - 标识为系统关键服务,该服务若退出多次将导致系统重启到recovery模式
disabled - 不会随着类别自动启动,必须明确start
setenv name value 为启动的进程设置环境变量
socket nametypeperm[user[group[seclabel]]] 创建UNIX Domain Socket
user username 在执行服务之前切换用户
group groupname[groupname]* 在执行服务之前切换组
seclabel seclabel 在执行服务之前切换seclabel
oneshot - 一次性服务,死亡后不用重启
class name 指定服务的类别
onrestart - 当服务重启时执行命令
writepid file... 写入子进程的pid到指定文件

import是一个关键字,而不是一个命令,可以在.rc文件中通过这个关键字来加载其他的.rc文件,它的语法如下:

import path
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path可以是另一个.rc文件,也可以是一个文件夹。如果是文件夹,那么这个文件夹下面的所有文件都会被导入,但是它不会循环加载子目录中的文件。

启动Zygote

init.rc文件有如下配置代码:

...import /init.${ro.zygote}.rc...on nonencrypted
    class_start main
    class_start late_start...    
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在init.rc文件的开头使用了import类型语句来引入Zygote启动脚本,其中ro.zygote根据不同的内容引入不同的文件,从Android 5.0开始,Android开始支持64位程序,Zygote就有了32位和64位之分,如下图所示:

image

查看init.zygote64.rc的代码如下所示:

service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20    user root    group root readproc
    socket zygote stream 660 root system    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks
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Service用于通知init进程创建名为zygote的进程,这个进程执行程序的路径为/system/bin/app_process64,后面的代码是传递给app_process64的参数,class main指的是Zygote的classname为main。在解析Service类型语句时会将Service对象加入Service链表中。

再回过头看init.rc配置文件:

...import /init.${ro.zygote}.rc...on nonencrypted
    class_start main
    class_start late_start...    
复制代码

class_start是一个command,对应的函数是do_class_start,用于启动classname为main的Service,也就是前面的Zygote,因此class_start main是用来启动Zygote的,do_class_start函数在builtins.cpp中定义,代码如下所示:

//路径:/system/core/init/builtins.cpp
static int do_class_start(const std::vector<std::string>& args) {
        /* Starting a class does not start services
         * which are explicitly disabled.  They must
         * be started individually.
         */
    ServiceManager::GetInstance().
        ForEachServiceInClass(args[1], [] (Service* s) { s->StartIfNotDisabled(); });
    return 0;
}
复制代码

ForEachServiceInClass函数会遍历Service链表,找到classname为main的Zygote,并执行StartIfNotDisabled函数,代码如下所示:

//路径:/system/core/init/service.cpp
bool Service::StartIfNotDisabled() {
    if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
        return Start();
    } else {
        flags_ |= SVC_DISABLED_START;
    }
    return true;
}
复制代码

如果Service没有在其对应的rc文件中设置disabled选项,就会调用Start函数,Start函数如下所示:

//路径:/system/core/init/service.cpp
bool Service::Start() {
    ...
    pid_t pid = -1;
    if (namespace_flags_) {
        pid = clone(nullptr, nullptr, namespace_flags_ | SIGCHLD, nullptr);
    } else {
        //注释1
        pid = fork();
    }

    if (pid == 0) {
        ...
        //注释2
        if (execve(strs[0], (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
            PLOG(ERROR) << "cannot execve('" << strs[0] << "')";
        }
        ...
    }
    ...
}
复制代码

在注释1处通过fork函数创建子进程,并返回pid,如果pid为0说明当前代码逻辑在子线程中运行,接着执行注释2处的execve函数,来启动Service子进程,进入Service的main函数中,如果Service是Zygote,执行程序的路径是/system/bin/app_process64,对应的文件是app_main.cpp,也就是会进入app_main.cpp的main函数中。代码如下所示:

int main(int argc, char* const argv[])
{
    ...
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            //注释1
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } 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.setTo(arg + 12);
        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
            className.setTo(arg);
            break;
        } else {
            --i;
            break;
        }
    }
    ...
    if (zygote) {
        //注释2
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
    }
}
复制代码

在注释1处判断执行命令时是否带了--zygote,如果携带了,zygote赋值为true,接在注释2处判断如果zygote为true,就会通过runtime.start启动com.android.internal.os.ZygoteInit。


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