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Android小知识-深入浅出Android系统启动流程(下)

本篇文章已授权微信公众号 顾林海 独家发布

Zygote进程启动过程

在Android系统中,所有的应用程序及系统服务SystemServer进程都由Zygote进程通过Linux的for()函数孵化出来的,因此我们称Zygote是孵化器。

在前面知道了init启动Zygote的相关操作在app_main.cpp的main函数中的,代码如下:

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.");
    }
}
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main函数中通过前面的if条件判断语句来区分当前运行在哪个进程,如果是Zygote进程,就会在注释1处将zygote赋值为true,同时执行注释2处的runtime的start函数。

Zygote进程孵化子进程是通过自己的资源复制一份,来fork一个新的子进程,也就是说子进程进入这个文件的main函数,因此,这里的main函数被调用并不只是Zygote启动的时候调用。既然子进程启动的时候同样被调用,那么怎么区分是被Zygote进程本身调用的还是它的子进程调用的呢?这里就通过zygote这个变量来区分,如果是Zygote进程本身,变量zygote为true,否则就会进入到下面的else if里,代表子进程启动。

runtime是一个AppRuntime对象,AppRuntime类继承AndroidRuntime类,因此前面调用的是AndroidRuntime的start函数,代码如下所示:

//路径:/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    ...
    /* start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    //启动Java虚拟机
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);

    //注册JNI方法
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }

    ...
    //注释1
    classNameStr = env->NewStringUTF(className);
    assert(classNameStr != NULL);
    env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);

    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
        jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());
        assert(optionsStr != NULL);
        env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);
    }

    //将className中的“.”替换成“/”
    //注释2
    char* slashClassName = toSlashClassName(className);
    //注释3
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ...
    } else {
        //注释4
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
           ...
        } else {
            //注释5
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

#if 0
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);
#endif
        }
    }
    ...
}
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AndroidRuntime的start函数主要做了以下几件事:

  • 通过startVm函数启动Java虚拟机。
  • 通过startReg函数注册JNI方法。
  • 调用com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数。

其中注释1处的传递过来的className值是com.android.internal.os.ZygoteInit,在注释2处将className中的“.”全部替换为“/”,替换后的值是com/android/internal/os/ZygoteInit,在注释3处获取ZygoteInit类,在注释4处获取ZygoteInit的main方法,最后在注释5处通过JNI调用ZygoteInit的main方法,至此我们进入Java框架层。

ZygoteInit类的main方法如下所示:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    public static void main(String argv[]) {
        ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();

        ...

        try {
            ...
            //注释1
            zygoteServer.registerServerSocket(socketName);

            if (!enableLazyPreload) {
                ...
                //注释2
                preload(bootTimingsTraceLog);
                ...
            } else {
                Zygote.resetNicePriority();
            }

            ...
            //注释3
            if (startSystemServer) {
                startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
            }

            //注释4
            zygoteServer.runSelectLoop(abiList);

            zygoteServer.closeServerSocket();
        } catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
            caller.run();
        } catch (Throwable ex) {
            Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
            zygoteServer.closeServerSocket();
            throw ex;
        }
    }
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ZygoteInit的main方法中,注释1处通过registerServerSocket方法创建一个Zygote的Socket接口用来和AMS通信。查看registerServerSocket方法:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java
    void registerServerSocket(String socketName) {
        if (mServerSocket == null) {
            ...

            try {
                ...
                //注释1
                mServerSocket = new LocalServerSocket(fd);
            } catch (IOException ex) {
                throw new RuntimeException(
                        "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
            }
        }
    }
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注释1处创建了一个Java层的LocalServerSocket对象ServerSocket,用于等待创建新的应用程序进程请求连接。

ZygoteInit的main方法中,注释2处通过preload方法预加载类和资源,如果系统不预加载类和资源,每次启动一个应用程序都会去加载这些类和资源,那么启动应用程序的时间就会很长。

ZygoteInit的main方法中,注释3处通过startSystemServer方法启动SystemServer进程。查看startSystemServer方法:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName, ZygoteServer zygoteServer)
            throws Zygote.MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
        ...
        //注释1
        String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--nice-name=system_server",
            "--runtime-args",
            "com.android.server.SystemServer",
        };
        ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

        int pid;

        try {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
            ...
            //注释2
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

        //注释3
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }

            zygoteServer.closeServerSocket();
            //注释4
            handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return true;
    }
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注释1处args数组保存的是SystemServer的启动参数,最后封装成Arguments对象,在注释2处通过Zygote的forkSystemServer方法创建子进程,该方法内部会调用nativeForkSystemServer这个Native方法,nativeForkSystemServer方法最终通过fork函数创建一个子进程。在注释3处,判断pid是否等于0,如果等于0,说明当前的代码运行在新创建的子进程中,最后通过注释4处的handleSystemServerProcess方法启动SystemServer进程。

ZygoteInit的main方法中,注释4处调用runSlectLoop方法,通过前面创建的Socket接口,进入一个无限循环,等待核心服务ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程。查看runSlectLoop方法:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java
    void runSelectLoop(String abiList) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
        ...

        while (true) {
            StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
            for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
                pollFds[i] = new StructPollfd();
                pollFds[i].fd = fds.get(i);
                pollFds[i].events = (short) POLLIN;
            }
            try {
                Os.poll(pollFds, -1);
            } catch (ErrnoException ex) {
                throw new RuntimeException("poll failed", ex);
            }
            for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
                if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                    continue;
                }
                //注释1处
                if (i == 0) {
                    ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                    peers.add(newPeer);
                    fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
                } else {
                    boolean done = peers.get(i).runOnce(this);
                    if (done) {
                        peers.remove(i);
                        fds.remove(i);
                    }
                }
            }
        }
    }
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在注释1处,如果i==0,说明Zygote的Socket服务还没准备好,接下来通过acceptCommandPeer方法得到ZygoteConnection对象,并添加到Socket连接列表peers中,同时将这个ZygoteConnection的fd添加到fd列表fds中,以便可以接收到AMS发送过来的请求。如果i!=0,说明正在等待客户端来连接服务端的Socket,当AMS向Zygote进程发送一个创建应用程序进程的请求时,就会调用ZygoteConnection的runOnce()函数来创建应用程序进程的请求,成功创建后从Socket连接列表peers和fd列表中清除这个连接。

SystemServer进程

SystemServer进程主要用于创建系统服务,比如AMS、WMS和PMS都是由它来创建的,SystemServer进程与普通的应用程序进程运行在不同的进程里面,应用进程调用的API,很多都是通过Binder机制调用到SystemServer进程中对应的服务上的。

在ZygoteInit的main函数中通过startSystemServer函数来启动SystemServer进程。查看startSystemServer方法:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName, ZygoteServer zygoteServer)
            throws Zygote.MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
        ...
        //注释1
        String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--nice-name=system_server",
            "--runtime-args",
            "com.android.server.SystemServer",
        };
        ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

        int pid;

        try {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
            ...
            //注释2
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

        //注释3
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }
            //注释5
            zygoteServer.closeServerSocket();
            //注释4
            handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return true;
    }
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这段代码在上面已经介绍过,最后通过handleSystemServerProcess方法启动SystemServer进程,由于SystemServer是Zygote进程fork出来的,SystemServer进程也有一份Socket,但这个Socket对SystemServer进程没有什么用处,因此通过注释5处关闭这个Socket。handleSystemServerProcess方法的代码如下所示:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    private static void handleSystemServerProcess(
            ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
            throws Zygote.MethodAndArgsCaller {

        ...
        if (systemServerClasspath != null) {
            ...
        } else {
            ...
            //注释1
            ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
        }

    }
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在注释1处调用了ZygoteInit的zygoteInit方法,代码如下所示:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
            ClassLoader classLoader) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
        ...
        //注释1
        ZygoteInit.nativeZygoteInit();
        //注释2
        RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
    }

    private static final native void nativeZygoteInit();
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在注释1处调用nativeZygoteInit方法来创建Binder线程池。注释2处调用RuntimeInit的applicationInit方法,代码如下所示:

    //路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java
    protected static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
        ...
        invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
    }
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applicationInit方法中调用了invokeStaticMain方法,如下所示:

    //路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java
    private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
        Class<?> cl;

        try {
            //注释1
            cl = Class.forName(className, true, classLoader);
        } catch (ClassNotFoundException ex) {
            ...
        }

        Method m;
        try {
            //注释2
            m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
        } catch (NoSuchMethodException ex) {
           ...
        } catch (SecurityException ex) {
           ...
        }

        ...
        //注释3
        throw new Zygote.MethodAndArgsCaller(m, argv);
    }
复制代码

在注释1处通过反射获取SystemServer类,这里的className值是com.android.server.SystemServer,从前面ZygoteInit的startSystemServer方法中可以发现,代码如下所示:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName, ZygoteServer zygoteServer)
            throws Zygote.MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
        ...
        //注释1
        String args[] = {
            ...
            "com.android.server.SystemServer",
        };
        ...
        return true;
    }
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在传入的参数中可以看到传入的classname是com.android.server.SystemServer。

继续回到invokeStaticMain方法中,在注释2处获取SystemServer的main方法,最后在注释3处抛出一个异常对象Zgote.MethodAndArgsCaller,使用这种方式是为了清理堆栈,这样之后就会让加载SystemServer类的main方法觉得自己是进程的入口。

接下来看ZygoteInit的main函数捕获这个异常:

    //路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    public static void main(String argv[]) {
        ...
        try{
        } catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
            //注释1
            caller.run();
        } catch (Throwable ex) {
            ...
        }
        ...
    }
复制代码

注释1处捕获到Zygote.MethodAndArgsCaller异常后,调用它的run方法:

//路径:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/Zygote.java
 public final class Zygote { 
    ...
    public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
            implements Runnable {
        /** method to call */
        private final Method mMethod;

        /** argument array */
        private final String[] mArgs;

        public MethodAndArgsCaller(Method method, String[] args) {
            mMethod = method;
            mArgs = args;
        }

        public void run() {
            try {
                //注释1
                mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
            } catch (IllegalAccessException ex) {
                throw new RuntimeException(ex);
            } catch (InvocationTargetException ex) {
                Throwable cause = ex.getCause();
                if (cause instanceof RuntimeException) {
                    throw (RuntimeException) cause;
                } else if (cause instanceof Error) {
                    throw (Error) cause;
                }
                throw new RuntimeException(ex);
            }
        }
    }
}
复制代码

MethodAndArgsCaller中的成员变量mMethod,这里指的就是SystemServer的main方法,在注释1处通过反射执行SystemServer的main方法。

进入SystemServer的main方法中:

    //路径:/frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java
    public static void main(String[] args) {
        new SystemServer().run();
    }
复制代码

main方法中调用了SystemServer的run方法:

//路径:/frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java
private void run() {
        try {

            ...
            //创建消息Looper
            Looper.prepareMainLooper();
            //加载动态库libandroid_servers.so
            System.loadLibrary("android_servers");
            ...
            //创建系统的Context
            createSystemContext();
            //创建SystemServiceManager
            mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
            mSystemServiceManager.setRuntimeRestarted(mRuntimeRestart);
            //保存SystemServiceManager
            LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);
            //创建系统服务用的线程池
            SystemServerInitThreadPool.get();
        } finally {
            traceEnd();  // InitBeforeStartServices
        }

        //开启服务
        try {
            traceBeginAndSlog("StartServices");
            //启动引导服务
            startBootstrapServices();
            //启动核心服务
            startCoreServices();
            //启动其他服务
            startOtherServices();
            SystemServerInitThreadPool.shutdown();
        } catch (Throwable ex) {
            Slog.e("System", "******************************************");
            Slog.e("System", "************ Failure starting system services", ex);
            throw ex;
        } finally {
            traceEnd();
        }
        ...
        Looper.loop();
        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }
复制代码

run方法中最重要的就是SystemServerManager,它的作用是用来对系统的服务进行创建、启动和生命周期管理,创建完SystemServerManager对象后,在后面的三个启动服务方法中会通过SystemServerManager来启动服务,startBootstrapServices方法是用于启动引导服务,引导服务包括ActivityManagerService、PowerManagerService、PackageManagerService、DeviceIdentifiersPolicyService等服务;startCoreServices方法用于启动核心服务,核心服务包括DropBoxManagerService、BatteryService、UsageStatsService以及WebViewUpdateService;startOtherServices方法用于启动其他服务,其他服务包括KeyChainSystemService、TelecomLoaderService、CameraService、AlarmManagerService等服务。

在启动其他服务中会通过ActivityManagerService的systemReady方法来启动Launcher。


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