如何应对Android面试官 -> Android 系统启动流程浅析
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前言
本章节主要分析 Android 系统启动流程；
Android系统启动的大概流程
当我们按下电源键的时候，就会从 Boot Rom 执行代码，就会加载一个 Boot loader 引导程序「此引导程序就会引导用户选择哪个系统启动，如果只有一个系统则直接命中」，Boot loader 就会拉起 Linux Kernel，Linux Kernel 就会从固定位置读取设置的一些参数，根据这些参数来加载驱动。Linux Kernel 通过 syscall 系统调用拉起用户态的第一个进程「init 进程，这个 init 进程会：初始化 Android 的一些属性服务，启动一系列的守护进程，启动 zygote 进程，启动 media server(多媒体相关的服务)」，当 zygote 进程启动之后会孵化出 system_server 进程，这个进程就会开启一系列的服务例如 ActivityManagerService，WindowManagerService，PackageManagerService，PowerManagerService 等等大概80多个服务；当我们通过 launcher 进程启动一个 app 的时候，就会通过zygote 进程 fork 出一个子进程，这个子进程就是我们 app 所在进程；
看到上面的流程，可能大家会有疑问了，为什么不 fork init 进程，不 fork SystemServer 进程呢？带着这些疑问我们继续往下分析；
init 进程分析
我们先来看下 init 进程的启动流程，进入 init.cpp 文件的 main 函数看起;
/*
*
* 1.C++中主函数有两个参数，第一个参数argc表示参数个数，第二个参数是参数列表，也就是具体的参数
*
* 2.init的main函数有两个其它入口，一是参数中有ueventd，进入ueventd_main,二是参数中有watchdogd，进入watchdogd_main
*
*/
int main(int argc, char** argv) {
/*
* 1.strcmp是String的一个函数，比较字符串，相等返回0
* 2.C++中0也可以表示false
* 3.basename是C库中的一个函数，得到特定的路径中的最后一个'/'后面的内容，
* 比如/sdcard/miui_recovery/backup，得到的结果是backup
*/
if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) { //当argv[0]的内容为ueventd时，strcmp的值为0,！strcmp为1, 1表示true，也就执行ueventd_main,ueventd主要是负责设备节点的创建、权限设定等一
些列工作
return ueventd_main(argc, argv);
}
// watchdogd俗称看门狗，用于系统出问题时重启系统
if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
return watchdogd_main(argc, argv);
}
if (argc > 1 && !strcmp(argv[1], "subcontext")) {
InitKernelLogging(argv);
const BuiltinFunctionMap function_map;
return SubcontextMain(argc, argv, &function_map);
}
// 初始化重启系统的处理信号，内部通过 sigaction 注册信号，当监听到该信号时重启系统
if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
InstallRebootSignalHandlers();
}
// 查看是否有环境变量INIT_SECOND_STAGE
bool is_first_stage = (getenv("INIT_SECOND_STAGE") == nullptr);
/*
* 1.init的main方法会执行两次，由is_first_stage控制,first_stage就是第一阶段要做的事
*/
if (is_first_stage) {
boot_clock::time_point start_time = boot_clock::now();
// Clear the umask. 清空文件权限
umask(0);
clearenv();
setenv("PATH", _PATH_DEFPATH, 1);
// Get the basic filesystem setup we need put together in the initramdisk
// on / and then we'll let the rc file figure out the rest.
// mount 用来挂载文件系统，mount 属于 linux 系统调用
mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
// 创建目录，第一个表示目录路径，第二个表示读写权限
mkdir("/dev/pts", 0755);
mkdir("/dev/socket", 0755);
mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
#define MAKE_STR(x) __STRING(x)
mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));
// Don't expose the raw commandline to unprivileged processes.
// 用于修改文件/目录的读写权限
chmod("/proc/cmdline", 0440);
gid_t groups[] = { AID_READPROC };
setgroups(arraysize(groups), groups);
mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
mount("selinuxfs", "/sys/fs/selinux", "selinuxfs", 0, NULL);
// mknod用于创建Linux中的设备文件
mknod("/dev/kmsg", S_IFCHR | 0600, makedev(1, 11));
if constexpr (WORLD_WRITABLE_KMSG) {
mknod("/dev/kmsg_debug", S_IFCHR | 0622, makedev(1, 11));
}
mknod("/dev/random", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 8));
mknod("/dev/urandom", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 9));
// Mount staging areas for devices managed by vold
// See storage config details at http://source.android.com/devices/storage/
mount("tmpfs", "/mnt", "tmpfs", MS_NOEXEC | MS_NOSUID | MS_NODEV,
"mode=0755,uid=0,gid=1000");
// /mnt/vendor is used to mount vendor-specific partitions that can not be
// part of the vendor partition, e.g. because they are mounted read-write.
mkdir("/mnt/vendor", 0755);
// Now that tmpfs is mounted on /dev and we have /dev/kmsg, we can actually
// talk to the outside world...
InitKernelLogging(argv);
LOG(INFO) << "init first stage started!";
if (!DoFirstStageMount()) {
LOG(FATAL) << "Failed to mount required partitions early ...";
}
// Avb即Android Verfied boot,功能包括Secure Boot, verfying boot 和 dmverity,
// 原理都是对二进制文件进行签名，在系统启动时进行认证，确保系统运行的是合法的二进制镜像文件。
// 其中认证的范围涵盖：bootloader，boot.img，system.img
SetInitAvbVersionInRecovery(); // 在刷机模式下初始化avb的版本,不是刷机模式直接跳过
// Enable seccomp if global boot option was passed (otherwise it is enabled in zygote).
global_seccomp();
// Set up SELinux, loading the SELinux policy.
SelinuxSetupKernelLogging();
SelinuxInitialize(); // 加载SELinux policy，也就是安全策略
// We're in the kernel domain, so re-exec init to transition to the init domain now
// that the SELinux policy has been loaded.
/*
* 1.这句英文大概意思是，我们执行第一遍时是在kernel domain，所以要重新执行init文件，切换到init domain，
* 这样SELinux policy才已经加载进来了
* 2.后面的security_failure函数会调用panic重启系统
*/
if (selinux_android_restorecon("/init", 0) == -1) {
PLOG(FATAL) << "restorecon failed of /init failed";
}
setenv("INIT_SECOND_STAGE", "true", 1);
static constexpr uint32_t kNanosecondsPerMillisecond = 1e6;
uint64_t start_ms = start_time.time_since_epoch().count() / kNanosecondsPerMillisecond;
setenv("INIT_STARTED_AT", std::to_string(start_ms).c_str(), 1);
char* path = argv[0];
char* args[] = { path, nullptr };
execv(path, args);
// execv() only returns if an error happened, in which case we
// panic and never fall through this conditional.
PLOG(FATAL) << "execv(\"" << path << "\") failed";
}
// At this point we're in the second stage of init.
InitKernelLogging(argv);
LOG(INFO) << "init second stage started!";
// Set up a session keyring that all processes will have access to. It
// will hold things like FBE encryption keys. No process should override
// its session keyring.
keyctl_get_keyring_ID(KEY_SPEC_SESSION_KEYRING, 1);
// Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.
close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));
// 初始化属性系统，并从指定文件读取属性
property_init();
// If arguments are passed both on the command line and in DT,
// properties set in DT always have priority over the command-line ones.
//接下来的一系列操作都是从各个文件读取一些属性，然后通过property_set设置系统属性
// If arguments are passed both on the command line and in DT,
// properties set in DT always have priority over the command-line ones.
/*
* 1.这句英文的大概意思是，如果参数同时从命令行和DT传过来，DT的优先级总是大于命令行的
* 2.DT即device-tree，中文意思是设备树，这里面记录自己的硬件配置和系统运行参数，参考http://www.wowotech.net/linux_kenrel/why-dt.html
*/
process_kernel_dt(); // 处理DT属性
process_kernel_cmdline(); // 处理命令行属性
// Propagate the kernel variables to internal variables
// used by init as well as the current required properties.
export_kernel_boot_props(); // 处理其他的一些属性
// Make the time that init started available for bootstat to log.
property_set("ro.boottime.init", getenv("INIT_STARTED_AT"));
property_set("ro.boottime.init.selinux", getenv("INIT_SELINUX_TOOK"));
// Set libavb version for Framework-only OTA match in Treble build.
const char* avb_version = getenv("INIT_AVB_VERSION");
if (avb_version) property_set("ro.boot.avb_version", avb_version);
// Clean up our environment.
// 清空这些环境变量，因为之前都已经存入到系统属性中去了
unsetenv("INIT_SECOND_STAGE");
unsetenv("INIT_STARTED_AT");
unsetenv("INIT_SELINUX_TOOK");
unsetenv("INIT_AVB_VERSION");
// Now set up SELinux for second stage.
SelinuxSetupKernelLogging();
SelabelInitialize();
SelinuxRestoreContext();
// 创建epoll实例，并返回epoll的文件描述符
epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);
if (epoll_fd == -1) {
PLOG(FATAL) << "epoll_create1 failed";
}
// 主要是创建handler处理子进程终止信号，创建一个匿名socket并注册到epoll进行监听
sigchld_handler_init();
if (!IsRebootCapable()) {
// If init does not have the CAP_SYS_BOOT capability, it is running in a container.
// In that case, receiving SIGTERM will cause the system to shut down.
InstallSigtermHandler();
}
// 从文件中加载一些属性，读取usb配置
property_load_boot_defaults();
// 设置ro.boot.flash.locked 属性
export_oem_lock_status();
// 开启一个socket监听系统属性的设置
start_property_service();
// 设置sys.usb.controller 属性
set_usb_controller();
//方法映射 “class_start” -> "do_class_start"
const BuiltinFunctionMap function_map;
/*
* 1.C++中::表示静态方法调用，相当于java中static的方法
*/
Action::set_function_map(&function_map); // 将function_map存放到Action中作为成员属性
subcontexts = InitializeSubcontexts();
ActionManager& am = ActionManager::GetInstance();
ServiceList& sm = ServiceList::GetInstance();
// 解析 init.rc 配置文件，然后会把 zygote 进程拉起来；我们来看下 init.rc 是如何解析的
LoadBootScripts(am, sm);
// Turning this on and letting the INFO logging be discarded adds 0.2s to
// Nexus 9 boot time, so it's disabled by default.
if (false) DumpState();
am.QueueEventTrigger("early-init");
// Queue an action that waits for coldboot done so we know ueventd has set up all of /dev...
am.QueueBuiltinAction(wait_for_coldboot_done_action, "wait_for_coldboot_done");
// ... so that we can start queuing up actions that require stuff from /dev.
am.QueueBuiltinAction(MixHwrngIntoLinuxRngAction, "MixHwrngIntoLinuxRng");
am.QueueBuiltinAction(SetMmapRndBitsAction, "SetMmapRndBits");
am.QueueBuiltinAction(SetKptrRestrictAction, "SetKptrRestrict");
am.QueueBuiltinAction(keychord_init_action, "keychord_init");
am.QueueBuiltinAction(console_init_action, "console_init");
// Trigger all the boot actions to get us started.
am.QueueEventTrigger("init");
// Repeat mix_hwrng_into_linux_rng in case /dev/hw_random or /dev/random
// wasn't ready immediately after wait_for_coldboot_done
am.QueueBuiltinAction(MixHwrngIntoLinuxRngAction, "MixHwrngIntoLinuxRng");
// Don't mount filesystems or start core system services in charger mode.
std::string bootmode = GetProperty("ro.bootmode", "");
if (bootmode == "charger") {
am.QueueEventTrigger("charger");
} else {
am.QueueEventTrigger("late-init");
}
// Run all property triggers based on current state of the properties.
am.QueueBuiltinAction(queue_property_triggers_action, "queue_property_triggers");
while (true) {
// By default, sleep until something happens.
int epoll_timeout_ms = -1;
if (do_shutdown && !shutting_down) {
do_shutdown = false;
if (HandlePowerctlMessage(shutdown_command)) {
shutting_down = true;
}
}
if (!(waiting_for_prop || Service::is_exec_service_running())) {
am.ExecuteOneCommand();
}
if (!(waiting_for_prop || Service::is_exec_service_running())) {
if (!shutting_down) {
auto next_process_restart_time = RestartProcesses();
// If there's a process that needs restarting, wake up in time for that.
if (next_process_restart_time) {
epoll_timeout_ms = std::chrono::ceil<std::chrono::milliseconds>(
*next_process_restart_time - boot_clock::now())
.count();
if (epoll_timeout_ms < 0) epoll_timeout_ms = 0;
}
}
// If there's more work to do, wake up again immediately.
if (am.HasMoreCommands()) epoll_timeout_ms = 0;
}
epoll_event ev;
int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, epoll_timeout_ms));
if (nr == -1) {
PLOG(ERROR) << "epoll_wait failed";
} else if (nr == 1) {
((void (*)()) ev.data.ptr)();
}
}
return 0;
}
最核心的是这里 LoadBootScripts(am, sm); 这个函数会解析 init.rc 配置文件，然后会把 zygote 进程拉起来；我们来看下 init.rc 是如何解析的；
init.rc 解析流程
init.rc是一个非常重要的配置文件，它是由Android初始化语言（Android Init Language）编写的脚本，它主要包含五种类型语句：Action（Action中包含了一系列的 Command ）、Commands（ init 语言中的命令）、Services（由 init 进程启动的服务）、Options（对服务进行配置的选项）和 Import（引入其他配置文件）
init.rc 这个配置文件在 4.3 以后，zygote 进程的来就不在这里执行了，而是改成了 init.zygote32.rc 和 init.zygote64.rc 这两个文件；以及 init.zygote32_64.rc 和 init.zygote64_32.rc
这几个文件的区别就是启动 32 还是 64，而 32_64 表示一个主从模式，优先看 32 位能不能启动，不能启动则启动 64 位，反之则是优先启动 64 位；
我们来看下这个 init.rc 中的一些命令
on init # L41
sysclktz 0
# Mix device-specific information into the entropy pool
copy /proc/cmdline /dev/urandom
copy /default.prop /dev/urandom
on <trigger> [&& <trigger>]* //设置触发器
<command>
<command> //动作触发之后要执行的命令
service <name> <pathname> [ <argument> ]* //<service的名字><执行程序路径><传递参数>
<option> //Options是Services的参数配置. 它们影响Service如何运行及运行时机
group <groupname> [ <groupname>\* ] //在启动Service前将group改为第一个groupname,第一个groupname是必须有的，默认值为root（或许默认值是无），第二个groupname可以不设置，用于追加组（通过setgroups）
priority <priority> //设置进程优先级. 在-20～19之间，默认值是0，能过setpriority实现
socket <name> <type> <perm> [ <user> [ <group> [ <seclabel> ] ] ]//创建一个unix域的socket,名字叫/dev/socket/name , 并将fd返回给Service. type 只能是"dgram", "stream" or "seqpacket"
我们接着进入 init.cpp 中看下 init.rc 具体是如何解析的
static void LoadBootScripts(ActionManager& action_manager, ServiceList& service_list) {
Parser parser = CreateParser(action_manager, service_list);
std::string bootscript = GetProperty("ro.boot.init_rc", "");
if (bootscript.empty()) {
parser.ParseConfig("/init.rc");
if (!parser.ParseConfig("/system/etc/init")) {
late_import_paths.emplace_back("/system/etc/init");
}
if (!parser.ParseConfig("/product/etc/init")) {
late_import_paths.emplace_back("/product/etc/init");
}
if (!parser.ParseConfig("/odm/etc/init")) {
late_import_paths.emplace_back("/odm/etc/init");
}
if (!parser.ParseConfig("/vendor/etc/init")) {
late_import_paths.emplace_back("/vendor/etc/init");
}
} else {
parser.ParseConfig(bootscript);
}
}
首先是调用 CreateParser 创建一个解析器
Parser CreateParser(ActionManager& action_manager, ServiceList& service_list) {
Parser parser;
parser.AddSectionParser("service", std::make_unique<ServiceParser>(&service_list, subcontexts));
parser.AddSectionParser("on", std::make_unique<ActionParser>(&action_manager, subcontexts));
parser.AddSectionParser("import", std::make_unique<ImportParser>(&parser));
return parser;
}
解析的时候是分三种类型的，分别是 service 类型、on 类型、import 类型，然后对应使用不同类型的解析器；解析器创建出来之后，调用 ParseConfig 进行解析；
bool Parser::ParseConfig(const std::string& path, size_t* parse_errors) {
*parse_errors = 0;
if (is_dir(path.c_str())) {
return ParseConfigDir(path, parse_errors);
}
return ParseConfigFile(path, parse_errors);
}
ParseConfig 最终调用到 ParseConfigFile 进行解析；
bool Parser::ParseConfigFile(const std::string& path, size_t* parse_errors) {
LOG(INFO) << "Parsing file " << path << "...";
android::base::Timer t;
auto config_contents = ReadFile(path);
if (!config_contents) {
LOG(ERROR) << "Unable to read config file '" << path << "': " << config_contents.error();
return false;
}
config_contents->push_back('\n'); // TODO: fix parse_config.
ParseData(path, *config_contents, parse_errors);
for (const auto& [section_name, section_parser] : section_parsers_) {
section_parser->EndFile();
}
LOG(VERBOSE) << "(Parsing " << path << " took " << t << ".)";
return true;
}
ParseConfigFile 最终调用到 ParseData 函数进行解析，这个函数就相当于把 init.rc 文件读取到内存中了；
void Parser::ParseData(const std::string& filename, const std::string& data, size_t* parse_errors) {
// TODO: Use a parser with const input and remove this copy
std::vector<char> data_copy(data.begin(), data.end());
data_copy.push_back('\0');
parse_state state;
state.line = 0;
state.ptr = &data_copy[0];
state.nexttoken = 0;
SectionParser* section_parser = nullptr;
int section_start_line = -1;
std::vector<std::string> args;
auto end_section = [&] {
if (section_parser == nullptr) return;
if (auto result = section_parser->EndSection(); !result) {
(*parse_errors)++;
LOG(ERROR) << filename << ": " << section_start_line << ": " << result.error();
}
section_parser = nullptr;
section_start_line = -1;
};
for (;;) {
switch (next_token(&state)) {
case T_EOF:
end_section();
return;
case T_NEWLINE:
state.line++;
if (args.empty()) break;
// If we have a line matching a prefix we recognize, call its callback and unset any
// current section parsers. This is meant for /sys/ and /dev/ line entries for
// uevent.
for (const auto& [prefix, callback] : line_callbacks_) {
if (android::base::StartsWith(args[0], prefix)) {
end_section();
if (auto result = callback(std::move(args)); !result) {
(*parse_errors)++;
LOG(ERROR) << filename << ": " << state.line << ": " << result.error();
}
break;
}
}
if (section_parsers_.count(args[0])) {
end_section();
section_parser = section_parsers_[args[0]].get();
section_start_line = state.line;
if (auto result =
// 这是一个抽象方向，具体实现在不同类型的解析器中(service、on、import)
section_parser->ParseSection(std::move(args), filename, state.line);
!result) {
(*parse_errors)++;
LOG(ERROR) << filename << ": " << state.line << ": " << result.error();
section_parser = nullptr;
}
} else if (section_parser) {
// 一行一行的进行解析
if (auto result = section_parser->ParseLineSection(std::move(args), state.line);
!result) {
(*parse_errors)++;
LOG(ERROR) << filename << ": " << state.line << ": " << result.error();
}
}
args.clear();
break;
case T_TEXT:
args.emplace_back(state.text);
break;
}
}
}
读取 init.zygote64.rc 配置文件中的内容，进行语法分析；
// 这是一个抽象方向，具体实现在不同类型的解析器中(service、on、import)
section_parser->ParseSection(std::move(args), filename, state.line);
service 解析流程
我们来看下 Service 中的 ParseSection 的具体实现;
Result<Success> ServiceParser::ParseSection(std::vector<std::string>&& args,
const std::string& filename, int line) {
if (args.size() < 3) {
return Error() << "services must have a name and a program";
}
// 读取文件名称
const std::string& name = args[1];
if (!IsValidName(name)) {
return Error() << "invalid service name '" << name << "'";
}
Subcontext* restart_action_subcontext = nullptr;
if (subcontexts_) {
for (auto& subcontext : *subcontexts_) {
if (StartsWith(filename, subcontext.path_prefix())) {
restart_action_subcontext = &subcontext;
break;
}
}
}
std::vector<std::string> str_args(args.begin() + 2, args.end());
// 读取之后，创建了一个 service 对象；
service_ = std::make_unique<Service>(name, restart_action_subcontext, str_args);
return Success();
}
创建 service 对象之后，通过 ParseLineSection 一行一行的进行内容的解析
Result<Success> ServiceParser::ParseLineSection(std::vector<std::string>&& args, int line) {
return service_ ? service_->ParseLine(std::move(args)) : Success();
}
解析完成之后，会调用 end_section() 函数，把解析的 service 添加到 vector 列表中
Result<Success> ServiceParser::EndSection() {
if (service_) {
Service* old_service = service_list_->FindService(service_->name());
if (old_service) {
if (!service_->is_override()) {
return Error() << "ignored duplicate definition of service '" << service_->name()
<< "'";
}
service_list_->RemoveService(*old_service);
old_service = nullptr;
}
// 把解析的 service 添加到 vector 列表中，这个 service_list 就是一个列表，里面使用的是 vector
service_list_->AddService(std::move(service_));
}
return Success();
}
所以 init 的整体流程总结如下：
- 创建和挂载启动所需要的文件目录;
- 初始化和启动属性服务;
- 解析init.rc配置文件并启动zygote进程;
Zygote 进程
我们接下来分析下 zygote 进程
Zygote 概述
Zygote 中文翻译为『受精卵』，正如其名，它主要用于孵化子进程。在 Android 系统中有以下两种程序：Java 应用程序，主要基于 ART 虚拟机，所有的应用程序 Apk 都属于这类 Native 程序，也就是利用 C 或 C++ 语言开发的程序，如 bootanimation。所有的 Java 应用程序进程及系统服务 SystemServer 进程都由 Zygote 进程通过 Linux 的 fork() 函数孵化出来的，这也就是为什么把它称为 Zygote 的原因，因为他就像一个受精卵，孵化出无数子进程，而 native 程序则由 Init 程序创建启动。Zygote 进程最初的名字不是『Zygote』而是『app_process』，这个名字是在 Android.mk 文件中定义的 Zygote 是 Android 中的第一个 ART 虚拟机，它通过 Socket 的方式与其他进程进行通信。这里的『其他进程』其实主要是系统进程——SystemServer
Zygote 触发过程
init.rc 会解析 zygote 下的 service，解析出来之后，最终是要执行里面的命令，在它准备执行里面的命令的时候，每个命令执行哪个函数，它都有一个映射表，这个映射表就存放在 builtins.cpp 的 map 函数中；
const BuiltinFunctionMap::Map& BuiltinFunctionMap::map() const {
constexpr std::size_t kMax = std::numeric_limits<std::size_t>::max();
// clang-format off
static const Map builtin_functions = {
{"bootchart", {1, 1, {false, do_bootchart}}},
{"chmod", {2, 2, {true, do_chmod}}},
{"chown", {2, 3, {true, do_chown}}},
{"class_reset", {1, 1, {false, do_class_reset}}},
{"class_restart", {1, 1, {false, do_class_restart}}},
// 这个命令，执行的就是 do_class_start 函数
{"class_start", {1, 1, {false, do_class_start}}},
{"class_stop", {1, 1, {false, do_class_stop}}},
{"copy", {2, 2, {true, do_copy}}},
{"domainname", {1, 1, {true, do_domainname}}},
{"enable", {1, 1, {false, do_enable}}},
{"exec", {1, kMax, {false, do_exec}}},
{"exec_background", {1, kMax, {false, do_exec_background}}},
{"exec_start", {1, 1, {false, do_exec_start}}},
{"export", {2, 2, {false, do_export}}},
{"hostname", {1, 1, {true, do_hostname}}},
{"ifup", {1, 1, {true, do_ifup}}},
{"init_user0", {0, 0, {false, do_init_user0}}},
{"insmod", {1, kMax, {true, do_insmod}}},
{"installkey", {1, 1, {false, do_installkey}}},
{"load_persist_props", {0, 0, {false, do_load_persist_props}}},
{"load_system_props", {0, 0, {false, do_load_system_props}}},
{"loglevel", {1, 1, {false, do_loglevel}}},
{"mkdir", {1, 4, {true, do_mkdir}}},
// TODO: Do mount operations in vendor_init.
// mount_all is currently too complex to run in vendor_init as it queues action triggers,
// imports rc scripts, etc. It should be simplified and run in vendor_init context.
// mount and umount are run in the same context as mount_all for symmetry.
{"mount_all", {1, kMax, {false, do_mount_all}}},
{"mount", {3, kMax, {false, do_mount}}},
{"umount", {1, 1, {false, do_umount}}},
{"readahead", {1, 2, {true, do_readahead}}},
{"restart", {1, 1, {false, do_restart}}},
{"restorecon", {1, kMax, {true, do_restorecon}}},
{"restorecon_recursive", {1, kMax, {true, do_restorecon_recursive}}},
{"rm", {1, 1, {true, do_rm}}},
{"rmdir", {1, 1, {true, do_rmdir}}},
{"setprop", {2, 2, {true, do_setprop}}},
{"setrlimit", {3, 3, {false, do_setrlimit}}},
{"start", {1, 1, {false, do_start}}},
{"stop", {1, 1, {false, do_stop}}},
{"swapon_all", {1, 1, {false, do_swapon_all}}},
{"symlink", {2, 2, {true, do_symlink}}},
{"sysclktz", {1, 1, {false, do_sysclktz}}},
{"trigger", {1, 1, {false, do_trigger}}},
{"verity_load_state", {0, 0, {false, do_verity_load_state}}},
{"verity_update_state", {0, 0, {false, do_verity_update_state}}},
{"wait", {1, 2, {true, do_wait}}},
{"wait_for_prop", {2, 2, {false, do_wait_for_prop}}},
{"write", {2, 2, {true, do_write}}},
};
// clang-format on
return builtin_functions;
}
// 这个命令，执行的就是 do_class_start 函数
{"class_start", {1, 1, {false, do_class_start}}}
这个函数，我们来看下干了什么
static Result<Success> do_class_start(const BuiltinArguments& args) {
// Starting a class does not start services which are explicitly disabled.
// They must be started individually.
for (const auto& service : ServiceList::GetInstance()) {
if (service->classnames().count(args[1])) {
if (auto result = service->StartIfNotDisabled(); !result) {
LOG(ERROR) << "Could not start service '" << service->name()
<< "' as part of class '" << args[1] << "': " << result.error();
}
}
}
return Success();
}
通过一个 for 循环，遍历前面说到的 ServiceList，这个 vector 类型的 list，就是存放的前面创建的各种服务；
取出所有的服务，调用 StartIfNotDisabled 函数进行启动，如果这个服务没有被禁用；
Result<Success> Service::StartIfNotDisabled() {
if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
return Start();
} else {
flags_ |= SVC_DISABLED_START;
}
return Success();
}
这个函数会调用 Start 函数进行启动，这个 Start 函数中就调用了 fork 函数，创建了一个子进程；
Result<Success> Service::Start() {
// 省略部分代码
pid_t pid = -1;
if (namespace_flags_) {
pid = clone(nullptr, nullptr, namespace_flags_ | SIGCHLD, nullptr);
} else {
pid = fork(); // 创建子进程
}
// if 中的逻辑都是在子进程中执行的；
if (pid == 0) {
// 省略部分代码
// 启动 app_main.cpp 中 main 函数
if (!ExpandArgsAndExecv(args_)) {
PLOG(ERROR) << "cannot execve('" << args_[0] << "')";
}
}
}
ExpandArgsAndExecv(args_) 这个函数会通过 execv 函数启动 app_main.cpp 中 main 函数；
static bool ExpandArgsAndExecv(const std::vector<std::string>& args) {
std::vector<std::string> expanded_args;
std::vector<char*> c_strings;
expanded_args.resize(args.size());
c_strings.push_back(const_cast<char*>(args[0].data()));
for (std::size_t i = 1; i < args.size(); ++i) {
if (!expand_props(args[i], &expanded_args[i])) {
LOG(FATAL) << args[0] << ": cannot expand '" << args[i] << "'";
}
c_strings.push_back(expanded_args[i].data());
}
c_strings.push_back(nullptr);
return execv(c_strings[0], c_strings.data()) == 0;
}
我们来看下 main 中做了什么；
int main(int argc, char* const argv[])
{
if (!LOG_NDEBUG) {
String8 argv_String;
for (int i = 0; i < argc; ++i) {
argv_String.append(""");
argv_String.append(argv[i]);
argv_String.append("" ");
}
ALOGV("app_process main with argv: %s", argv_String.string());
}
// 启动 Zygote
AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
// 省略部分代码
...
//
}
整体流程大致如下：
Zygote 启动过程
在app_main.cpp的main函数中，主要做的事情就是参数解析. 这个函数有两种启动模式：
- 一种是 zygote 模式，也就是初始化 zygote 进程，传递的参数有--start-system-server --socketname=zygote，前者表示启动 SystemServer，后者指定 socket 的名称；
- 一种是 application 模式，也就是启动普通应用程序，传递的参数有 class 名字以及 class 带的参数；
两者最终都是调用 AppRuntime 对象的 start 函数，加载 ZygoteInit 或 RuntimeInit 两个 Java 类，并将之前整理的参数传入进去
int main(int argc, char* const argv[]) {
++i; // Skip unused "parent dir" argument.
// 启动不同的进程；
while (i < argc) {
const char* arg = argv[i++];
if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
// zygote 类型的
zygote = true;
niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
} else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
startSystemServer = true;
} else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
// application 类型的
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;
}
}
}
经过 while 循环的判断之后，如果是 zygote 进程，就会直接调用 start 函数，传递 com.android.internal.os.ZygoteInit 进行 zygote 的启动；
if (zygote) {
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.");
}
}
我们接着来看下这个 start 函数中都做了什么
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>&options, bool zygote)
{
...
JNIEnv* env;
// JNI_CreateJavaVM L1015
// 启动虚拟机
if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
return;
}
onVmCreated(env);
// 进行注册
if (startReg(env) < 0) {
ALOGE("Unable to register all android natives\n");
return;
}
}
start 函数中主要是 startVm 函数启动了我们的虚拟机；startReg 函数映射表的注册；
int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
// 省略部分代码
...
//
/*
* Initialize the VM.
*
* The JavaVM* is essentially per-process, and the JNIEnv* is per-thread.
* If this call succeeds, the VM is ready, and we can start issuing
* JNI calls.
*/
// 创建虚拟机，然后启动它
if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
return -1;
}
}
我们来看下是如何创建并启动的；
bool Runtime::Create(RuntimeArgumentMap&& runtime_options) {
if (Runtime::instance_ != nullptr) {
return false;
}
// 创建 Runtime 并调用 Init 进行初始化
instance_ = new Runtime;
Locks::SetClientCallback(IsSafeToCallAbort);
// 初始化
if (!instance_->Init(std::move(runtime_options))) {
instance_ = nullptr;
return false;
}
return true;
}
// 创建 Runtime 并调用 Init 进行初始化
Init中主要做了如下几件事情；
- new gc::Heap // 创建堆管理对象
- JavaVMExt::Create //创建java虚拟机对象
- Thread::Attach //连接主线程
- new ClassLinker //创建类连接器
- class_linker_->InitFromBootImage //初始化类连接器
初始化成功之后，就会调用到 Java 层的 ZygoteInit.java 的 main 函数；
public static void main(String argv[]) {
ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
// Mark zygote start. This ensures that thread creation will throw
// an error.
ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();
// Zygote goes into its own process group.
try {
Os.setpgid(0, 0);
} catch (ErrnoException ex) {
throw new RuntimeException("Failed to setpgid(0,0)", ex);
}
final Runnable caller;
try {
// Report Zygote start time to tron unless it is a runtime restart
if (!"1".equals(SystemProperties.get("sys.boot_completed"))) {
MetricsLogger.histogram(null, "boot_zygote_init",
(int) SystemClock.elapsedRealtime());
}
String bootTimeTag = Process.is64Bit() ? "Zygote64Timing" : "Zygote32Timing";
TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog = new TimingsTraceLog(bootTimeTag,
Trace.TRACE_TAG_DALVIK);
bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygoteInit");
RuntimeInit.enableDdms();
boolean startSystemServer = false;
String socketName = "zygote";
String abiList = null;
boolean enableLazyPreload = false;
for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
startSystemServer = true;
} else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
enableLazyPreload = true;
} else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
} else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
} else {
throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
}
}
if (abiList == null) {
throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
}
zygoteServer.registerServerSocketFromEnv(socketName);
// In some configurations, we avoid preloading resources and classes eagerly.
// In such cases, we will preload things prior to our first fork.
if (!enableLazyPreload) {
bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
SystemClock.uptimeMillis());
preload(bootTimingsTraceLog);
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
SystemClock.uptimeMillis());
bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
} else {
Zygote.resetNicePriority();
}
// Do an initial gc to clean up after startup
bootTimingsTraceLog.traceBegin("PostZygoteInitGC");
gcAndFinalize();
bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // PostZygoteInitGC
bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygoteInit
// Disable tracing so that forked processes do not inherit stale tracing tags from
// Zygote.
Trace.setTracingEnabled(false, 0);
Zygote.nativeSecurityInit();
// Zygote process unmounts root storage spaces.
Zygote.nativeUnmountStorageOnInit();
ZygoteHooks.stopZygoteNoThreadCreation();
if (startSystemServer) {
Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
// {@code r == null} in the parent (zygote) process, and {@code r != null} in the
// child (system_server) process.
if (r != null) {
r.run();
return;
}
}
Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
// The select loop returns early in the child process after a fork and
// loops forever in the zygote.
caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
} catch (Throwable ex) {
Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
throw ex;
} finally {
zygoteServer.closeServerSocket();
}
// We're in the child process and have exited the select loop. Proceed to execute the
// command.
if (caller != null) {
caller.run();
}
}
Java 层的 main 函数主要做了以下事情；
- new ZygoteServer(); //新建Zygote服务器端
- registerServerSocketFromEnv(socketName);//注册Socket
- preload 这里做了大量的耗时操作，这也是系统开机耗时的主要原因；
- gcAndFinalize //主动进行一次资源GC
- forkSystemServer
- zygoteServer.runSelectLoop
- caller.run()
fork 函数
我们接下来讲解下 fork 函数；
在 Linux 中是没有线程和进程的概念的，它们都是使用的 thread_task 这样的一个结构体，区别在于线程是资源共享的；
当我们由一个进程创建另一个进程的时候，就是使用的 fork 函数；这里要注意的是 fork 函数会返回两次，一次是 pid = 0，表示子进程创建成功，接下来进入子进程执行流程，一次是 pid > 0 成功创建子进程，并且继续执行父进程流程代码；返回非正数（<0），创建子进程失败，失败原因主要有：进程数超过系统所能创建的上限，errno会被设置为EAGAIN系统内存不足，errno会被设置为ENOMEM；
使用 fork() 函数得到的子进程是父进程的一个复制品，如果什么都不做，它们两个是一模一样的，它从父进程处继承了整个进程的地址空间：包括进程上下文（进程执行活动全过程的静态描述）、进程堆栈、打开的文件描述符、信号控制设定、进程优先级、进程组号等。子进程所独有的只有它的进程号，计时器等（只有小量信息）。因此，使用 fork() 函数的代价是很大的；
子进程与父进程的区别
- 除了文件锁以外,其他的锁都会被继承；
- 各自的进程ID和父进程ID不同；
- 子进程的未决告警被清除；
- 子进程的未决信号集设置为空集；
写时拷贝 (copy-on-write)
Linux 的 fork() 使用是通过写时拷贝 (copy- on-write) 实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至避免拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个进程的地址空间，而是让父子进程共享同一个地址空间。只有在需要写入的时候才会复制地址空间，从而使各个进行拥有各自的地址空间。也就是说，资源的复制是在需要写入的时候才会进行，在此之前，只有以只读方式共享；
多线程进程的 fork 调用
在 POSIX 标准中，fork 的行为是这样的：复制整个用户空间的数据（通常使用 copy-on-write 的策略，所以可以实现的速度很快）以及所有系统对象，然后仅复制当前线程到子进程。这里：所有父进程中别的线程，到了子进程中都是突然蒸发掉的；
假设这么一个环境，在 fork 之前，有一个子线程 lock 了某个锁，获得了对锁的所有权。fork 以后，在子进程中，所有的额外线程都人间蒸发了。而锁却被正常复制了，在子进程看来，这个锁没有主人，所以没有任何人可以对它解锁。当子进程想 lock 这个锁时，不再有任何手段可以解开了。程序发生死锁
常见问题
Q：为什么要专门使用 Zygote 进程去孵化应用进程，而不是让 system_server 去孵化呢？
A：为什么要专门使用 Zygote 进程去孵化应用进程，而不是让 system_server 去孵化呢？首先 system_server 相比 Zygote 多运行了 AMS、WMS 等服务，这些对一个应用程序来说是不需要的。另外进程的 fork() 对多线程不友好，仅会将发起调用的线程拷贝到子进程，这可能会导致死锁，而 system_server 中肯定是有很多线程的。
Q：System_server 为什么要在 Zygote 中启动，而不是由 init 直接启动？
A：Zygote 作为一个孵化器，可以提前加载一些资源，这样 fork() 时基于 Copy-On-Write 机制创建的其 他进程就能直接使用这些资源，而不用重新加载。比如 system_server 就可以直接使用 Zygote 中的 JNI 函数、共享库、常用的类、以及主题资源；
Q：Zygote 为什么不采用 Binder 机制进行 IPC 通信？
A：Binder 机制中存在 Binder 线程池，是多线程的，如果 Zygote 采用 Binder 的话就存在上面说的 fork() 与 多线程的问题了。其实严格来说，Binder 机制不一定要多线程，所谓的 Binder 线程只不过是 在循环读取 Binder 驱动的消息而已，只注册一个 Binder 线程也是可以工作的，比如 service manager 就是这样的。实际上 Zygote 尽管没有采取 Binder 机制，它也不是单线程的，但它在 fork() 前主动停止 了其他线程，fork() 后重新启动了；
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