Android（java）学习笔记103：Framework运行环境之 Android进程产生过程

1. 前面Android（java）学习笔记159提到Dalvik虚拟机启动初始化过程，就下来就是启动zygote进程：

zygote进程是所有APK应用进程的父进程：每当执行一个Android应用程序，Zygote就会孵化一个子线程去执行该应用程序（系统内部执行dvz指令完成的）

 特别注意：系统提供了一个app_process进程，它会自动启动ZygoteInit.java和SystemServer.java这两个类，app_process进程本质上是使用dalvikvm启动ZygoteInit.java。并且启动后加载Framework中大部分类和资源。

2. zygote进程启动流程：

（1）在init.rc中配置zygote启动参数：

init.rc存在于设备的根目录下，读者可以使用adb pull /init.rc ~/Desktop命令取出该文件，文件中和zygote相关的配置信息如下：

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

首先第一行中使用service指令告诉操作系统将zygote程序加入到系统服务中，service的语法如下：

service service_name 可执行程序的路径 可执行程序自身所需的参数列表

service service_name 可执行程序的路径 可执行程序自身所需的参数列表

此处的服务被定义为zygote，理论上讲该服务的名称可以是任意的。可执行程序的路径正是/system/bin/app_process，也就是前面所讲的app_process，参数一共包含四个，分别如下：

-Xzygote，该参数将作为虚拟机启动时所需要的参数，是在AndroidRuntime.cpp类的startVm()函数中调用JNI_CreateJavaVM()时被使用的。

/system/bin，代表虚拟机程序所在目录，因为app_process完全可以不和虚拟机在同一个目录，而在app_process内部的AndroidRuntime类内部需要知道虚拟机所在的目录。

--zygote，指明以ZygoteInit类作为虚拟机执行的入口，如果没有--zygote参数，则需要明确指定需要执行的类名。

--start-system-server，仅在指定--zygote参数时才有效，意思是告知ZygoteInit启动完毕后孵化出第一个进程SystemServer。

接下来的配置命令socket用于指定该服务所使用到的socket，后面的参数依次是名称、类型、端口地址。

onrestart命令指定该服务重启的条件，即当满足这些条件后，zygote服务就需要重启，这些条件一般是一些系统异常条件。

（2）启动Socket服务端口

当zygote服务从app_process开始启动后，会启动一个Dalvik虚拟机，而虚拟机执行的第一个Java类就是ZygoteInit.java，因此接下来的过程就从ZygoteInit类的main()函数开始说起。main()函数中做的第一个重要工作就是启动一个Socket服务端口，该Socket端口用于接收启动新进程的命令。

（3）加载preload-classes

在ZygoteInit类的main()函数中，创建完Socket服务端后还不能立即孵化新的进程，因为这个"卵"中还没有必须"核酸"，这个"核酸"就是指预装的Framework大部分类及资源。预装的类列表是在framework.jar中的一个文本文件列表，名称为preload-classes，该列表的原始定义在frameworks/base/preload-classes文本文件中，而该文件又是通过frameworks/base/tools/preload/

（4）加载preload-resources

preload-resources是在frameworks/base/core/res/res/values/arrays.xml中被定义的，包含两类资源，一类是drawable资源，另一类是color资源，如以下代码所示：

<array name="preloaded_drawables">
       <item>@drawable/sym_def_app_icon</item>
... ...
   </array>

   <array name="preloaded_color_state_lists">
       <item>@color/hint_foreground_dark</item>
        ... ...
   </array>

而加载这些资源是在preloadResources()函数中完成的，该函数中分别调用preloadDrawables()和preloadColorStateLists()加载这两类资源。加载的原理很简单，就是把这些资源读出来放到一个全局变量中，只要该类对象不被销毁，这些全局变量就会一直保存。

保存Drawable资源的全局变量是mResources，该变量的类型是Resources类，由于该类内部会保存一个Drawable资源列表，因此，实际上缓存这些Drawable资源是在Resources内部；保存Color资源的全局变量也是mResources，同样，Resources类内部也有一个Color资源的列表。

（5）使用folk启动新进程

        folk是Linux系统的一个系统调用，其作用是复制当前进程，产生一个新的进程。新进程将拥有和原始进程完全相同的进程信息，除了进程id不同。进程信息包括该进程所打开的文件描述符列表、所分配的内存等。当新进程被创建后，两个进程将共享已经分配的内存空间，直到其中一个需要向内存中写入数据时，操作系统才负责复制一份目标地址空间，并将要写的数据写入到新的地址中，这就是所谓的copy-on-write机制，即"仅当写的时候才复制"，这种机制可以最大限度地在多个进程中共享物理内存。

       第一次接触folk的读者可能觉得奇怪，为什么要复制进程呢？在大家熟悉的Windows操作系统中，一个应用程序一般对应一个进程，如果说要复制进程，可能的结果就是从计算器程序复制出一个Office程序，这听起来似乎很不合理。要立即复制进程就需要首先了解进程的启动过程。

       在所有的操作系统中，都存在一个程序装载器，程序装载器一般会作为操作系统的一部分，并由所谓的Shell程序调用。当内核启动后，Shell程序会首先启动。常见的Shell程序包含两大类，一类是命令行界面，另一类是窗口界面，Windows系统中Shell程序就是桌面程序，Ubuntu系统中的Shell程序就是GNOME桌面程序。Shell程序启动后，用户可以双击桌面图标启动指定的应用程序，而在操作系统内部，启动新的进程包含三个过程。

第一个过程，内核创建一个进程数据结构，用于表示将要启动的进程。

第二个过程，内核调用程序装载器函数，从指定的程序文件读取程序代码，并将这些程序代码装载到预先设定的内存地址。

第三个过程，装载完毕后，内核将程序指针指向到目标程序地址的入口处开始执行指定的进程。当然，实际的过程会考虑更多的细节，不过大致思路就是这么简单。

在一般情况下，没有必要复制进程，而是按照以上三个过程创建新进程，但当满足以下条件时，则建议使用复制进程：即两个进程中共享了大量的程序。

举个例子，去澳大利亚看袋鼠和去澳大利亚看考拉，这是两个进程，但完成这两个进程的大多数任务都是相同的，即先订机票，然后带照相机，再坐地铁到首都机场，最后再坐14个小时的飞机到澳大利亚，到了之后唯一不同就是看考拉和袋鼠。为了更有效地完成这两个任务，可以先雇佣一个精灵进程，让它订机票、带相机、坐地铁、乘飞机，一直到澳大利亚后，从这个精灵进程中复制出两个进程，一个去看考拉，另一个去看袋鼠。如果你愿意，还可以去悉尼歌剧院，这就是进程的复制，其好处是节省了大量共享的内存。

由于folk()函数是Linux的系统调用，Android中的Java层仅仅是对该调用进行了JNI封装而已，因此，接下来以一段C代码来介绍folk()函数的使用，以便大家对该函数有更具体的认识:

/**  
 *FileName: MyFolk.c  
 */  
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> 
int main(){  
    pid_t pid;  
    printf("pid = %d, Take camera, by subway, take air! 
", getpid());  
    pid = folk();  
    if(pid > 0){  
        printf("pid=%d, 我是精灵! 
", getpid());  
        pid = folk();  
        if(!pid) printf("pid=%d, 去看考拉! 
", getpid());  
    }  
    else if (!pid) printf("pid=%d, 去看袋鼠! 
", getpid());  
    else if (pid == -1) perror("folk");  
    getchar();  
}  

以上代码的执行结果如下：

$ ./MyFolk.bin  
pid = 3927, Take camera, by subway, take air!   
pid=3927, 我是精灵!   
pid=3929, 去看袋鼠!   
pid=3930, 去看考拉!  

      folk（）函数的返回值与普通函数调用完全不同。当返回值大于0时，代表的是父进程；当等于0时，代表的是被复制的进程。换句话说，父进程和子进程的代码都在该C文件中，只是不同的进程执行不同的代码，而进程是靠folk()的返回值进行区分的。

由以上执行结果可以看出，第一次调用folk()时复制了一个"看袋鼠"进程，然后在父进程中再次调用folk()复制了"看考拉"的进程，三者都有各自不同的进程id。

zygote进程就是本例中的"精灵进程"，那些"拿相机、坐地铁、乘飞机"的操作就是zygote进程中加载的preload-classes类具备的功能。

ZygoteInit.java中复制新进程是通过在runSelectLoopMode()函数中调用ZygoteConnection类的runOnce()函数完成的，而该函数中则调用了以下代码用于复制一个新的进程。

 

forkAndSpecialize()函数是一个native函数，其内部的执行原理和上面的C代码类似。

当新进程被创建好后，还需要做一些"善后"工作。因为当zygote复制新进程时，已经创建了一个Socket服务端，而这个服务端是不应该被新进程使用的，否则系统中会有多个进程接收Socket客户端的命令。因此，新进程被创建好后，首先需要在新进程中关闭该Socket服务端，并调用新进程中指定的Class文件的main()函数作为新进程的入口点。而这些正是在调用forkAndSpecialize()函数后根据返回值pid完成的，如以下代码所示：

 

pid等于0时，代表的是子进程，handleChildProc()函数中的关键代码如下，首先是关于Socket服务端。

 

接着从指定Class文件的main()函数处开始执行，如以下代码所示：

 

至此，新进程就完全脱离了zygote进程的孵化过程，成为一个真正的应用进程。

3. 上面的说明可能不太形象，下面感性的说明一下，如下：

（1）我们来看看每个android进程如何产生的：

 下面来对Zygote进程孵化新进程的过程做进一步了解：

　　• Zygote进程调用fork()函数创建出Zygote 子进程，

　　• 子进程Zygote  共享父进程Zygote的代码区与连接信息。

      如下图所示，Fork()橙色箭头左边是Zygote进程，右边是创建出的Zygote‘子进程；然后Zygote’ 子进程将执行流程交给应用程序A，Android程序开始运行。

新生成的应用程序A会使用已有Zygote父进程的库与资源的连接信息，所以运行速度很快。

 

 

另外，对于上图，Zygote启动后，初始并运行DVM，而后将需要的类与资源加载到内存中。随后调用fork()创建出Zygote子进程，接着子进程动态加载并运行应用程序A。

      运行的应用程序A会使用Zygote已经初始化并启动运行的DVM代码，通过使用已加载至内存中的类与资源来加快运行速度。

 

（2）Android进程模型：

      Linux通过调用start_kernel函数来启动内核，当内核启动模块启动完成后，将启动用户空间的第一个进程——Init进程，下图为Android系统的进程模型图：

 

 

从上图可以看出，Linux内核在启动过程中，创建一个名为Kthreadd的内核进程，PID=2，用于创建内核空间的其他进程；同时创建第一个用户空间Init进程，该进程PID = 1，用于启动一些本地进程，比如Zygote进程，而Zygote进程也是一个专门用于孵化Java进程的本地进程，上图清晰地描述了整个Android系统的进程模型。