Android 系统启动（init，zygote）

主要文件目录：
system/core/init/
  - init.cpp
  - init_parser.cpp
  - signal_handler.cpp
  - property_service.cpp

一、概述

1.启动电源以及系统启动

　　当按下电源时引导芯片代码从预定义的地方（固化在ROM）开始执行。加载引导程序Boot Loader到RAM中，然后执行。

2.引导程序Boot Loader是在Android操作系统开始运行前的一个小程序，它的主要作用是把系统OS拉起来并运行。

3.Linux内核运行

　　当内核启动时设置缓存、被保护存储器、计划列表、加载驱动。在内核完成系统设置后，首先在系统文件中寻找init.rc 文件，并启动init进程。

4.init进程启动

　　init进程做的工作比较多，主要用初始化和启动属性服务，也用来启动Zygote进程。

init进程是Linux系统中用户空间的第一个进程，进程号固定为1。Kernel启动后，在用户空间启动init进程，并调用init中的main()方法执行init进程的职责。对于init进程的功能分为4部分：

• 解析并运行所有的init.rc相关文件
• 根据rc文件，生成相应的设备驱动节点
• 处理子进程的终止(signal方式)
• 提供属性服务的功能

1.main

[-> init.cpp]

int main(int argc, char** argv) {
    ...//创建一块共享的内存空间，用于属性服务
    property_init();
//初始化子进程退出的信号处理函数，并调用epoll_ctl设置signal fd可读的回调函数
    signal_handler_init();  
//启动属性服务器，此处会调用epoll_ctl设置property fd可读的回调函数
    start_property_service();   

    //解析init.rc文件
    init_parse_config_file("/init.rc");//循环等待事件发生
        int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
        if (nr == -1) {
            ERROR("epoll_wait failed: %s
", strerror(errno));
        } else if (nr == 1) {
            ((void (*)()) ev.data.ptr)();
        }
    }
    return 0;
}

init进程执行完成后进入循环等待epoll_wait的状态。

二、rc文件语法

　　rc文件语法是以行为单位，以空格间隔的语法，以#开始代表注释行。rc文件主要包含Action、Service、Command、Options，其中对于Action和Service的名称都是唯一的，对于重复的命名视为无效。

1.Action

Action： 通过触发器trigger，即以on开头的语句来决定执行相应的service的时机，具体有如下时机：

• on early-init; 在初始化早期阶段触发；
• on init; 在初始化阶段触发；
• on late-init; 在初始化晚期阶段触发；
• on boot/charger： 当系统启动/充电时触发，还包含其他情况，此处不一一列举；
• on property:<key>=<value>: 当属性值满足条件时触发；

2. Service

　　服务Service，以 service开头，由init进程启动，一般运行在init的一个子进程，所以启动service前需要判断对应的可执行文件是否存在。init生成的子进程，定义在rc文件，其中每一个service在启动时会通过fork方式生成子进程。

例如： service servicemanager /system/bin/servicemanager代表的是服务名为servicemanager，服务执行的路径为/system/bin/servicemanager。

3. Command

常用的命令

• class_start <service_class_name>： 启动属于同一个class的所有服务；
• start <service_name>： 启动指定的服务，若已启动则跳过；
• stop <service_name>： 停止正在运行的服务
• setprop <name> <value>：设置属性值
• mkdir <path>：创建指定目录
• symlink <target> <sym_link>： 创建连接到<target>的<sym_link>符号链接；
• write <path> <string>： 向文件path中写入字符串；
• exec： fork并执行，会阻塞init进程直到程序完毕；
• exprot <name> <name>：设定环境变量；
• loglevel <level>：设置log级别

4.Options

Options是Service的可选项，与service配合使用

• disabled: 不随class自动启动，只有根据service名才启动；
• oneshot: service退出后不再重启；
• user/group： 设置执行服务的用户/用户组，默认都是root；
• class：设置所属的类名，当所属类启动/退出时，服务也启动/停止，默认为default；
• onrestart:当服务重启时执行相应命令；
• socket: 创建名为/dev/socket/<name>的socket
• critical: 在规定时间内该service不断重启，则系统会重启并进入恢复模式

default: 意味着disabled=false，oneshot=false，critical=false。

三、启动服务

1.服务启动(Zygote)

在init.zygote.rc文件中，zygote服务定义如下：

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart media
    onrestart restart netd

Zygote服务会随着main class的启动而启动，退出后会由init重启zygote，即使多次重启也不会进入recovery模式。zygote所对应的可执行文件是/system/bin/app_process。

流程如下：

2. 服务重启

当init子进程退出时，会产生SIGCHLD信号，并发送给init进程，通过socket套接字传递数据，调用到wait_for_one_process()方法，根据是否是oneshot，来决定是重启子进程，还是放弃启动。

所有的Service里面只有servicemanager ，zygote ，surfaceflinger这3个服务有onrestart关键字来触发其他service启动过程。

//zygote可触发media、netd重启
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart media
    onrestart restart netd

//servicemanager可触发healthd、zygote、media、surfaceflinger、drm重启
service servicemanager /system/bin/servicemanager
    class core
    user system
    group system
    critical
    onrestart restart healthd
    onrestart restart zygote
    onrestart restart media
    onrestart restart surfaceflinger
    onrestart restart drm

//surfaceflinger可触发zygote重启
service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
    class core
    user system
    group graphics drmrpc
    onrestart restart zygote

由上可知：

• zygote：触发media、netd以及子进程(包括system_server进程)重启；
• system_server: 触发zygote重启;
• surfaceflinger：触发zygote重启;
• servicemanager: 触发zygote、healthd、media、surfaceflinger、drm重启

所以，surfaceflinger,servicemanager,zygote自身以及system_server进程被杀都会触发Zygote重启。

四、Zygote

　　Zygote是由init进程通过解析init.zygote.rc文件而创建的，zygote所对应的可执行程序app_process，所对应的源文件是App_main.cpp，进程名为zygote。

从App_main()开始，Zygote启动过程的函数调用类大致流程如下：

五、Zygote启动过程

1. App_main.main

[-> App_main.cpp]

int main(int argc, char* const argv[])
{
    //传到的参数argv为“-Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server”
    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
  //设置进程名
    if (!niceName.isEmpty()) {
        runtime.setArgv0(niceName.string());
        set_process_name(niceName.string());
    }
    if (zygote) {
        // 启动AppRuntime 
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        //没有指定类名或zygote，参数错误
        return 10;
    }
}

2.start

[-> AndroidRuntime.cpp]

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    static const String8 startSystemServer("start-system-server");// 虚拟机创建
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);
    // JNI方法注册
    if (startReg(env) < 0) {
        return;
    }//将"com.android.internal.os.ZygoteInit"转换为"com/android/internal/os/ZygoteInit"
    char* slashClassName = toSlashClassName(className);
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ...
    } else {
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        // 调用ZygoteInit.main()方法
        env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
    }
}

六. 进入Java层

AndroidRuntime.start()执行到最后通过反射调用到ZygoteInit.main()

1. ZygoteInit.main

[–>ZygoteInit.java]

public static void main(String argv[]) {
    try {
        ...
        registerZygoteSocket(socketName); //为Zygote注册socket
        preload(); // 预加载类和资源
        if (startSystemServer) {
            startSystemServer(abiList, socketName);//启动system_server
        }
        runSelectLoop(abiList); //进入循环模式
        closeServerSocket();
    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run(); //启动system_server
    } catch (RuntimeException ex) {
        closeServerSocket();
        throw ex;
    }
}

在异常捕获后调用的方法caller.run()

2. preload

[–>ZygoteInit.java]

static void preload() {
    //预加载位于/system/etc/preloaded-classes文件中的类
    preloadClasses();

    //预加载资源，包含drawable和color资源
    preloadResources();

    //预加载OpenGL
    preloadOpenGL();

    //通过System.loadLibrary()方法，
    //预加载"android","compiler_rt","jnigraphics"这3个共享库
    preloadSharedLibraries();

    //预加载 文本连接符资源
    preloadTextResources();

    //仅用于zygote进程，用于内存共享的进程
    WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
}

3. startSystemServer

[–>ZygoteInit.java]

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName) throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {//参数准备
    String args[] = {
        "--setuid=1000",
        "--setgid=1000",
        "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007",
        "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
        "--nice-name=system_server",
        "--runtime-args",
        "com.android.server.SystemServer",
    };

    ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
    int pid;
    try {
        //用于解析参数，生成目标格式
        parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
        ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
        ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

        // fork子进程，用于运行system_server
        pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags,
                null,
                parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    }

    //进入子进程system_server
    if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }
        // 完成system_server进程剩余的工作
        handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }
    return true;
}

　　准备参数并fork新进程，从上面可以看出system server进程参数信息为uid=1000,gid=1000,进程名为sytem_server，从zygote进程fork新进程后，需要关闭zygote原有的socket。

4. runSelectLoop

[–>ZygoteInit.java]

private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
    ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
    //sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0]
    fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
    peers.add(null);

    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 {
             //处理轮询状态，当pollFds有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里
            Os.poll(pollFds, -1);
        } catch (ErrnoException ex) {
            ...
        }
        
        for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
            //采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行；
            // 否则进入continue，跳出本次循环。
            if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                continue;
            }
            if (i == 0) {
                //即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求；
                // 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds.
            } else {
                //i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作
                boolean done = peers.get(i).runOnce();
                if (done) {
                    peers.remove(i);
                    fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符
                }
            }
        }
    }
}

Zygote采用高效的I/O多路复用机制，保证在没有客户端连接请求或数据处理时休眠，否则响应客户端的请求。

5. runOnce

[-> ZygoteConnection.java]

boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

    String args[];
    Arguments parsedArgs = null;
    FileDescriptor[] descriptors;

    try {
        //读取socket客户端发送过来的参数列表
        args = readArgumentList();
        descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
    } catch (IOException ex) {
        ...
        return true;
    }
    ...

    try {
        //将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式
        parsedArgs = new Arguments(args);
    
        pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
                parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,
                parsedArgs.appDataDir);
    } catch (Exception e) {
        ...
    }

    try {
        if (pid == 0) {
            //子进程执行
            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            serverPipeFd = null;
            //进入子进程流程
            handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
            return true;
        } else {
            //父进程执行
            IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
            childPipeFd = null;
            return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
        }
    } finally {
        IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
        IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
    }
}

七、总结

Zygote启动过程的调用流程图：

1. 解析init.zygote.rc中的参数，创建AppRuntime并调用AppRuntime.start()方法；
2. 调用AndroidRuntime的startVM()方法创建虚拟机，再调用startReg()注册JNI函数；
3. 通过JNI方式调用ZygoteInit.main()，第一次进入Java世界；
4. registerZygoteSocket()建立socket通道，zygote作为通信的服务端，用于响应客户端请求；
5. preload()预加载通用类、drawable和color资源、openGL以及共享库以及WebView，用于提高app启动效率；
6. zygote完毕大部分工作，接下来再通过startSystemServer()，fork得力帮手system_server进程，也是上层framework的运行载体。
7. zygote功成身退，调用runSelectLoop()，随时待命，当接收到请求创建新进程请求时立即唤醒并执行相应工作。