Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析

Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析
   在Android系统中，所有的应用程序进程以及系统服务进程SystemServer都是由Zygote进程孕育（fork）出来的，这也许就是为什么要把它称为Zygote（受精卵）的原因吧。由于Zygote进程在Android系统中有着如此重要的地位，本文将详细分析它的启动过程。
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   在前面一篇文章Android应用程序进程启动过程的源代码分析中，我们看到了，当ActivityManagerService启动一个应用程序的时候，就会通过Socket与Zygote进程进行通信，请求它fork一个子进程出来作为这个即将要启动的应用程序的进程；在前面两篇文章Android应用程序安装过程源代码分析和Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中，我们又看到了，系统中的两个重要服务PackageManagerService和ActivityManagerService，都是由SystemServer进程来负责启动的，而SystemServer进程本身是Zygote进程在启动的过程中fork出来的。
   我们知道，Android系统是基于Linux内核的，而在Linux系统中，所有的进程都是init进程的子孙进程，也就是说，所有的进程都是直接或者间接地由init进程fork出来的。Zygote进程也不例外，它是在系统启动的过程，由init进程创建的。在系统启动脚本system/core/rootdir/init.rc文件中，我们可以看到启动Zygote进程的脚本命令：
```
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
```
   前面的关键字service告诉init进程创建一个名为"zygote"的进程，这个zygote进程要执行的程序是/system/bin/app_process，后面是要传给app_process的参数。
   接下来的socket关键字表示这个zygote进程需要一个名称为"zygote"的socket资源，这样，系统启动后，我们就可以在/dev/socket目录下看到有一个名为zygote的文件。这里定义的socket的类型为unix domain socket，它是用来作本地进程间通信用的，具体可以参考前面一篇文章Android学习启动篇提到的一书《Linux内核源代码情景分析》的第七章--基于socket的进程间通信。前面我们说到的ActivityManagerService就是通这个socket来和zygote进程通信请求fork一个应用程序进程的了。
   最后的一系列onrestart关键字表示这个zygote进程重启时需要执行的命令。
   关于init.rc文件的更多信息，请参考system/core/init/readme.txt文件。
   了解了这个信息之后，我们就知道Zygote进程要执行的程序便是system/bin/app_process了，它的源代码位于frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中，入口函数是main。在继续分析Zygote进程启动的过程之前，我们先来看看它的启动序列图：

   下面我们就详细分析每一个步骤。
   Step 1. app_process.main
   这个函数定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中：
```
int main(int argc, const char* const argv[])
{
	// These are global variables in ProcessState.cpp
	mArgC = argc;
	mArgV = argv;

	mArgLen = 0;
	for (int i=0; i<argc; i++) {
		mArgLen += strlen(argv[i]) + 1;
	}
	mArgLen--;

	AppRuntime runtime;
	const char *arg;
	argv0 = argv[0];

	// Process command line arguments
	// ignore argv[0]
	argc--;
	argv++;

	// Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vm

	int i = runtime.addVmArguments(argc, argv);

	// Next arg is parent directory
	if (i < argc) {
		runtime.mParentDir = argv[i++];
	}

	// Next arg is startup classname or "--zygote"
	if (i < argc) {
		arg = argv[i++];
		if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
			bool startSystemServer = (i < argc) ?
				strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
			setArgv0(argv0, "zygote");
			set_process_name("zygote");
			runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
				startSystemServer);
		} else {
			set_process_name(argv0);

			runtime.mClassName = arg;

			// Remainder of args get passed to startup class main()
			runtime.mArgC = argc-i;
			runtime.mArgV = argv+i;

			LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",
				getpid(), runtime.getClassName());
			runtime.start();
		}
	} else {
		LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
		fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
		app_usage();
		return 10;
	}

}
```
这个函数的主要作用就是创建一个AppRuntime变量，然后调用它的start成员函数。AppRuntime这个类我们在Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文中已经有过介绍了，它同样是在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中定义：
```
class AppRuntime : public AndroidRuntime
{
	......
};
```
它约继承于AndroidRuntime类， AndroidRuntime类定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：
```
......

static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;

......

AndroidRuntime::AndroidRuntime()
{
	......

	assert(gCurRuntime == NULL);        // one per process
	gCurRuntime = this;
}
```
当AppRuntime对象创建时，会调用其父类AndroidRuntime的构造函数，而在AndroidRuntime类的构造函数里面，会将this指针保存在静态全局变量gCurRuntime中，这样，当其它地方需要使用这个AppRuntime对象时，就可以通过同一个文件中的这个函数来获取这个对象的指针：
```
AndroidRuntime* AndroidRuntime::getRuntime()
{
    return gCurRuntime;
}
```
回到上面的main函数中，由于我们在init.rc文件中，设置了app_process启动参数--zygote和--start-system-server，因此，在main函数里面，最终会执行下面语句：
```
    runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
	startSystemServer);
```
   这里的参数startSystemServer为true，表示要启动SystemServer组件。由于AppRuntime没有实现自己的start函数，它继承了父类AndroidRuntime的start函数，因此，下面会执行AndroidRuntime类的start函数。
   Step 2. AndroidRuntime.start
   这个函数定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：
```
/*
* Start the Android runtime.  This involves starting the virtual machine
* and calling the "static void main(String[] args)" method in the class
* named by "className".
*/
void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)
{
	......

	char* slashClassName = NULL;
	char* cp;
	JNIEnv* env;

	......

	/* start the virtual machine */
	if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
		goto bail;

	/*
	* Register android functions.
	*/
	if (startReg(env) < 0) {
		LOGE("Unable to register all android natives\n");
		goto bail;
	}

	/*
	* We want to call main() with a String array with arguments in it.
	* At present we only have one argument, the class name.  Create an
	* array to hold it.
	*/
	jclass stringClass;
	jobjectArray strArray;
	jstring classNameStr;
	jstring startSystemServerStr;
	stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
	assert(stringClass != NULL);
	strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);
	assert(strArray != NULL);
	classNameStr = env->NewStringUTF(className);
	assert(classNameStr != NULL);
	env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
	startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?
		"true" : "false");
	env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);

	/*
	* Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
	* not return until the VM exits.
	*/
	jclass startClass;
	jmethodID startMeth;

	slashClassName = strdup(className);
	for (cp = slashClassName; *cp != '\0'; cp++)
		if (*cp == '.')
			*cp = '/';

	startClass = env->FindClass(slashClassName);
	if (startClass == NULL) {
		......
	} else {
		startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
			"([Ljava/lang/String;)V");
		if (startMeth == NULL) {
			......
		} else {
			env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
			......
		}
	}

	......
}
```
   这个函数的作用是启动Android系统运行时库，它主要做了三件事情，一是调用函数startVM启动虚拟机，二是调用函数startReg注册JNI方法，三是调用了com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数。
   Step 3. ZygoteInit.main
   这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
```
public class ZygoteInit {
	......

	public static void main(String argv[]) {
		try {
			......

			registerZygoteSocket();
			
			......

			......

			if (argv[1].equals("true")) {
				startSystemServer();
			} else if (!argv[1].equals("false")) {
				......
			}

			......

			if (ZYGOTE_FORK_MODE) {
				......
			} else {
				runSelectLoopMode();
			}

			......
		} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
			......
		} catch (RuntimeException ex) {
			......
		}
	}

	......
}
```
   它主要作了三件事情，一个调用registerZygoteSocket函数创建了一个socket接口，用来和ActivityManagerService通讯，二是调用startSystemServer函数来启动SystemServer组件，三是调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程。
   Step 4. ZygoteInit.registerZygoteSocket
     这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
```
public class ZygoteInit {
	......

	/**
	* Registers a server socket for zygote command connections
	*
	* @throws RuntimeException when open fails
	*/
	private static void registerZygoteSocket() {
		if (sServerSocket == null) {
			int fileDesc;
			try {
				String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);
				fileDesc = Integer.parseInt(env);
			} catch (RuntimeException ex) {
				......
			}

			try {
				sServerSocket = new LocalServerSocket(
					createFileDescriptor(fileDesc));
			} catch (IOException ex) {
				.......
			}
		}
	}
		
	......
}
```
这个socket接口是通过文件描述符来创建的，这个文件描符代表的就是我们前面说的/dev/socket/zygote文件了。这个文件描述符是通过环境变量ANDROID_SOCKET_ENV得到的，它定义为：
```
public class ZygoteInit {
	......

	private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote";
		
	......
}
```
那么，这个环境变量的值又是由谁来设置的呢？我们知道，系统启动脚本文件system/core/rootdir/init.rc是由init进程来解释执行的，而init进程的源代码位于system/core/init目录中，在init.c文件中，是由service_start函数来解释init.rc文件中的service命令的：
```
void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
{
	......

	pid_t pid;

	......

	pid = fork();

	if (pid == 0) {
		struct socketinfo *si;

		......

		for (si = svc->sockets; si; si = si->next) {
			int socket_type = (
				!strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM :
				(!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET));
			int s = create_socket(si->name, socket_type,
				si->perm, si->uid, si->gid);
			if (s >= 0) {
				publish_socket(si->name, s);
			}
		}

		......
	}

	......
}
```
每一个service命令都会促使init进程调用fork函数来创建一个新的进程，在新的进程里面，会分析里面的socket选项，对于每一个socket选项，都会通过create_socket函数来在/dev/socket目录下创建一个文件，在这个场景中，这个文件便是zygote了，然后得到的文件描述符通过publish_socket函数写入到环境变量中去：
```
static void publish_socket(const char *name, int fd)
{
    char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX;
    char val[64];

    strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) - 1,
            name,
            sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX));
    snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd);
    add_environment(key, val);

    /* make sure we don't close-on-exec */
    fcntl(fd, F_SETFD, 0);
}
```
这里传进来的参数name值为"zygote"，而ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX在system/core/include/cutils/sockets.h定义为：
```
#define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX	"ANDROID_SOCKET_"
```
因此，这里就把上面得到的文件描述符写入到以"ANDROID_SOCKET_zygote"为key值的环境变量中。又因为上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数与这里创建socket文件的create_socket函数是运行在同一个进程中，因此，上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数可以直接使用这个文件描述符来创建一个Java层的LocalServerSocket对象。如果其它进程也需要打开这个/dev/socket/zygote文件来和Zygote进程进行通信，那就必须要通过文件名来连接这个LocalServerSocket了，参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文中的Step 4，ActivityManagerService是通过Process.start函数来创建一个新的进程的，而Process.start函数会首先通过Socket连接到Zygote进程中，最终由Zygote进程来完成创建新的应用程序进程，而Process类是通过openZygoteSocketIfNeeded函数来连接到Zygote进程中的Socket的：
```
public class Process {  
	......  
 
	private static void openZygoteSocketIfNeeded()  
			throws ZygoteStartFailedEx {  

		......

		for (int retry = 0  
			; (sZygoteSocket == null) && (retry < (retryCount + 1))  
			; retry++ ) {  

				......

				try {  
					sZygoteSocket = new LocalSocket();  
					sZygoteSocket.connect(new LocalSocketAddress(ZYGOTE_SOCKET,  
						LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED));  

					sZygoteInputStream  
						= new DataInputStream(sZygoteSocket.getInputStream());  

					sZygoteWriter =  
						new BufferedWriter(  
						new OutputStreamWriter(  
						sZygoteSocket.getOutputStream()),  
						256);  

					......  
				} catch (IOException ex) {  
					......  
				}  
		}  

		......  
	}  

	......  
}
```
这里的ZYGOTE_SOCKET定义为：
```
public class Process {  
	......  
 
	private static final String ZYGOTE_SOCKET = "zygote";  

	......  
} 
```
   它刚好就是对应/dev/socket目录下的zygote文件了。
   Android系统中的socket机制和binder机制一样，都是可以用来进行进程间通信，读者可以自己对比一下这两者的不同之处，Binder进程间通信机制可以参考Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划一文。
   Socket对象创建完成之后，回到Step 3中的ZygoteInit.main函数中，startSystemServer函数来启动SystemServer组件。
   Step 5. ZygoteInit.startSystemServer
     这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
```
public class ZygoteInit {
	......

	private static boolean startSystemServer()
			throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
		/* Hardcoded command line to start the system server */
		String args[] = {
			"--setuid=1000",
			"--setgid=1000",
			"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,3001,3002,3003",
			"--capabilities=130104352,130104352",
			"--runtime-init",
			"--nice-name=system_server",
			"com.android.server.SystemServer",
		};
		ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

		int pid;

		try {
			parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);

			......

			/* Request to fork the system server process */
			pid = Zygote.forkSystemServer(
				parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
				parsedArgs.gids, debugFlags, null,
				parsedArgs.permittedCapabilities,
				parsedArgs.effectiveCapabilities);
		} catch (IllegalArgumentException ex) {
			......
		}

		/* For child process */
		if (pid == 0) {
			handleSystemServerProcess(parsedArgs);
		}

		return true;
	}
	
	......
}
```
   这里我们可以看到，Zygote进程通过Zygote.forkSystemServer函数来创建一个新的进程来启动SystemServer组件，返回值pid等0的地方就是新的进程要执行的路径，即新创建的进程会执行handleSystemServerProcess函数。
   Step 6. ZygoteInit.handleSystemServerProcess
   这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
```
public class ZygoteInit {
	......

	private static void handleSystemServerProcess(
			ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
			throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
		closeServerSocket();

		/*
		* Pass the remaining arguments to SystemServer.
		* "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"
		*/
		RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);
		/* should never reach here */
	}

	......
} 
```
   由于由Zygote进程创建的子进程会继承Zygote进程在前面Step 4中创建的Socket文件描述符，而这里的子进程又不会用到它，因此，这里就调用closeServerSocket函数来关闭它。这个函数接着调用RuntimeInit.zygoteInit函数来进一步执行启动SystemServer组件的操作。
   Step 7. RuntimeInit.zygoteInit
   这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：
```
public class RuntimeInit {  
	......  

	public static final void zygoteInit(String[] argv)  
			throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {  
		......  
  
		zygoteInitNative();  

		......  


		// Remaining arguments are passed to the start class's static main  

		String startClass = argv[curArg++];  
		String[] startArgs = new String[argv.length - curArg];  

		System.arraycopy(argv, curArg, startArgs, 0, startArgs.length);  
		invokeStaticMain(startClass, startArgs);  
	}  

	......  
}
```
   这个函数会执行两个操作，一个是调用zygoteInitNative函数来执行一个Binder进程间通信机制的初始化工作，这个工作完成之后，这个进程中的Binder对象就可以方便地进行进程间通信了，另一个是调用上面Step 5传进来的com.android.server.SystemServer类的main函数。
   Step 8. RuntimeInit.zygoteInitNative
     这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：
```
public class RuntimeInit {  
	......  

	public static final native void zygoteInitNative();  

	......  
}
```
   这里可以看出，函数zygoteInitNative是一个Native函数，实现在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中，这里我们就不再细看了，具体可以参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的Step 9，完成这一步后，这个进程的Binder进程间通信机制基础设施就准备好了。
   回到Step 7中的RuntimeInit.zygoteInitNative函数，下一步它就要执行com.android.server.SystemServer类的main函数了。
   Step 9. SystemServer.main
   这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件中：
```
public class SystemServer  
{  
	......  

	native public static void init1(String[] args);  

	......  

	public static void main(String[] args) {  
		......  

		init1(args);  

		......  
	} 

	public static final void init2() {  
		Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");  
		Thread thr = new ServerThread();  
		thr.setName("android.server.ServerThread");  
		thr.start();  
	}  

	......  
}
```
   这里的main函数首先会执行JNI方法init1，然后init1会调用这里的init2函数，在init2函数里面，会创建一个ServerThread线程对象来执行一些系统关键服务的启动操作，例如我们在前面两篇文章Android应用程序安装过程源代码分析和Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中提到的PackageManagerService和ActivityManagerService。
   这一步的具体执行过程可以参考Android应用程序安装过程源代码分析一文，这里就不再详述了。
   这里执行完成后，层层返回，最后回到上面的Step 3中的ZygoteInit.main函数中，接下来它就要调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面Step 4中创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程了。
   Step 10. ZygoteInit.runSelectLoopMode
   这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
```
public class ZygoteInit {
	......

	private static void runSelectLoopMode() throws MethodAndArgsCaller {
		ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList();
		ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList();
		FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];

		fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
		peers.add(null);

		int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
		while (true) {
			int index;

			......


			try {
				fdArray = fds.toArray(fdArray);
				index = selectReadable(fdArray);
			} catch (IOException ex) {
				throw new RuntimeException("Error in select()", ex);
			}

			if (index < 0) {
				throw new RuntimeException("Error in select()");
			} else if (index == 0) {
				ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
				peers.add(newPeer);
				fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
			} else {
				boolean done;
				done = peers.get(index).runOnce();

				if (done) {
					peers.remove(index);
					fds.remove(index);
				}
			}
		}
	}

	......
}      
```
   这个函数我们已经在Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的Step 5中分析过了，这就是在等待ActivityManagerService来连接这个Socket，然后调用ZygoteConnection.runOnce函数来创建新的应用程序，有兴趣的读者可以参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析这篇文章，这里就不再详述了。
   这样，Zygote进程就启动完成了，学习到这里，我们终于都对Android系统中的进程有了一个深刻的认识了，这里总结一下：
   1. 系统启动时init进程会创建Zygote进程，Zygote进程负责后续Android应用程序框架层的其它进程的创建和启动工作。
   2. Zygote进程会首先创建一个SystemServer进程，SystemServer进程负责启动系统的关键服务，如包管理服务PackageManagerService和应用程序组件管理服务ActivityManagerService。
   3. 当我们需要启动一个Android应用程序时，ActivityManagerService会通过Socket进程间通信机制，通知Zygote进程为这个应用程序创建一个新的进程。
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