Android系统启动过程全解析

    Android系统是一款基于Linux的移动操作系统，那么Android是如何启动起来的呢？本文就详细阐述Android系统的启动过程。

       从内核之上，我们首先应该从文件系统的init开始，因为 init 是内核进入文件系统后第一个运行的程序，通常我们可以在linux的命令行中指定内核第一个调用谁，如果没指定那么内核将会到/sbin/、/bin/ 等目录下查找默认的init，如果没有找到那么就报告出错。

       init.c位置：system/core/init/init.c。

       在init.c的main函数里面完成以下步骤：

       1、创建设备节点。

       2、初始化log系统。

       3、解析init.rc文件，解析函数在同一目录的parser.c里面实现。

       4、初始化属性服务器，在同一目录下的property_service.c里面实现。

       。。。。

       最后、进入loop等待事件到来。

       init.rc的解析过程

       init.rc是一个初始化脚本，路径（不确定）：device/renesas/emev/init.rc

       在init.c的main函数里面，调用parser.c的parse_config_file("/init.rc");执行解析过程。

       先读取文件内容到data里面，再调用parse_config(fn, data);进行解析。

       init.rc包含Android初始化语言的四大类声明：行为类(Actions)、命令类(Commands)、服务类(Services)、选项类(Options)，解析完会形成两个列表service_list 和action_list。

       其中有一个很重要的服务就是zygote，在init.rc里面的片段：

Java代码

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

       这是脚本中service的格式：

Java代码

service <name> <pathname> [ <argument> ]*
<option>
<option>
...

       zygote对应的可执行文件为app_process，android2.2中它的源代码位置：framework/base/cmds/app_process。

       app_main.cpp的main函数，它先调用AndroidRuntime::addVmArguments将它的参数“-Xzygote /system/bin”传给AndroidRuntime作为启动JavaVM用。接着如果定位余下的参数，如果有"--zygote"，执行下面代码，从参数可以知道，这时候要求启动start system server，并且将com.android.internal.os.ZygoteInit装载至虚拟机。

C++代码

ZygoteInit.java的main方法)。
        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);
        }

       否则不启动system server：

C++代码

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.
",
     getpid(), runtime.getClassName());
runtime.start();

       runtime是AppRuntime对象，继承自AndroidRuntime，在AndroitRuntime.app里的start()函数如下，默认装载的是RuntimeInit进程，不启动system server。

C++代码

void AndroidRuntime::start()
{
    start("com.android.internal.os.RuntimeInit",
        false /* Don't start the system server */);
}

       在AndroidRuntime.cpp的start方法内，先启动JAVA虚拟机，在定位执行className类的main方法（如果才存在的话）。

C++代码

void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)
{
    LOGD("
>>>>>>>>>>>>>> AndroidRuntime START <<<<<<<<<<<<<<
");


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


    startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        LOGE("JavaVM unable to locate class '%s'
", slashClassName);
        /* keep going */
    } else {
        startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            LOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'
", className);
            /* keep going */
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
        }
    }
｝

       先看怎么启动虚拟机的，在startVm方法内，先将一些系统参数选项，包括虚拟机相关的属性，保存到一个JavaVMOption的实例内，比如虚拟机的堆大小，是否check jni，JNI版本信息，最后将这些参数传给JNI_CreateJavaVM，创建JAVA虚拟机实例。

C++代码

//JNI_CreateJavaVM在jni.h中有声明，代码位置：dalvik/libnativehelper/include/nativehelper/，在Jni.c中有定义
jint JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void*);
jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM**, JNIEnv**, void*);
jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM**, jsize, jsize*);

       在JNI_CreateJavaVM中，先检查JNI的版本，为JavaVM，JNIEnv开辟空间，保存通用接口，最后解析传进来的参数，最后调用dvmStartup启动虚拟机（有些传给JNI_CreateJavaVM的参数，也直接传给了dvmStartup）。

       这里的JNIEnv实际是JNIEnvExt强制转换过来的，JNIEnvExt是JNIEnv结构体的扩展，JNIEnExt前端与JNIEnv完全对齐，都是JNI函数指针。相当于JNIEnExt对JNIEnv进行了赋值。

C++代码

pEnv = (JNIEnvExt*) dvmCreateJNIEnv(NULL);

       在dvmStartup在Init.c定义，先调用setCommandLineDefaults进行一些默认的设置，比如虚拟机的默认heap大小。

C++代码

static void setCommandLineDefaults()
{
    gDvm.heapSizeStart = 2 * 1024 * 1024;   // Spec says 16MB; too big for us.
    gDvm.heapSizeMax = 16 * 1024 * 1024;    // Spec says 75% physical mem
    gDvm.stackSize = kDefaultStackSize;
｝

       然后调用dvmProcessOptions处理传进来的参数，比如是否执行zygote，最后，根据gDvm.zygote的值，是否申请一个新的堆，这个值在有参数-Xzygote置1。

C++代码

if (gDvm.zygote) {
    if (!dvmInitZygote())
        goto fail;
} else {
    if (!dvmInitAfterZygote())
        goto fail;
}

       到这里，虚拟机算是启动成功了。

       回到AndroidRuntime.cpp的start方法，现在我们要启动ZygoteInit进程，找到ZygoteInit的main方法，调用env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);去启动它。

       CallStaticVoidMethod在Jni.c里面有定义，但不是直接定义的，因此用CallStaticVoidMethod作为函数名直接查定义是查不到的，是这样定义的：

       CALL_STATIC(void, Void, , , false);

       再看CALL_STATIC的宏定义：

C++代码

#define CALL_STATIC(_ctype, _jname, _retfail, _retok, _isref)
    static _ctype CallStatic##_jname##Method(JNIEnv* env, jclass jclazz,
        jmethodID methodID, ...)
    {
        UNUSED_PARAMETER(jclazz);
        JNI_ENTER();
        JValue result;
        va_list args;
        va_start(args, methodID);
        dvmCallMethodV(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);
        va_end(args);
        if (_isref && !dvmCheckException(_self))
            result.l = addLocalReference(env, result.l);
        JNI_EXIT();
        return _retok;
    }
    static _ctype CallStatic##_jname##MethodV(JNIEnv* env, jclass jclazz,
        jmethodID methodID, va_list args)
    {
        UNUSED_PARAMETER(jclazz);
        JNI_ENTER();
        JValue result;
        dvmCallMethodV(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);
        if (_isref && !dvmCheckException(_self))
            result.l = addLocalReference(env, result.l);
        JNI_EXIT();
        return _retok;
    }
    static _ctype CallStatic##_jname##MethodA(JNIEnv* env, jclass jclazz,
        jmethodID methodID, jvalue* args)
    {
        UNUSED_PARAMETER(jclazz);
        JNI_ENTER();
        JValue result;
        dvmCallMethodA(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);
        if (_isref && !dvmCheckException(_self))
            result.l = addLocalReference(env, result.l);
        JNI_EXIT();
        return _retok;
    }

       因此CallStaticVoidMethod调用的是dvmCallMethodV方法，至于怎么样再调用到ZygoteInit的main方法，有待研究，现在直接看ZygoteInit的main方法，它的参数是这样定义的：

C++代码

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);

       申请一个String变量，给把类名作为第0个参数，第二个参数是"ture"或"false"，用来决定是否启动system service，在ZygoteInit的main方法会读取这个参数。

C++代码

if (argv[1].equals("true")) {
    startSystemServer();
} else if (!argv[1].equals("false")) {
    throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);
}

       它读取到第一个参数是"true"，所以调用startSystemServer启动system server，在startSystemServer中，调用Zygote的forkSystemServer，fork出来的子进程，就是system server了，调用事的参数如下：

C++代码

String args[] = {
    "--setuid=1000",
    "--setgid=1000",
    "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,3001,3002,3003",
    "--capabilities=130104352,130104352",
    "--runtime-init",
    "--nice-name=system_server",
    "com.android.server.SystemServer",
};

       这些参数解析到一个ZygoteConnection.Arguments对象中。forkSystemServer方法实际上是JNI方法，在vm/native/dalvik_system_Zygote.c中有定义。

C++代码

static void Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer(
        const u4* args, JValue* pResult)
{
    pid_t pid;
    pid = forkAndSpecializeCommon(args);
    if (pid > 0) {
        int status;


        LOGI("System server process %d has been created", pid);
        gDvm.systemServerPid = pid;


        if (waitpid(pid, &status, WNOHANG) == pid) {
            LOGE("System server process %d has died. Restarting Zygote!", pid);
            kill(getpid(), SIGKILL);
        }
    }
    RETURN_INT(pid);
}

       具体的fork操作在forkAndSpecializeCommon里面进行，父进程检查子进程是否died。

       在forkAndSpecializeCommon，先判断是否zygote模式，是否剩余有足够的heap空间，最后才执行fork()系统调用。

       fork之后，父进程不做操作，子进程调用dvmInitAfterZygote去为自己申请堆空间。

       子进程返回到startSystemServer方法。

C++代码

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

       调用handleSystemServerProcess方法，在里面先设置uid的权限，再调用RuntimeInit.zygoteInit。

C++代码

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

       在zygoteInit里面调用invokeStaticMain，invokeStaticMain先将com.android.server.Systemserver类的main方法取出，作为Method对象，然后和参数一起传给ZygoteInit.MethodAndArgsCaller，MethodAndArgsCaller继承自Runner，最终MethodAndArgsCaller调用Method.invode函数启动System Server。