Android系統啟動系列----init進程

Android系統啟動系列

Android系統啟動系列----init進程
Android系統啟動系列----Zygote進程

引言

在開發app的過程中，是不是會有疑問：

java程序的運行不是從main方法開始么，怎么app入口是Application的onCreate方法？
那java的運行環境虛擬機Dalvik VM和ART又是什么時候創建的？又是由誰創建的？
安卓是Linux內核，那內核創建后系統又做了什么初始化了整個安卓環境？
當我們的手機或者安卓系統設備按下電源按鍵的時候，系統都做什么？

當按下電源的那一刻都發生了啥：

今天的分析都是基于Android 6.0系統的分析。

第一步：啟動電源

當電源按下，引導芯片代碼開始從預定義的地方（固化在ROM）開始執行。加載引導程序到RAM，然后執行。

第二步：執行引導程序（Boot Loader）

通常在運行Android系統之前會先執行Boot Loader引導程序，它不屬于Android系統，常見的引導程序有：redboot、uboot、qi bootloader等等。或者自行開發引導程序，它是針對特定主板和芯片的，OEM制造廠商或者運營商在加鎖的時候就對這個引導程序做修改，比如魅族就是修改了引導程序，所以刷不了機。

第三步：內核

Android內核與桌面linux內核啟動的方式差不多。內核啟動時，設置緩存、被保護存儲器、計劃列表，加載驅動。當內核完成系統設置，它首先在系統文件中尋找”init”文件，然后啟動root進程或者系統的第一個進程。

第四步：執行init進程

init進程是Android系統啟動的第一個用戶空間進程，init進程主要做兩個事情。第一：掛載目錄，如：掛載了/sys /dev /proc 等目錄。第二：解析執行init.rc腳本文件。

系統編譯，刷入手機后，init的進程保存在/system/core/bin目錄中，對應程序的源代碼入口是/system/core/init/init.cpp。

int main(int argc, char** argv) {if (!is_first_stage) {// Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));// 初始化屬性服務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.process_kernel_dt();process_kernel_cmdline();// Propogate the kernel variables to internal variables// used by init as well as the current required properties.export_kernel_boot_props();}........//  開始屬性服務start_property_service();// 初始化“init.rc”配置文件解析器init_parse_config_file("/init.rc");action_for_each_trigger("early-init", action_add_queue_tail);........
}
復制代碼

主要看init.rc腳本文件的解析，在說解析前，先來了解下配置腳本的內容，這是一個內建的腳本語言也叫Android初始化語言，有自己的語法結構，大概介紹下： Android初始化語言由四大類型的聲明組成，即Actions（動作）、Commands（命令）、Services（服務）、以及Options（選項）。 Action（動作）：動作是以命令流程命名的，有一個觸發器決定動作是否發生。

on early-init# Set init and its forked children's oom_adj.write /proc/1/oom_score_adj -1000# Set the security context of /adb_keys if present.restorecon /adb_keysstart ueventdon initsysclktz 0# Backward compatibility.symlink /system/etc /etcsymlink /sys/kernel/debug /d# Link /vendor to /system/vendor for devices without a vendor partition.symlink /system/vendor /vendor# Create cgroup mount point for cpu accountingmkdir /acctmount cgroup none /acct cpuacctmkdir /acct/uid
復制代碼

以上腳本中，on early-init、on init就是 Action類型的語句，語法格式為：

on <trigger> [&& <trigger>]*     //設置觸發器  <command>  <command>      //動作觸發之后要執行的命令
復制代碼

Service（服務）：服務是init進程啟動的程序、當服務退出時init進程會視情況重啟服務，語法格式為：

 service <name> <pathname> [ <argument> ]*   //<service的名字><執行程序路徑><傳遞參數>  <option>       //option是service的修飾詞，影響什么時候、如何啟動services  <option>  ... 
復制代碼

下面是默認的init.rc文件，主要的事件及其服務。

Action/Service	描述
on early-init	設置init進程以及它創建的子進程的優先級，設置init進程的安全環境
on init	設置全局環境，為cpu accounting創建cgroup(資源控制)掛載點
on fs	掛載mtd分區
on post-fs	改變系統目錄的訪問權限
on post-fs-data	改變/data目錄以及它的子目錄的訪問權限
on-boot	基本網絡的初始化，內存管理等等
service servicemanager	啟動系統管理器管理所有的本地服務，比如位置、音頻、Shared preference等等…
service zygote	啟動zygote進程

通常在這個階段，我們可以在屏幕上看到“Android logo”字樣或者圖標。

我們重點來看看zygote進程相關的屬性配置，它是獨立的一個rc文件在/system/core/rootdir/init.zygote32.rc

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-serverclass mainsocket zygote stream 660 root systemonrestart write /sys/android_power/request_state wakeonrestart write /sys/power/state ononrestart restart mediaonrestart restart netdwritepid /dev/cpuset/foreground/tasks
復制代碼

執行zygote程序，其實是通過執行app_process程序，然后傳入xzygote等等參數實現的。先找到app_process程序的源碼所在地：/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp 直接看程序的main函數：

int main(int argc, char* const argv[])
{if (prctl(PR_SET_NO_NEW_PRIVS, 1, 0, 0, 0) < 0) {// Older kernels don't understand PR_SET_NO_NEW_PRIVS and return// EINVAL. Don't die on such kernels.if (errno != EINVAL) {LOG_ALWAYS_FATAL("PR_SET_NO_NEW_PRIVS failed: %s", strerror(errno));return 12;}}AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));// Process command line arguments// ignore argv[0]argc--;argv++;int i;for (i = 0; i < argc; i++) {if (argv[i][0] != '-') {break;}if (argv[i][1] == '-' && argv[i][2] == 0) {++i; // Skip --.break;}runtime.addOption(strdup(argv[i]));}// Parse runtime arguments.  Stop at first unrecognized option.bool zygote = false;bool startSystemServer = false;bool application = false;String8 niceName;String8 className;++i;  // Skip unused "parent dir" argument.while (i < argc) {const char* arg = argv[i++];if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {zygote = true;niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;} else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {startSystemServer = true;} else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {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;}}Vector<String8> args;if (!className.isEmpty()) {args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);} else {// We're in zygote mode.maybeCreateDalvikCache();if (startSystemServer) {args.add(String8("start-system-server"));}char prop[PROP_VALUE_MAX];if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) {LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: Unable to determine ABI list from property %s.",ABI_LIST_PROPERTY);return 11;}String8 abiFlag("--abi-list=");abiFlag.append(prop);args.add(abiFlag);// In zygote mode, pass all remaining arguments to the zygote// main() method.for (; i < argc; ++i) {args.add(String8(argv[i]));}}if (!niceName.isEmpty()) {runtime.setArgv0(niceName.string());set_process_name(niceName.string());}// 如果參數是--zygote，那么runtime.start執行zygote進程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.");return 10;}
}
復制代碼

上面就是通過app_process進程，啟動zygote進程的入口，執行啟動zygote的程序的在java層的/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java，接下來我們看看：runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote)都干了啥。 runtime是AppRuntime類的對象，start函數在其父類AndroidRuntime中聲明和實現。AndroidRuntime是不是很熟悉了，Android的運行時，通常app異常的時候這玩意是不是總伴隨你左右。原來這玩意這么早就啟動在監控系統的一舉一動了。

/** 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".** Passes the main function two arguments, the class name and the specified* options string.*/
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{....../* start the virtual machine */JniInvocation jni_invocation;jni_invocation.Init(NULL);JNIEnv* env;if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {  // 1return;}onVmCreated(env);   // 2/** Register android functions.*/if (startReg(env) < 0) {ALOGE("Unable to register all android natives\n");return;}/** We want to call main() with a String array with arguments in it.* At present we have two arguments, the class name and an option string.* Create an array to hold them.*/jclass stringClass;jobjectArray strArray;jstring classNameStr;stringClass = env->FindClass("java/lang/String");assert(stringClass != NULL);strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);assert(strArray != NULL);classNameStr = env->NewStringUTF(className);assert(classNameStr != NULL);env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr); for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());assert(optionsStr != NULL);env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);}/** Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will* not return until the VM exits.*/char* slashClassName = toSlashClassName(className);jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);  // 3if (startClass == NULL) {ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);/* keep going */} else {jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main","([Ljava/lang/String;)V");  // 4if (startMeth == NULL) {ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);/* keep going */} else {env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);  // 5#if 0if (env->ExceptionCheck())threadExitUncaughtException(env);
#endif}}......
}
復制代碼

注釋1：startVm顧名思義啟動虛擬機，在此啟動java虛擬機，當然這個是運行zygote進程的虛擬機，也就回答了文章最開始引言問題，虛擬機由app_process的AndroidRuntime創建。
注釋2：虛擬機創建后的回調處理，主要是創建一些資源。
注釋3：className就是app_process中傳入的參數“com.android.internal.os.ZygoteInit”，因為ZygoteInit是java層的，所以需要使用jni來找到ZygoteInit.class，startClass就是ZygoteInit.class
注釋4：通過jni的GetStaticMethodID函數獲取到ZygoteInit.java的靜態main方法的類似于反射的Mehod對象引用。
注釋5：最后通過JNI的CallStaticVoidMethod函數類似于java反射的invoke方法，調用了4中獲取的main方法的Method引用。（如果對JNI不熟的可以看看JNI系列入門文章）

如上就是Zygote進程的啟動方式。

總結

手機按下電源后，加載引導程序到內存中。
執行引導程序
啟動內核，設置緩存、被保護存儲器、計劃列表，加載驅動，查找/system/core/bin中init程序文件。
啟動init程序，掛載/sys /dev /proc等等目錄，加載和解析init.rc腳本。
在加載init.rc腳本的時候，啟動app_process進程。
在app_process進程中，根據init.zygote32.rc腳本配置的參數，啟動zygote進程。
最終zygote進程的執行，即ZygoteInit.java文件main方法的執行，是由AndroidRuntime通過JNI的方式調用main方法執行的。在這之前啟動了Dalvik VM或者ART虛擬機。