第三節 Zygote

在Android系統中，Zygote是一個非常核心的組件，它扮演著孵化新應用程序進程的角色。Zygote是Android啟動過程中創建的第一個Java虛擬機（JVM）實例（在Android中稱為Dalvik或ART虛擬機，取決于Android的版本），它負責啟動系統服務進程（如SystemServer）以及后續的所有應用程序進程。

Zygote的主要職責

1. 預加載和共享：Zygote進程會預加載Android框架的核心類庫和資源，這些資源對于后續啟動的應用程序是共享的。這意味著當新的應用程序進程被創建時，它們不需要重新加載這些共享的資源，從而加快了啟動速度。

2. 進程孵化：當需要啟動一個新的應用程序時，系統不會直接創建一個全新的進程，而是通過Zygote進程的fork()系統調用來創建一個新的進程（稱為應用程序進程）。這個新進程會繼承Zygote進程的內存空間（包括預加載的類庫和資源），然后加載應用程序特定的代碼和資源。這種機制稱為“寫時復制”（Copy-on-Write, CoW），它允許在需要時才復制內存頁，從而節省了內存和提高了效率。

3. 系統服務初始化：在Android的啟動過程中，Zygote還會負責啟動SystemServer進程，這是Android系統中一個關鍵的進程，負責初始化和管理各種系統服務（如ActivityManagerService、WindowManagerService等）。

Zygote的啟動流程

Zygote的啟動是在Android系統啟動過程中的一個早期階段。當Linux內核啟動完成后，它會啟動一個名為init的守護進程，該進程負責解析init.rc等啟動腳本，并根據這些腳本的指示啟動Zygote進程。Zygote進程啟動后，會執行一系列初始化操作，包括設置環境變量、加載類庫、預加載資源等，然后等待來自ActivityManagerService（AMS）的請求來孵化新的應用程序進程。

Zygote的重要性

Zygote在Android系統中的重要性不言而喻。它是Android應用程序能夠快速啟動和高效運行的關鍵所在。通過預加載和共享核心資源，Zygote減少了每個應用程序進程啟動時的開銷，從而提高了系統的整體性能和用戶體驗。同時，Zygote的孵化機制也確保了Android系統的穩定性和安全性，因為所有應用程序進程都是從同一個可信的源頭（即Zygote）派生出來的。

示例：

1. Zygote進程預加載資源的例子

在Android系統中，Zygote進程會預加載一系列的核心類庫和資源，以便后續的應用程序進程可以快速訪問。這些資源包括但不限于：

• Android框架的核心類庫：如android.app.Activity、android.view.View等，這些類庫是開發Android應用程序時經常使用的。
• 系統資源：如主題資源（themes）、布局資源（layouts）等，這些資源在UI開發中起著至關重要的作用。
• JNI（Java Native Interface）函數：這些函數允許Java代碼與本地代碼（如C/C++編寫的庫）進行交互，從而訪問硬件功能或執行其他需要高性能的操作。

預加載這些資源的好處是，當新的應用程序進程被創建時，它們可以立即訪問這些已經加載的資源，而無需重新加載，從而加快了啟動速度。

2. Zygote進程孵化新應用程序進程的例子

當用戶啟動一個新的Android應用程序時，系統并不會直接創建一個全新的進程來運行該應用程序。相反，它會通過Zygote進程來孵化一個新的進程。這個過程大致如下：

• 請求孵化：ActivityManagerService（AMS）收到啟動新應用程序的請求后，會向Zygote進程發送一個孵化新進程的請求。
• 處理請求：Zygote進程收到請求后，會通過fork()系統調用來創建一個新的進程。這個新進程會繼承Zygote進程的內存空間（包括預加載的類庫和資源），但會執行應用程序特定的代碼。
• 加載應用程序代碼：新進程在啟動后，會加載并運行應用程序的.apk文件中的代碼和資源。此時，由于它已經繼承了Zygote進程的許多資源，因此啟動速度會更快。

3. Zygote進程與SystemServer進程的關系

在Android系統的啟動過程中，Zygote進程還會負責啟動SystemServer進程。SystemServer進程是Android系統中一個非常重要的進程，它負責初始化和管理各種系統服務。這些服務包括但不限于：

• ActivityManagerService（AMS）：負責管理應用程序的生命周期和界面展示。
• WindowManagerService（WMS）：負責管理窗口的創建、銷毀和顯示。
• PowerManagerService（PMS）：負責管理設備的電源狀態，如屏幕亮度、睡眠模式等。

Zygote進程通過啟動SystemServer進程，間接地啟動了這些重要的系統服務，從而確保了Android系統的正常運行。

總結

Zygote進程在Android系統中扮演著至關重要的角色。它通過預加載核心資源和孵化新應用程序進程，提高了系統的整體性能和用戶體驗。同時，它還負責啟動SystemServer進程，從而啟動了Android系統中的各種重要服務。這些功能共同構成了Android系統高效、穩定運行的基石。

ActivityManagerService

ActivityManagerService（簡稱AMS）是Android系統中的一個核心服務，主要負責系統中四大組件（Activity、Service、BroadcastReceiver、ContentProvider）的啟動、切換、調度以及應用程序進程的管理和調度工作。以下是關于ActivityManagerService的詳細解析：

一、AMS的主要職責

1. 組件管理：

   • 負責啟動、停止和管理四大組件的生命周期，確保它們按照預期的方式運行。
   • 管理應用程序的任務棧，負責創建、切換、移動和關閉任務。任務棧是應用程序組件的運行環境，AMS確保任務棧的正確創建和維護，以提供用戶友好的應用程序切換體驗。

2. 進程管理：

   • 管理應用程序的進程，包括創建、殺死、調度進程。
   • 監控應用程序的資源使用情況，根據系統資源的需求動態地管理進程，以確保系統的穩定性和性能。

3. 應用間通信：

   • 處理應用程序之間的通信，例如Intent傳遞、Broadcast派發等。
   • 協調不同應用程序之間的交互，確保應用程序之間能夠正確地發送和接收消息。

4. 系統服務管理：

   • 管理系統中的其他服務，例如PackageManagerService、WindowManagerService等。
   • 負責與這些服務進行交互，以確保整個系統的正常運行。

5. 系統廣播處理：

   • 處理系統級別的廣播事件，例如屏幕解鎖、電量低等。
   • 負責分發系統廣播，并通知相關的應用程序或組件。

二、AMS的初始化

AMS的初始化是在system_server進程啟動時進行的。主要步驟包括：

1. 調用ActivityManagerService.main()方法，返回Context對象。
2. 調用ActivityManagerService.setSystemProcess()，將system_server進程加入AMS，便于后者管理。
3. 調用ActivityManagerService.installSystemProviders()，將SettingsProvider等系統級provider放到system_server進程中運行。
4. 調用ActivityManagerService.self().setWindowManager()，在內部保存WindowManagerService。
5. 調用ActivityManagerNative.getDefault().showBootMessage()，顯示啟動信息。
6. 調用ActivityManagerService.self().systemReady()，進行系統的最終準備工作，如啟動系統UI、調用Battery、Network等模塊的systemReady()方法等。

三、AMS與其他組件的交互

1. 與ActivityThread的交互：

   • ActivityThread代表一個應用進程的主線程，其main方法由所在進程的主線程執行，負責調度和執行運行在主線程的四大組件。
   • 如果需要在目標進程中啟動Activity，就要通過ApplicationThread與AMS所在的進程（system_server進程）進行通信。

2. 與Binder機制的交互：

   • AMS是一個Binder本地對象，可以實現跨進程通信。它作為服務端提供具體的服務，接收其他進程中的ActivityManagerProxy的請求。
   • ApplicationThread是ActivityThread的內部類，也是一個Binder類型的對象，可以作為應用進程的服務端，接收AMS的指令并將指令發送給ActivityThread執行。

四、總結

ActivityManagerService是Android系統中一個核心的系統服務，它協調了應用程序組件的生命周期、任務棧的管理、進程的調度以及系統服務的協同工作。通過這種方式，它確保了整個系統在用戶和應用程序之間提供了一致、流暢的運行體驗。

WindowManagerService

WindowManagerService（簡稱WMS）是Android系統中的一個重要服務，主要負責管理窗口的顯示和布局，實現窗口的創建、顯示、隱藏、移動、調整大小等功能。以下是關于WindowManagerService的詳細解析：

一、WMS的主要職責

1. 窗口管理：

   • 管理所有應用程序窗口的創建、顯示和銷毀。
   • 分配Surface給窗口，并掌管Surface的顯示順序（Z序）以及大小尺寸。
   • 確保窗口之間的重疊和遮擋關系正確，處理窗口的層級關系。

2. 窗口布局：

   • 計算窗口的位置和大小，根據窗口的屬性和布局參數，將窗口放置在正確的位置。
   • 支持窗口的動畫效果，如窗口的打開、關閉、切換等動畫。

3. 窗口交互：

   • 處理用戶與窗口的交互操作，如點擊、滑動、縮放等。
   • 分配并處理硬件產生的touch事件、keydown事件等，確保這些事件被正確的窗口所接收和處理。

4. 系統服務協作：

   • 與ActivityManagerService（AMS）等系統服務緊密協作，確保Activity的界面正確顯示并響應用戶操作。
   • 作為輸入系統（如InputManagerService）的中轉站，將用戶的輸入事件傳遞給當前活動的窗口。

二、WMS的初始化與啟動

WMS的初始化與啟動通常是在Android系統啟動時，由SystemServer進程來完成的。主要步驟包括：

1. 調用WMS的main()方法，創建WMS的實例。
2. 初始化WMS所需的各種組件和服務，如DisplayManagerService、WindowManagerPolicy等。
3. 將WMS注冊到系統服務中，使其能夠通過ServiceManager被其他組件訪問。

三、WMS的內部機制

1. 窗口狀態管理：

   • WMS內部維護了一個窗口棧（WindowStack），用于管理窗口的顯示順序和層級關系。
   • 每個窗口在WMS中都有一個對應的WindowState對象，用于保存窗口的狀態和屬性。

2. Surface管理：

   • WMS為每個窗口分配一個Surface，Surface是一個用于繪制的畫布，應用程序通過Canvas在Surface上繪制內容。
   • WMS還負責將Surface的內容渲染到屏幕上，確保窗口的顯示正確。

3. 事件分發：

   • WMS接收來自輸入系統的用戶輸入事件，如觸摸、按鍵等。
   • 根據當前的窗口焦點和層級關系，將事件分發給相應的窗口進行處理。

四、WMS與其他組件的交互

1. 與ActivityManagerService（AMS）的交互：

   • AMS負責管理和調度Activity的生命周期，WMS負責Activity對應的窗口的顯示和布局。
   • 當Activity被創建、顯示或銷毀時，AMS會通知WMS進行相應的窗口操作。

2. 與InputManagerService（IMS）的交互：

   • IMS負責處理用戶的輸入事件，如觸摸、按鍵等。
   • WMS作為輸入系統的中轉站，接收IMS傳來的輸入事件，并將其分發給正確的窗口。

3. 與SurfaceFlinger的交互：

   • SurfaceFlinger是Android系統的合成器，負責將多個Surface的內容合成到屏幕上。
   • WMS與SurfaceFlinger協作，確保窗口的內容能夠正確地顯示在屏幕上。

五、總結

WindowManagerService是Android系統中一個至關重要的服務，它負責管理和控制窗口的顯示和交互。通過與ActivityManagerService、InputManagerService等系統服務的緊密協作，WMS確保了Android應用程序的界面能夠正確、流暢地展示在用戶面前。同時，WMS還提供了豐富的窗口管理功能，如窗口動畫、事件分發等，為開發者提供了強大的窗口管理能力。

PowerManagerService

PowerManagerService（簡稱PMS）是Android系統中的一個核心服務，主要負責電源管理，包括系統待機狀態的控制、屏幕顯示、亮度調節、光線/距離傳感器的控制等。以下是關于PowerManagerService的詳細解析：

一、PMS的主要職責

1. 電源狀態管理：

   • 控制系統的待機、喚醒、睡眠等狀態。
   • 根據用戶的行為和系統策略，調整設備的電源使用模式，以優化電池壽命。

2. 屏幕管理：

   • 控制屏幕的點亮、熄滅、亮度調節等。
   • 響應外部事件（如電源鍵按下、屏幕觸摸等）來點亮或熄滅屏幕。

3. 傳感器管理：

   • 控制光線傳感器、距離傳感器等硬件設備的狀態，以優化用戶體驗和節省電量。

4. 與其他服務的交互：

   • 與ActivityManagerService（AMS）、WindowManagerService（WMS）等系統服務緊密協作，確保電源管理與系統其他部分的協同工作。

二、PMS的啟動與初始化

PMS的啟動通常是在Android系統啟動時，由SystemServer進程來完成的。具體步驟如下：

1. SystemServer啟動：

   • 在SystemServer的main()方法中，調用run()方法。
   • 在run()方法中，依次啟動引導服務、核心服務和其他服務。

2. 啟動PMS：

   • 在startBootstrapServices()方法中，通過SystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class)啟動PMS。
   • PMS啟動后，會執行其構造方法、onStart()、onBootPhase()等方法，完成初始化工作。

三、PMS的內部機制

1. 服務注冊與交互：

   • PMS通過Binder機制與其他組件進行交互，提供電源管理的相關服務。
   • 應用程序通過PowerManager接口與PMS進行交互，申請wakelock、改變屏幕狀態等操作。

2. 電源管理策略：

   • PMS根據系統的電源管理策略，決定設備的電源狀態。
   • 這些策略可能包括用戶設置、系統默認設置、電池電量等因素。

3. 硬件控制：

   • PMS通過HAL層和內核層與硬件設備進行交互，控制設備的電源狀態。
   • 例如，通過向/sys/power/wake_lock或/sys/power/wake_unlock文件節點寫數據來申請或釋放鎖，維持屏幕亮滅。

四、PMS的常見功能

1. 點亮屏幕：

   • 響應外部事件（如電源鍵按下、屏幕觸摸等）來點亮屏幕。

2. 熄滅屏幕：

   • 根據用戶行為（如長時間無操作）或系統策略（如進入睡眠模式）來熄滅屏幕。

3. 亮度調節：

   • 根據環境光線或用戶設置自動調節屏幕亮度。

4. 傳感器控制：

   • 控制光線傳感器、距離傳感器等硬件設備的狀態，以優化用戶體驗和節省電量。

五、總結

PowerManagerService是Android系統中一個至關重要的服務，它負責電源管理，包括系統待機狀態的控制、屏幕顯示、亮度調節、光線/距離傳感器的控制等。通過與系統其他部分的緊密協作，PMS確保了Android設備在電源使用方面的優化和用戶體驗的提升。

Zygote相關面試題

在Android系統面試中，Zygote相關的面試題通常涉及其作用、啟動流程、工作原理以及其在系統中的重要性等方面。以下是一些可能的面試題及其詳細回答：

1. Zygote在Android系統中的作用是什么？

回答：

Zygote是Android系統中的一個核心進程，其主要作用可以概括為以下幾點：

• 作為應用程序的母進程：Zygote通過復制自身（fork）來創建新的應用程序進程，從而大大減少了系統資源占用和應用啟動時間。
• 資源預加載：Zygote在啟動時預加載了Android框架層和核心庫，這些資源被所有由此衍生出來的應用程序進程共享，顯著降低了內存消耗和啟動時間。
• 啟動SystemServer：SystemServer是Android系統服務的核心進程，負責啟動和管理系統服務，如ActivityManagerService（AMS）、PackageManagerService（PMS）等。Zygote也負責啟動SystemServer進程。

2. 請簡述Zygote的啟動流程。

回答：

Zygote的啟動流程大致可以分為以下幾個步驟：

1. init進程啟動：Linux系統啟動后，init進程作為用戶空間的第一個進程被啟動。
2. 加載init.rc配置文件：init進程通過解讀init.rc配置文件來啟動系統服務，其中就包括Zygote服務。
3. 啟動Zygote進程：根據init.rc配置文件中的指令，init進程通過fork+execve系統調用啟動Zygote進程。Zygote進程的執行程序通常是/system/bin/app_process，并帶有特定的參數來指示其作為Zygote運行。
4. 創建Java虛擬機：Zygote進程啟動后，會創建Dalvik/ART虛擬機（取決于Android版本），并為其注冊JNI（Java Native Interface）方法。
5. 進入Java框架層：通過JNI調用ZygoteInit的main函數，Zygote進程進入Java框架層，開始執行Java代碼。
6. 預加載資源：在Java框架層，Zygote會預加載系統所需的類庫和核心Android框架類，以便后續創建的應用程序進程可以共享這些資源。
7. 等待創建新進程請求：Zygote進程通過Socket監聽來自AMS的創建新進程請求，一旦收到請求，就通過fork創建新的應用程序進程，并在新進程中加載對應的.dex文件和其他資源。

3. Zygote如何優化應用程序的啟動時間？

回答：

Zygote通過以下幾種方式優化應用程序的啟動時間：

• 資源預加載：Zygote在啟動時預加載了Android框架層和核心庫，這些資源被所有由此衍生出來的應用程序進程共享，避免了每個應用程序進程單獨加載相同資源的開銷。
• 進程復制：當需要創建新的應用程序進程時，Zygote通過fork系統調用復制自身來創建新進程。新進程繼承了Zygote進程中已經加載好的系統資源和庫文件，只需要再加載對應應用的.dex文件和其他資源，從而顯著減少了進程創建的時間。
• 虛擬機共享：由于Zygote在啟動時創建了Dalvik/ART虛擬機，并通過fork創建的應用程序進程可以繼承這個虛擬機的實例副本，因此新進程可以直接使用虛擬機而無需重新創建，這也加快了應用程序的啟動速度。

4. Zygote進程的安全性是如何保障的？

回答：

Zygote進程通過以下幾種機制來保障其安全性：

• 沙箱機制：新創建的應用程序進程被置于沙箱環境中運行，它們之間的資源和數據相互隔離，防止了進程間的非法訪問和干擾。
• 特權分離：Zygote進程通過特權分離機制限制了新進程對系統資源的訪問權限，防止了應用程序進程對系統關鍵資源的非法訪問。
• 代碼簽名驗證：Android系統對安裝的應用程序進行代碼簽名驗證，確保應用程序的完整性和來源可靠性。Zygote在創建新進程時也會檢查應用程序的簽名信息，以防止惡意軟件的運行。

綜上所述，Zygote在Android系統中扮演著至關重要的角色，它通過優化資源加載、進程創建和安全性保障等方面來提升系統的整體性能和穩定性。