圖解 Android 系列（二）深入理解 init 與 zygote 程式

介紹

這是一個連載的系列「圖解 Android 系列」，我將持續為大家提供儘可能通俗易懂的 Android 原始碼分析。

所有引用的原始碼片段，我都會在第一行標明原始檔完整路徑。為了文章篇幅考慮原始碼中間可能有刪減，刪減部分會用省略號代替。

本系列原始碼基於：Android Oreo（8.0）

init 程式

在上篇文章 揭祕 Android 系統啟動過程 中介紹到，init 程式啟動分為前後兩部分，前一部分是在核心啟動的，主要是完成建立和核心初始化工作，內容都是跟 Linux 核心相關的；後一部分是在使用者空間啟動的，主要完成 Android 系統的初始化工作。

Android 系統一般會在根目錄下放一個 init 的可執行檔案，也就是說 Linux 系統的 init 程式在核心初始化完成後，就直接執行 init 這個檔案，這個檔案的原始碼在 /system/core/init/init.cpp。

init 程式是 Linux 系統中使用者空間的第一個程式（pid = 1），我們熟悉的 App 應用程式都是以它為父程式的，init 程式入口函式是 main 函式。這個函式做的事情還是比較多的，主要分為三個部分：

• init 程式第一階段
• init 程式第二階段
• init.rc 檔案解析

第一階段

我們先來看第一階段主要有以下內容：。

• ueventd/watchdogd 跳轉及環境變數設定。
• 掛載檔案系統並建立目錄。
• 初始化日誌輸出、掛載分割槽裝置。
• 啟用 SELinux 安全策略。
• 開始第二階段前的準備。

//system/core/init/init.cpp

int main(int argc, char** argv) {
  if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
    // 1 表示 true，也就執行 ueventd_main,ueventd
    // 主要是負責裝置節點的建立、許可權設定等一些列工作
    return ueventd_main(argc, argv);
  }
  // watchdogd 俗稱看門狗，用於系統出問題時重啟系統
  if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
    return watchdogd_main(argc, argv);
  }

  if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
    //初始化重啟系統的處理訊號，內部通過 sigaction 註冊訊號，
    //當監聽到該訊號時重啟系統
    install_reboot_signal_handlers();
  }
  //註冊環境變數PATH
  add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);
  // init 的 main 方法會執行兩次，由 is_first_stage 控制，
  // first_stage 就是第一階段要做的事
  bool is_first_stage = (getenv("INIT_SECOND_STAGE") == nullptr);
  // 只執行一次，因為在方法體中有設定 INIT_SECOND_STAGE
  if (is_first_stage) {
    // 清空檔案許可權
    umask(0);
    // on / and then we'll let the rc file figure out the rest.
    mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
    mkdir("/dev/pts", 0755);
    mkdir("/dev/socket", 0755);
    mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
    #define MAKE_STR(x) __STRING(x)
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, 
          "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));
    // Don't expose the raw commandline to unprivileged processes.
    chmod("/proc/cmdline", 0440);
    gid_t groups[] = { AID_READPROC };
    setgroups(arraysize(groups), groups);
    mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
    mount("selinuxfs", "/sys/fs/selinux", "selinuxfs", 0, NULL);
    mknod("/dev/kmsg", S_IFCHR | 0600, makedev(1, 11));
    mknod("/dev/random", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 8));
    mknod("/dev/urandom", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 9));
    // 初始化日誌輸出
    InitKernelLogging(argv);

    LOG(INFO) << "init first stage started!";

    if (!DoFirstStageMount()) {
      LOG(ERROR) << "Failed to mount required partitions early ...";
      panic();
    }
    // 在刷機模式下初始化avb的版本，不是刷機模式直接跳過
    SetInitAvbVersionInRecovery();

    // 載入S ELinux policy，也就是安全策略
    selinux_initialize(true);

    // We're in the kernel domain, so re-exec init to transition to the init domain now
    // that the SELinux policy has been loaded.
    if (restorecon("/init") == -1) {
      PLOG(ERROR) << "restorecon failed";
      security_failure(); // 失敗則重啟系統
    }

    setenv("INIT_SECOND_STAGE", "true", 1);

    static constexpr uint32_t kNanosecondsPerMillisecond = 1e6;
    uint64_t start_ms = start_time.time_since_epoch().count()
      / kNanosecondsPerMillisecond;
    setenv("INIT_STARTED_AT", StringPrintf("%" PRIu64, start_ms).c_str(), 1);

    char* path = argv[0];
    char* args[] = { path, nullptr };
    execv(path, args); // 重新執行 main 方法，進入第二階段

    // execv() only returns if an error happened, in which case we
    // panic and never fall through this conditional.
    PLOG(ERROR) << "execv(\"" << path << "\") failed";
    security_failure();
  }

  // ...
}
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init 程式第一階段做的主要工作是掛載分割槽，建立裝置節點和一些關鍵目錄，初始化日誌輸出系統，啟用 SELinux 安全策略。

第二階段

我們接著看第二階段，主要有以下內容：

• 建立程式會話金鑰並初始化屬性系統。
• 進行 SELinux 第二階段並恢復一些檔案安全上下文。
• 新建 epoll 並初始化子程式終止訊號處理函式。
• 設定其他系統屬性並開啟系統屬性服務。

//system/core/init/init.cpp

int main(int argc, char** argv) {
  // 同樣進行 ueventd/watchdogd 跳轉及環境變數設定
  // 之前準備工作時將 INIT_SECOND_STAGE設 置為 true，
  // 已經不為 nullptr，所以 is_first_stage 為 false
  bool is_first_stage = (getenv("INIT_SECOND_STAGE") == nullptr);
  // is_first_stage為false，直接跳過
  if (is_first_stage) {
    // ...
  }
  // 初始化日誌輸出
  InitKernelLogging(argv);
  // ...
  // 初始化屬性系統，並從指定檔案讀取屬性
  property_init();
  // ...
  // 初始化子程式退出的訊號處理函式
  signal_handler_init();
  // 載入 default.prop 檔案
  property_load_boot_defaults();
  export_oem_lock_status();
  // 啟動屬性伺服器
  start_property_service();
  set_usb_controller();
  //...
}
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init 程式第二階段主要工作是初始化屬性系統，解析 SELinux 的匹配規則，處理子程式終止訊號，啟動系統屬性服務，可以說每一項都很關鍵。如果說第一階段是為屬性系統、SELinux 做準備，那麼第二階段就是真正去把這些落實的。

解析 init.rc 檔案

//system/core/init/init.cpp

int main(int argc, char** argv) {
  // ...
  const BuiltinFunctionMap function_map;
  // 將 function_map 存放到 Action 中作為成員屬性
  Action::set_function_map(&function_map);
  // 解析 init.rc 檔案
  Parser& parser = Parser::GetInstance();
  parser.AddSectionParser("service",std::make_unique<ServiceParser>());
  parser.AddSectionParser("on", std::make_unique<ActionParser>());
  parser.AddSectionParser("import", std::make_unique<ImportParser>());
  std::string bootscript = GetProperty("ro.boot.init_rc", "");
  // 如果 ro.boot.init_rc 沒有對應的值，
  // 則解析 /init.rc 以及 /system/etc/init、/vendor/etc/init、
  // /odm/etc/init 這三個目錄下的 .rc 檔案
  if (bootscript.empty()) {
    parser.ParseConfig("/init.rc");
    parser.set_is_system_etc_init_loaded(
      parser.ParseConfig("/system/etc/init"));
    parser.set_is_vendor_etc_init_loaded(
      parser.ParseConfig("/vendor/etc/init"));
    parser.set_is_odm_etc_init_loaded(
      parser.ParseConfig("/odm/etc/init"));
  } else { // 如果 ro.boot.init_rc 屬性有值就解析屬性值
    parser.ParseConfig(bootscript);
    parser.set_is_system_etc_init_loaded(true);
    parser.set_is_vendor_etc_init_loaded(true);
    parser.set_is_odm_etc_init_loaded(true);
  }

  // ...
  ActionManager& am = ActionManager::GetInstance();
  am.QueueEventTrigger("early-init");

  // 等冷插拔裝置初始化完成
  am.QueueBuiltinAction(wait_for_coldboot_done_action,
                        "wait_for_coldboot_done");
  // ... so that we can start queuing up actions that require stuff from /dev.
  am.QueueBuiltinAction(mix_hwrng_into_linux_rng_action, 
                        "mix_hwrng_into_linux_rng");
  am.QueueBuiltinAction(set_mmap_rnd_bits_action, "set_mmap_rnd_bits");
  am.QueueBuiltinAction(set_kptr_restrict_action, "set_kptr_restrict");
  // 裝置組合鍵的初始化操作
  am.QueueBuiltinAction(keychord_init_action, "keychord_init");
  // 螢幕上顯示 Android 靜態 Logo，很熟悉的感覺有沒有
  am.QueueBuiltinAction(console_init_action, "console_init");

  // Trigger all the boot actions to get us started.
  am.QueueEventTrigger("init");

  // 執行 rc 檔案中觸發器為 on init 的語句
  am.QueueBuiltinAction(mix_hwrng_into_linux_rng_action, 
                        "mix_hwrng_into_linux_rng");

  // 當處於充電模式，則 charger 加入執行佇列，否則 late-init 加入佇列。
  std::string bootmode = GetProperty("ro.bootmode", "");
  if (bootmode == "charger") {
    am.QueueEventTrigger("charger");
  } else {
    am.QueueEventTrigger("late-init"); // 觸發 late-init
  }

  // 觸發器為屬性是否設定
  am.QueueBuiltinAction(queue_property_triggers_action, 
                        "queue_property_triggers");

  while (true) {
    // By default, sleep until something happens.
    int epoll_timeout_ms = -1;

    if (!(waiting_for_prop 
          || ServiceManager::GetInstance().IsWaitingForExec())) {
      am.ExecuteOneCommand();
    }
    if (!(waiting_for_prop 
          || ServiceManager::GetInstance().IsWaitingForExec())) {
      // 根據需要重啟服務  
      restart_processes();

      // If there's a process that needs restarting, wake up in time for that.
      if (process_needs_restart_at != 0) {
        epoll_timeout_ms =
          (process_needs_restart_at - time(nullptr)) * 1000;
        if (epoll_timeout_ms < 0) epoll_timeout_ms = 0;
      }

      // If there's more work to do, wake up again immediately.
      if (am.HasMoreCommands()) epoll_timeout_ms = 0;
    }

    epoll_event ev;
    // 迴圈等待事件發生
    int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, 
                                           epoll_timeout_ms));
    if (nr == -1) {
      PLOG(ERROR) << "epoll_wait failed";
    } else if (nr == 1) {
      ((void (*)()) ev.data.ptr)();
    }
  }

  return 0;
}
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這一階段 init 程式做了許多重要的事情，比如解析 init.rc 檔案，這裡配置了所有需要執行的 action 和需要啟動的 service，init 程式根據語法一步步去解析 init.rc，將這些配置轉換成一個個陣列、佇列，然後開啟無限迴圈去處理這些陣列、佇列中的 command 和 service，並且通過 epoll 監聽子程式結束和屬性設定。

init.rc 檔案

init.rc 檔案是 Android 系統的重要配置檔案，位於 /system/core/rootdir/ 目錄中。 主要功能是定義了系統啟動時需要執行的一系列 action 及執行特定動作、設定環境變數和屬性和執行特定的 service。

//system/core/rootdir/init.rc

import /init.environ.rc
import /init.usb.rc
import /init.${ro.hardware}.rc
import /vendor/etc/init/hw/init.${ro.hardware}.rc
import /init.usb.configfs.rc
import /init.${ro.zygote}.rc // 稍後分析

on early-init
    // ... 
on init
    // ...
on late-init
    // ...
    trigger zygote-start
on post-fs // 掛載檔案系統
    load_system_props
    # start essential services
    start logd
    // 熟悉的 servermanager，後面章節再討論
    start servicemanager
    start hwservicemanager
    start vndservicemanager
    // ...
on post-fs-data // 掛載 data
    # We chown/chmod /data again so because mount is run as root + defaults
    chown system system /data
    chmod 0771 /data
    # We restorecon /data in case the userdata partition has been reset.
    restorecon /data

    # Make sure we have the device encryption key.
    start vold
    // ...

# It is recommended to put unnecessary data/ initialization from post-fs-data
# to start-zygote in device's init.rc to unblock zygote start.
on zygote-start && property:ro.crypto.state=unencrypted // 啟動 zygote，稍後分析
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on zygote-start && property:ro.crypto.state=unsupported
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on zygote-start && property:ro.crypto.state=encrypted && property:ro.crypto.type=file
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on boot
    // ...
    # Start standard binderized HAL daemons
    class_start hal

    class_start core

複製程式碼

init 程式會解析 .rc 檔案，然後得到一些 service 去啟動，這些 service 通常不是普通的服務，文件裡面的稱呼是daemon（守護程式）。

所謂守護程式就是這些服務程式會在系統初始化時啟動，並一直執行於後臺，直到系統關閉時終止。

到這裡 init 程式的主要流程已經分析完了，我們總結下 init 程式啟動主要做了哪些工作。

首先在 Kernel 核心載入完後會呼叫 /system/core/init/init.cpp 檔案中的 main() 方法。該方法執行分為三個階段，前兩個的階段都是初始化環境，我們主要關注下第三個階段 解析 .rc 檔案。

在第三階段中通過解析 .rc 檔案啟動了 servicemanager 和 zygote 等服務，最後 init 程式進入了 loop。

zygote 程式

zygote 程式就是 daemon 其中之一，zygote 程式主要負責建立 Java 虛擬機器，載入系統資源，啟動 SystemServer 程式，以及在後續執行過程中啟動普通的應用程式。

在 init.rc 檔案頭部有這麼一句：

import /init.${ro.zygote}.rc
複製程式碼

其中 ${ro.zygote} 會被替換成 ro.zyogte 的屬性值，這個是由不同的硬體廠商自己定製的。 有四個值：zygote32、zygote64、zygote32_64、zygote64_32 ，也就是說可能有四種 .rc 檔案，分別是：

• init.zygote32.rc：zygote 程式對應的執行程式是 app_process（純 32bit 模式）。
• init.zygote64.rc：zygote 程式對應的執行程式是 app_process64（純 64bit 模式）。
• init.zygote32_64.rc：啟動兩個 zygote 程式（名為 zygote 和 zygote_secondary），對應的執行程式分別是 app_process32（主模式）、app_process64。
• init.zygote64_32.rc：啟動兩個 zygote 程式（名為 zygote 和 zygote_secondary），對應的執行程式分別是 app_process64（主模式）、app_process32。

為什麼要定義這麼多種情況呢？直接定義一個不就好了，這主要是因為 Android 5.0 以後開始支援 64 位程式，為了相容 32 位和 64 位才這樣定義。

不同的 zygote.rc 內容大致相同，主要區別體現在啟動的是 32 位，還是 64 位的程式。init.zygote32_64.rc 和 init.zygote64_32.rc 會啟動兩個程式，且存在主次之分。我們以init.zygote64_32.rc 為例。

//system/core/rootdir/init.zygote64_32.rc

// 程式名稱是 zygote，執行的二進位制檔案在 /system/bin/app_process64，稍後分析
service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    //建立一個 socket，名字叫 zygote，以 tcp 形式
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks
    
// 另一個 service，名字 zygote_secondary
service zygote_secondary /system/bin/app_process32 -Xzygote /system/bin --zygote --socket-name=zygote_secondary --enable-lazy-preload
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    socket zygote_secondary stream 660 root system
    onrestart restart zygote
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks
複製程式碼

在 init.rc 檔案中可以找到一句 start zygote，這是呼叫 zygote 服務的啟動方式。

//system/core/rootdir/init.rc

// ...
# It is recommended to put unnecessary data/ initialization from post-fs-data
# to start-zygote in device's init.rc to unblock zygote start.
// 啟動 zygote，稍後分析
on zygote-start && property:ro.crypto.state=unencrypted
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on zygote-start && property:ro.crypto.state=unsupported
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on zygote-start && property:ro.crypto.state=encrypted && property:ro.crypto.type=file
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary
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在 init.zygote64_32.rc 檔案中的頭部我們可以看到 zygote 對應的二進位制檔案是 /system/bin/app_process64 （以此為例），我們看一下對應的mk檔案， 對應的目錄在 platform/frameworks/base/cmds/app_process/Android.mk，其實不管是 app_process、app_process32 還是 app_process64，對應的原始檔都是 app_main.cpp。

//frameworks/base/cmds/app_process/Android.mk

// ...
app_process_src_files := \
    app_main.cpp \
// ...
LOCAL_SRC_FILES:= $(app_process_src_files)
// ...
LOCAL_MODULE:= app_process
LOCAL_MULTILIB := both
LOCAL_MODULE_STEM_32 := app_process32
LOCAL_MODULE_STEM_64 := app_process64
// ...
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app_main.cpp

在 app_main.cpp 的 main 函式中，主要做的事情就是引數解析。 這個函式有兩種啟動模式：

• 一種是 zygote 模式，也就是初始化 zygote 程式，傳遞的引數有 --start-system-server --socket-name=zygote，前者表示啟動 SystemServer，後者指定 socket 的名稱。
• 一種是 application 模式，也就是啟動普通應用程式，傳遞的引數有 class 名字以及 class 帶的引數。

兩者最終都是呼叫 AppRuntime 物件的 start 函式，載入 ZygoteInit 或 RuntimeInit 兩個 Java 類，並將之前整理的引數傳入進去。

//frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

int main(int argc, char* const argv[]) {
  // 將引數 argv 放到 argv_String 字串中，然後列印出來
  if (!LOG_NDEBUG) { 
    String8 argv_String;
    for (int i = 0; i < argc; ++i) {
      argv_String.append("\"");
      argv_String.append(argv[i]);
      argv_String.append("\" ");
    }
  }

  AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
  // Process command line arguments
  // ignore argv[0]
  argc--;
  argv++;

  // 所有在 "--" 後面的非 "-" 開頭的引數都將傳入 vm, 
  // 但是有個例外是 spaced commands 陣列中的引數
  const char* spaced_commands[] = { "-cp", "-classpath" };
  // Allow "spaced commands" to be succeeded by exactly 1 argument (regardless of -s).
  bool known_command = false;

  int i;
  for (i = 0; i < argc; i++) {
    // 將 spaced_commands 中的引數額外加入 VM
    if (known_command == true) {
      runtime.addOption(strdup(argv[i]));
      known_command = false;
      continue;
    }

    for (int j = 0;
         j < static_cast<int>(sizeof(spaced_commands) 
                              / sizeof(spaced_commands[0]));
         ++j) {
      if (strcmp(argv[i], spaced_commands[j]) == 0) {
        known_command = true;
      }
    }

    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) {
      // 表示是 application 啟動模式，也就是普通應用程式
      application = true;
    } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
      // 程式別名
      niceName.setTo(arg + 12);
    } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
      // application 啟動的 class
      className.setTo(arg);
      break;
    } else {
      --i;
      break;
    }
  }

  Vector<String8> args;
  if (!className.isEmpty()) {
    // className 不為空，說明是 application 啟動模式
    args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
    // 將 className 和引數設定給 runtime
    runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);

    if (!LOG_NDEBUG) {
      String8 restOfArgs;
      char* const* argv_new = argv + i;
      int argc_new = argc - i;
      for (int k = 0; k < argc_new; ++k) {
        restOfArgs.append("\"");
        restOfArgs.append(argv_new[k]);
        restOfArgs.append("\" ");
      }
    }
  } else { // zygote 啟動模式
    // We're in zygote mode.
    maybeCreateDalvikCache(); // 新建 Dalvik 的快取目錄

    if (startSystemServer) { // 加入 start-system-server 引數
      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); // 加入 --abi-list= 引數

    // In zygote mode, pass all remaining arguments to the zygote
    // main() method.
    for (; i < argc; ++i) {
      args.add(String8(argv[i]));
    }
  }

  if (!niceName.isEmpty()) { // 設定程式別名
    runtime.setArgv0(niceName.string(), true /* setProcName */);
  }

  if (zygote) { // 如果是 zygote 啟動模式，則載入 ZygoteInit
    runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
  } else if (className) {
    // 如果是 application 啟動模式，則載入 RuntimeInit
    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.");
  }
}
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我們看到，在最後呼叫的是 runtime.start 函式，這個就是要啟動虛擬機器了，接下來我們分析 start 函式。

建立虛擬機器

//frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

void AndroidRuntime::start(const char* className, 
                           const Vector<String8>& options, bool zygote) {
  // ...
  // 列印一些日誌，獲取 ANDROID_ROOT 環境變數
  // ...

  /* start the virtual machine */
  JniInvocation jni_invocation;
  // 初始化JNI，載入 libart.so
  jni_invocation.Init(NULL);
  JNIEnv* env;
  // 建立虛擬機器
  if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
    return;
  }
  // 表示虛擬建立完成，但是裡面是空實現
  onVmCreated(env);

  /*
   * Register android functions.
   * 註冊 JNI 函式
   */
  if (startReg(env) < 0) {
    ALOGE("Unable to register all android natives\n");
    return;
  }
  // JNI 方式呼叫 ZygoteInit 類的 main 函式
  // ...
}
複製程式碼

虛擬機器建立完成後，我們就可以用 JNI 反射呼叫 Java 了，其實接下來的語法用過 JNI 的都應該比較熟悉了，直接是 CallStaticVoidMethod 反射呼叫 ZygoteInit 的 main 函式。

//frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options,
                           bool zygote) {
  // 接下來的這些語法大家應該比較熟悉了，都是 JNI 裡的語法，
  // 主要作用就是呼叫 ZygoteInit 類的 main 函式 
  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.
     */
  // 將 "com.android.internal.os.ZygoteInit" 
  // 轉換為 "com/android/internal/os/ZygoteInit"
  char* slashClassName = toSlashClassName(className);
  // 找到 class
  jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
  if (startClass == NULL) {
    ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
    /* keep going */
  } else {
    jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
                                  "[Ljava/lang/String;)V");
    if (startMeth == NULL) {
      ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
      /* keep going */
    } else {// 呼叫 ZygoteInit.main() 方法
      env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

      #if 0
      if (env->ExceptionCheck())
        threadExitUncaughtException(env);
      #endif
    }
  }
  free(slashClassName);

  ALOGD("Shutting down VM\n");
  // 退出當前執行緒
  if (mJavaVM->DetachCurrentThread() != JNI_OK)
    ALOGW("Warning: unable to detach main thread\n");
  // 建立一個執行緒，該執行緒會等待所有子執行緒結束後關閉虛擬機器
  if (mJavaVM->DestroyJavaVM() != 0) 
    ALOGW("Warning: VM did not shut down cleanly\n");
}
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zygote 程式啟動主要建立了 Java 虛擬機器，有了虛擬機器，就可以執行 Java 程式碼了。

ZygoteInit.java

//frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
  ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();

  // 標記 zygote 程式已啟動
  ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();

  // 進入 Zygote 程式
  try {
    Os.setpgid(0, 0);
  } catch (ErrnoException ex) {
    throw new RuntimeException("Failed to setpgid(0,0)", ex);
  }

  try {
    RuntimeInit.enableDdms(); // 開啟 DDMS 功能

    boolean startSystemServer = false;
    String socketName = "zygote";
    String abiList = null;
    boolean enableLazyPreload = false;
    for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
      if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
        startSystemServer = true;
      } else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
        enableLazyPreload = true;
      } else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
        abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
      } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
        socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
      } else {
        throw new RuntimeException("Unknown command line argument: "
                                   + argv[i]);
      }
    }

    if (abiList == null) {
      throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
    }

    // 為 zygote 註冊 socket
    zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
    // 預載入處理
    if (!enableLazyPreload) {
      // zygote 預載入，下面介紹
      preload(bootTimingsTraceLog);
    } else {
      Zygote.resetNicePriority();
    }

    gcAndFinalize(); // GC 操作

    // Zygote process unmounts root storage spaces.
    Zygote.nativeUnmountStorageOnInit();

    // Set seccomp policy
    Seccomp.setPolicy();

    ZygoteHooks.stopZygoteNoThreadCreation();

    if (startSystemServer) { // 啟動 system_server，下面介紹
      startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
    }

    // 進入迴圈模式，下面介紹
    zygoteServer.runSelectLoop(abiList);

    zygoteServer.closeServerSocket();
  } catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
    caller.run();
  } catch (Throwable ex) {
    zygoteServer.closeServerSocket();
    throw ex;
  }
}
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這裡 startSystemServer() 方法會丟擲一個 Zygote.MethodAndArgsCaller 異常，然後呼叫到 caller.run()，這裡會在 SystemServer 章節繼續分析。

preload()

//frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

static void preload(BootTimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
  // ...
  // 預載入位於 /system/etc/preloaded-classes 檔案中的類
  preloadClasses();
  // 預載入資源，包含 drawable 和 color 資源
  preloadResources();
  // 預載入 OpenGL
  preloadOpenGL();
  // 通過 System.loadLibrary() 方法，
  // 預載入 "android"，"compiler_rt"，"jnigraphics" 這 3 個共享庫
  preloadSharedLibraries();
  // 預載入 文字連線符資源
  preloadTextResources();
  // 僅用於 zygote 程式，用於記憶體共享的程式
  WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
  endIcuCachePinning();
  warmUpJcaProviders();
  Log.d(TAG, "end preload");

  sPreloadComplete = true;
}
複製程式碼

執行 zygote 程式的初始化，對於類載入，採用反射機制 Class.forName() 方法來載入。對於資源載入，主要是 com.android.internal.R.array.preloaded_drawables 和 com.android.internal.R.array.preloaded_color_state_lists，在應用程式中以 com.android.internal.R.xxx 開頭的資源，便是此時由 Zygote 載入到記憶體的。

zygote 程式內載入了 preload() 方法中的所有資源，當需要 fork 新程式時，採用 copy on write 技術，如下：

startSystemServer()

//frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static boolean startSystemServer(String abiList, 
                       String socketName, ZygoteServer zygoteServer)
    throws Zygote.MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
  long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(
    OsConstants.CAP_IPC_LOCK,
    OsConstants.CAP_KILL,
    OsConstants.CAP_NET_ADMIN,
    OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,
    OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,
    OsConstants.CAP_NET_RAW,
    OsConstants.CAP_SYS_MODULE,
    OsConstants.CAP_SYS_NICE,
    OsConstants.CAP_SYS_PTRACE,
    OsConstants.CAP_SYS_TIME,
    OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG,
    OsConstants.CAP_WAKE_ALARM
  );
  /* Containers run without this capability, so avoid setting it in that case */
  if (!SystemProperties.getBoolean(PROPERTY_RUNNING_IN_CONTAINER,
                                   false)) {
    capabilities |= 
      posixCapabilitiesAsBits(OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND);
  }
  /* Hardcoded command line to start the system server */
  // 準備引數
  String args[] = {
    "--setuid=1000",
    "--setgid=1000",
    "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
    "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
    "--nice-name=system_server",
    "--runtime-args",
    "com.android.server.SystemServer",
  };
  ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

  int pid;

  try {
    // 用於解析引數，生成目標格式
    parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
    ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
    ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

    /* Request to fork the system server process */
    // fork 子程式，用於執行 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);
  }

  /* For child process */
  // 進入子程式 system_server
  if (pid == 0) {
    if (hasSecondZygote(abiList)) {
      waitForSecondaryZygote(socketName);
    }

    zygoteServer.closeServerSocket();
    // 完成 system_server 程式剩餘的工作
    handleSystemServerProcess(parsedArgs);
  }

  return true;
}
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可以看到 zygote 程式 fork 出一個新程式名為 system_server 也就是 SystemServer 程式。該方法是 SystemServer 程式啟動的起點，關於 SystemServer 啟動流程我們在後面的章節在討論，這裡先分析完 zygote 的主要流程。

runSelectLoop()

//frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java

void runSelectLoop(String abiList) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
  ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
  ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
  // mServerSocket 是 socket 通訊中的服務端，即 zygote 程式。儲存到 fds[0]
  fds.add(mServerSocket.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 {
      // 處理輪詢狀態，當 pollFds 有事件到來則往下執行，否則阻塞在這裡
      Os.poll(pollFds, -1);
    } catch (ErrnoException ex) {
      throw new RuntimeException("poll failed", ex);
    }
    for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
      // 採用 I/O 多路複用機制，當接收到客戶端發出連線請求
      // 或者資料處理請求到來，則往下執行；
      // 否則進入continue，跳出本次迴圈。
      if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
        continue;
      }
      if (i == 0) {
        ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
        peers.add(newPeer);
        fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
      } else {
        // i>0，則代表通過 socket 接收來自對端的資料，並執行相應操作
        boolean done = peers.get(i).runOnce(this);
        if (done) {
          peers.remove(i);
          fds.remove(i); // 處理完則從 fds 中移除該檔案描述符
        }
      }
    }
  }
}
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zygote 採用高效的 I/O 多路複用機制，保證在沒有客戶端連線請求或資料處理時休眠，否則響應客戶端的請求。在呼叫 runSelectLoop() 後 zygote 進入了輪詢狀態，隨時待命當接收到請求建立新程式請求時，立即喚醒並執行相應工作。

總結

到這裡 zygote 程式已經啟動完成了，Android 系統到目前已經啟動了第一個使用者程式 zygote。我們來回顧下目前 Android 系統啟動的流程：

當我們按下電源按鍵後會啟動 Bootloader，Bootloader 會載入 Kernel 核心到記憶體中，然後會啟動核心中的 idle 程式，idle 程式會啟動 kthreadd 和 init 兩個程式。

init 程式在啟動的時候會初始化執行環境，然後解析 init.rc 檔案，解析 init.rc 檔案的過程中會啟動 servicemanager、zygote 等服務，最後進入 loop 狀態。

zygote 服務啟動時會建立 Java 虛擬機器並初始化 Java 執行環境，然後啟動 SystemServer 服務，最後進入 loop 狀態。

這篇文章我們分析到這裡，下一篇我們接著分析 zygote 程式啟動中呼叫 startSystemServer() 方法後 SystemServer 程式啟動的流程。

參考資料

• Android核心開發：圖解Android系統的啟動過程
• Android 8.0 : 系統啟動流程之Linux核心
• Android bootloader/fastboot mode and recovery mode explained/Android boot process
• Android is NOT just 'Java on Linux'
• Android 啟動流程簡介

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