【Android】【init】解析init程式啟動過程

熊芳波發表於2020-11-11
Android

1.init簡介

init程式是Android系統中使用者空間的第一個程式，作為第一個程式，它被賦予了很多極其重要的工作職責，比如建立zygote(孵化器)和屬性服務等。init程式是由多個原始檔共同組成的，這些檔案位於原始碼目錄system/core/init。本文將基於Android7.0原始碼來分析Init程式。

2.引入init程式

說到init程式，首先要提到Android系統啟動流程的前幾步：
1.啟動電源以及系統啟動
當電源按下時引導晶片程式碼開始從預定義的地方（固化在ROM）開始執行。載入載入程式Bootloader到RAM，然後執行。
2.載入程式Bootloader
載入程式是在Android作業系統開始執行前的一個小程式，它的主要作用是把系統OS拉起來並執行。
3.linux核心啟動
核心啟動時，設定快取、被保護儲存器、計劃列表，載入驅動。當核心完成系統設定，它首先在系統檔案中尋找”init”檔案，然後啟動root程式或者系統的第一個程式。
4.init程式啟動

講到第四步就發現我們這一節要講的init程式了。關於Android系統啟動流程的所有步驟會在本系列的最後一篇做講解。

3.init入口函式

init的入口函式為main，程式碼如下所示。
system/core/init/init.cpp

cpp

int main(int argc, char** argv) {
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);
    }
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
        return watchdogd_main(argc, argv);
    }
    umask(0);
    add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);
    bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);
    //建立檔案並掛載
    if (is_first_stage) {
        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));
        mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
    }
    open_devnull_stdio();
    klog_init();
    klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL);
    NOTICE("init %s started!\n", is_first_stage ? "first stage" : "second stage");
    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));
        //初始化屬性相關資源
        property_init();//1
        process_kernel_dt();
        process_kernel_cmdline();
        export_kernel_boot_props();
    }
 ...
    //啟動屬性服務
    start_property_service();//2
    const BuiltinFunctionMap function_map;
    Action::set_function_map(&function_map);
    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>());
    //解析init.rc配置檔案
    parser.ParseConfig("/init.rc");//3
   ...   
       while (true) {
        if (!waiting_for_exec) {
            am.ExecuteOneCommand();
            restart_processes();
        }
        int timeout = -1;
        if (process_needs_restart) {
            timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;
            if (timeout < 0)
                timeout = 0;
        }
        if (am.HasMoreCommands()) {
            timeout = 0;
        }
        bootchart_sample(&timeout);
        epoll_event ev;
        int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
        if (nr == -1) {
            ERROR("epoll_wait failed: %s\n", strerror(errno));
        } else if (nr == 1) {
            ((void (*)()) ev.data.ptr)();
        }
    }
    return 0;
}

init的main方法做了很多事情，我們只需要關注主要的幾點，在註釋1處呼叫 property_init來對屬性進行初始化並在註釋2處的 呼叫start_property_service啟動屬性服務，關於屬性服務，後面會講到。註釋3處 parser.ParseConfig(“/init.rc”)用來解析init.rc。解析init.rc的檔案為system/core/init/init_parse.cpp檔案，接下來我們檢視init.rc裡做了什麼。

4.init.rc

init.rc是一個配置檔案，內部由Android初始化語言編寫（Android Init Language）編寫的指令碼，它主要包含五種型別語句：
Action、Commands、Services、Options和Import。init.rc的配置程式碼如下所示。
system/core/rootdir/init.rc

cpp

on init
    sysclktz 0
    # Mix device-specific information into the entropy pool
    copy /proc/cmdline /dev/urandom
    copy /default.prop /dev/urandom
...

on boot
    # basic network init
    ifup lo
    hostname localhost
    domainname localdomain
    # set RLIMIT_NICE to allow priorities from 19 to -20
    setrlimit 13 40 40
...

這裡只擷取了一部分程式碼，其中#是註釋符號。on init和on boot是Action型別語句，它的格式為：

cpp

on <trigger> [&& <trigger>]*     //設定觸發器  
   <command>  
   <command>      //動作觸發之後要執行的命令

為了分析如何建立zygote，我們主要檢視Services型別語句，它的格式如下所示：

cpp

service <name> <pathname> [ <argument> ]*   //<service的名字><執行程式路徑><傳遞引數>  
   <option>       //option是service的修飾詞，影響什麼時候、如何啟動services  
   <option>  
   ...

需要注意的是在Android 7.0中對init.rc檔案進行了拆分，每個服務一個rc檔案。我們要分析的zygote服務的啟動指令碼則在init.zygoteXX.rc中定義，這裡拿64位處理器為例，init.zygote64.rc的程式碼如下所示。
system/core/rootdir/init.zygote64.rc

cpp

service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    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
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks /dev/stune/foreground/tasks

其中service用於通知init程式建立名zygote的程式，這個zygote程式執行程式的路徑為/system/bin/app_process64，後面的則是要傳給app_process64的引數。class main指的是zygote的class name為main，後文會用到它。

5.解析service

接下來我們來解析service，會用到兩個函式，一個是ParseSection，它會解析service的rc檔案，比如上文講到的init.zygote64.rc，ParseSection函式主要用來搭建service的架子。另一個是ParseLineSection，用於解析子項。程式碼如下所示。
system/core/init/service.cpp

cpp

bool ServiceParser::ParseSection(const std::vector<std::string>& args,
                                 std::string* err) {
    if (args.size() < 3) {
        *err = "services must have a name and a program";
        return false;
    }
    const std::string& name = args[1];
    if (!IsValidName(name)) {
        *err = StringPrintf("invalid service name '%s'", name.c_str());
        return false;
    }
    std::vector<std::string> str_args(args.begin() + 2, args.end());
    service_ = std::make_unique<Service>(name, "default", str_args);//1
    return true;
}

bool ServiceParser::ParseLineSection(const std::vector<std::string>& args,
                                     const std::string& filename, int line,
                                     std::string* err) const {
    return service_ ? service_->HandleLine(args, err) : false;
}

註釋1處，根據引數，構造出一個service物件，它的classname為”default”。當解析完畢時會呼叫EndSection：

cpp

void ServiceParser::EndSection() {
    if (service_) {
        ServiceManager::GetInstance().AddService(std::move(service_));
    }
}

接著檢視AddService做了什麼：

cpp

void ServiceManager::AddService(std::unique_ptr<Service> service) {
    Service* old_service = FindServiceByName(service->name());
    if (old_service) {
        ERROR("ignored duplicate definition of service '%s'",
              service->name().c_str());
        return;
    }
    services_.emplace_back(std::move(service));//1
}

註釋1處的程式碼將service物件加入到services連結串列中。上面的解析過程總體來講就是根據引數建立出service物件，然後根據選項域的內容填充service物件，最後將service物件加入到vector型別的services連結串列中。，

6.init啟動zygote

講完了解析service，接下來該講init是如何啟動service，在這裡我們主要講解啟動zygote這個service。在zygote的啟動指令碼中我們得知zygote的class name為main。在init.rc有如下配置程式碼：
system/core/rootdir/init.rc

cpp

...
on nonencrypted    
    # A/B update verifier that marks a successful boot.  
    exec - root -- /system/bin/update_verifier nonencrypted  
    class_start main         
    class_start late_start 
...

其中class_start是一個COMMAND，對應的函式為do_class_start。我們知道main指的就是zygote，因此class_start main用來啟動zygote。do_class_start函式在builtins.cpp中定義，如下所示。

system/core/init/builtins.cpp

cpp

static int do_class_start(const std::vector<std::string>& args) {
        /* Starting a class does not start services
         * which are explicitly disabled.  They must
         * be started individually.
         */
    ServiceManager::GetInstance().
        ForEachServiceInClass(args[1], [] (Service* s) { s->StartIfNotDisabled(); });
    return 0;
}

來檢視StartIfNotDisabled做了什麼：
system/core/init/service.cpp

cpp

bool Service::StartIfNotDisabled() {
    if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
        return Start();
    } else {
        flags_ |= SVC_DISABLED_START;
    }
    return true;
}

接著檢視Start方法，如下所示。

cpp

bool Service::Start() {
    flags_ &= (~(SVC_DISABLED|SVC_RESTARTING|SVC_RESET|SVC_RESTART|SVC_DISABLED_START));
    time_started_ = 0;
    if (flags_ & SVC_RUNNING) {//如果Service已經執行，則不啟動
        return false;
    }
    bool needs_console = (flags_ & SVC_CONSOLE);
    if (needs_console && !have_console) {
        ERROR("service '%s' requires console\n", name_.c_str());
        flags_ |= SVC_DISABLED;
        return false;
    }
  //判斷需要啟動的Service的對應的執行檔案是否存在，不存在則不啟動該Service
    struct stat sb;
    if (stat(args_[0].c_str(), &sb) == -1) {
        ERROR("cannot find '%s' (%s), disabling '%s'\n",
              args_[0].c_str(), strerror(errno), name_.c_str());
        flags_ |= SVC_DISABLED;
        return false;
    }

...
    pid_t pid = fork();//1.fork函式建立子程式
    if (pid == 0) {//執行在子程式中
        umask(077);
        for (const auto& ei : envvars_) {
            add_environment(ei.name.c_str(), ei.value.c_str());
        }
        for (const auto& si : sockets_) {
            int socket_type = ((si.type == "stream" ? SOCK_STREAM :
                                (si.type == "dgram" ? SOCK_DGRAM :
                                 SOCK_SEQPACKET)));
            const char* socketcon =
                !si.socketcon.empty() ? si.socketcon.c_str() : scon.c_str();

            int s = create_socket(si.name.c_str(), socket_type, si.perm,
                                  si.uid, si.gid, socketcon);
            if (s >= 0) {
                PublishSocket(si.name, s);
            }
        }
...
        //2.通過execve執行程式
        if (execve(args_[0].c_str(), (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
            ERROR("cannot execve('%s'): %s\n", args_[0].c_str(), strerror(errno));
        }

        _exit(127);
    }
...
    return true;
}

通過註釋1和2的程式碼，我們得知在Start方法中呼叫fork函式來建立子程式，並在子程式中呼叫execve執行system/bin/app_process，這樣就會進入framework/cmds/app_process/app_main.cpp的main函式，如下所示。
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

cpp

int main(int argc, char* const argv[])
{
    ...
    if (zygote) {
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);//1
    } 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;
    }
}

從註釋1處的程式碼可以得知呼叫runtime(AppRuntime)的start來啟動zygote。

7.屬性服務

Windows平臺上有一個登錄檔管理器，登錄檔的內容採用鍵值對的形式來記錄使用者、軟體的一些使用資訊。即使系統或者軟體重啟，它還是能夠根據之前在登錄檔中的記錄，進行相應的初始化工作。Android也提供了一個類似的機制，叫做屬性服務。
在本文的開始，我們提到在init.cpp程式碼中和屬性服務相關的程式碼有：
system/core/init/init.cpp

cpp

property_init();
start_property_service();

這兩句程式碼用來初始化屬性服務配置並啟動屬性服務。首先我們來學習服務配置的初始化和啟動。

屬性服務初始化與啟動

property_init函式具體實現的程式碼如下所示。
system/core/init/property_service.cpp

cpp

void property_init() {
    if (__system_property_area_init()) {
        ERROR("Failed to initialize property area\n");
        exit(1);
    }
}

__system_property_area_init函式用來初始化屬性記憶體區域。接下來檢視start_property_service函式的具體程式碼：

cpp

void start_property_service() {
    property_set_fd = create_socket(PROP_SERVICE_NAME, SOCK_STREAM | SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK,
                                    0666, 0, 0, NULL);//1
    if (property_set_fd == -1) {
        ERROR("start_property_service socket creation failed: %s\n", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    listen(property_set_fd, 8);//2
    register_epoll_handler(property_set_fd, handle_property_set_fd);//3
}

註釋1處用來建立非阻塞的socket。註釋2處呼叫listen函式對property_set_fd進行監聽，這樣建立的socket就成為了server，也就是屬性服務；listen函式的第二個引數設定8意味著屬性服務最多可以同時為8個試圖設定屬性的使用者提供服務。註釋3處的程式碼將property_set_fd放入了epoll控制程式碼中，用epoll來監聽property_set_fd：當property_set_fd中有資料到來時，init程式將用handle_property_set_fd函式進行處理。
在linux新的核心中，epoll用來替換select，epoll最大的好處在於它不會隨著監聽fd數目的增長而降低效率。因為核心中的select實現是採用輪詢來處理的，輪詢的fd數目越多，自然耗時越多。

** 屬性服務處理請求**
從上文我們得知，屬性服務接收到客戶端的請求時，會呼叫handle_property_set_fd函式進行處理：
system/core/init/property_service.cpp

cpp

static void handle_property_set_fd()
{  
...

        if(memcmp(msg.name,"ctl.",4) == 0) {
            close(s);
            if (check_control_mac_perms(msg.value, source_ctx, &cr)) {
                handle_control_message((char*) msg.name + 4, (char*) msg.value);
            } else {
                ERROR("sys_prop: Unable to %s service ctl [%s] uid:%d gid:%d pid:%d\n",
                        msg.name + 4, msg.value, cr.uid, cr.gid, cr.pid);
            }
        } else {
            //檢查客戶端程式許可權
            if (check_mac_perms(msg.name, source_ctx, &cr)) {//1
                property_set((char*) msg.name, (char*) msg.value);//2
            } else {
                ERROR("sys_prop: permission denied uid:%d  name:%s\n",
                      cr.uid, msg.name);
            }
            close(s);
        }
        freecon(source_ctx);
        break;
    default:
        close(s);
        break;
    }
}

註釋1處的程式碼用來檢查客戶端程式許可權，在註釋2處則呼叫property_set函式對屬性進行修改，程式碼如下所示。

cpp

int property_set(const char* name, const char* value) {
    int rc = property_set_impl(name, value);
    if (rc == -1) {
        ERROR("property_set(\"%s\", \"%s\") failed\n", name, value);
    }
    return rc;
}

property_set函式主要呼叫了property_set_impl函式：

cpp

static int property_set_impl(const char* name, const char* value) {
    size_t namelen = strlen(name);
    size_t valuelen = strlen(value);
    if (!is_legal_property_name(name, namelen)) return -1;
    if (valuelen >= PROP_VALUE_MAX) return -1;
    if (strcmp("selinux.reload_policy", name) == 0 && strcmp("1", value) == 0) {
        if (selinux_reload_policy() != 0) {
            ERROR("Failed to reload policy\n");
        }
    } else if (strcmp("selinux.restorecon_recursive", name) == 0 && valuelen > 0) {
        if (restorecon_recursive(value) != 0) {
            ERROR("Failed to restorecon_recursive %s\n", value);
        }
    }
    //從屬性儲存空間查詢該屬性
    prop_info* pi = (prop_info*) __system_property_find(name);
    //如果屬性存在
    if(pi != 0) {
       //如果屬性以"ro."開頭，則表示是隻讀，不能修改，直接返回
        if(!strncmp(name, "ro.", 3)) return -1;
       //更新屬性值
        __system_property_update(pi, value, valuelen);
    } else {
       //如果屬性不存在則新增該屬性
        int rc = __system_property_add(name, namelen, value, valuelen);
        if (rc < 0) {
            return rc;
        }
    }
    /* If name starts with "net." treat as a DNS property. */
    if (strncmp("net.", name, strlen("net.")) == 0)  {
        if (strcmp("net.change", name) == 0) {
            return 0;
        }
      //以net.開頭的屬性名稱更新後，需要將屬性名稱寫入net.change中  
        property_set("net.change", name);
    } else if (persistent_properties_loaded &&
            strncmp("persist.", name, strlen("persist.")) == 0) {
        /*
         * Don't write properties to disk until after we have read all default properties
         * to prevent them from being overwritten by default values.
         */
        write_persistent_property(name, value);
    }
    property_changed(name, value);
    return 0;
}

property_set_impl函式主要用來對屬性進行修改，並對以ro、net和persist開頭的屬性進行相應的處理。到這裡，屬性服務處理請求的原始碼就講到這。

8.init程式總結

講到這，總結起來init程式主要做了三件事：
1.建立一些資料夾並掛載裝置
2.初始化和啟動屬性服務
3.解析init.rc配置檔案並啟動zygote程式

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