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Android系統啟動流程（一）解析init程式
前言
上一篇文章我們分析了init程式，init程式中主要做了三件事，其中一件就是建立了Zygote程式，那麼Zygote程式是什麼，它做了哪些事呢？這篇文章會給你這些問題的答案。
1.Zygote簡介
在Android系統中，JavaVM(Java虛擬機器)、應用程式程式以及執行系統的關鍵服務的SystemServer程式都是由Zygote程式來建立的，我們也將它稱為孵化器。它通過fock(複製程式)的形式來建立應用程式程式和SystemServer程式，由於Zygote程式在啟動時會建立JavaVM，因此通過fock而建立的應用程式程式和SystemServer程式可以在內部獲取一個JavaVM的例項拷貝。
關於init啟動zygote我們在上一篇文章已經提到了，這裡就不贅述了，這篇文章主要分析Android7.0 Zygote的啟動流程。
2.AppRuntime分析
我們從上篇文章得知init啟動zygote時主要是呼叫app_main.cpp的main函式中的AppRuntime的start來啟動zygote程式的，我們就從app_main.cpp的main函式開始分析，如下所示。
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
int main(int argc, char* const argv[])
{
...
AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
...
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"));//1
}
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);
for (; i < argc; ++i) {
args.add(String8(argv[i]));
}
}
if (!niceName.isEmpty()) {
runtime.setArgv0(niceName.string());
set_process_name(niceName.string());
}
if (zygote) {
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);//2
} 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;
}
}複製程式碼註釋1處如果startSystemServer為true的話(預設為true)，將"start-system-server"放入啟動的引數args。
註釋2處呼叫註釋2處這裡呼叫runtime的start函式來啟動zygote程式，並將args傳入，這樣啟動zygote程式後，zygote程式會將SystemServer程式啟動。我們知道runtime指的就是AppRuntime，AppRuntime宣告也在app_main.cpp中，它繼承AndroidRuntime，也就是我們呼叫start其實是呼叫AndroidRuntime的start函式：
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
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) {//1
return;
}
onVmCreated(env);
if (startReg(env) < 0) {//2
ALOGE("Unable to register all android natives\n");
return;
}
jclass stringClass;
jobjectArray strArray;
jstring classNameStr;
stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
assert(stringClass != NULL);
//建立陣列
strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
assert(strArray != NULL);
//從app_main的main函式得知className為com.android.internal.os.ZygoteInit
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);
}
char* slashClassName = toSlashClassName(className);
jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
if (startClass == NULL) {
ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
/* keep going */
} else {
//找到ZygoteInit的main函式
jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");//3
if (startMeth == NULL) {
ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
/* keep going */
} else {
//通過JNI呼叫ZygoteInit的main函式
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);//4
#if 0
if (env->ExceptionCheck())
threadExitUncaughtException(env);
#endif
}
}
...
}複製程式碼註釋1處呼叫startVm函式來建立JavaVm，註釋2處呼叫startReg函式用來為JavaVm註冊JNI。註釋3處的程式碼用來找到ZygoteInit的main函式，其中startClass從app_main的main函式得知為com.android.internal.os.ZygoteInit。註釋4處通過JNI呼叫ZygoteInit的main函式，因為ZygoteInit的main函式是Java編寫的，因此需要通過JNI呼叫。
3.Zygote的Java框架層
上文我們通過JNI呼叫ZygoteInit的main函式後，Zygote便進入了Java框架層，此前沒有任何程式碼進入過Java框架層，換句換說Zygote開創了Java框架層。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
...
try {
...
//註冊Zygote用的Socket
registerZygoteSocket(socketName);//1
...
//預載入類和資源
preload();//2
...
if (startSystemServer) {
//啟動SystemServer程式
startSystemServer(abiList, socketName);//3
}
Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
//等待客戶端請求
runSelectLoop(abiList);//4
closeServerSocket();
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run();
} catch (RuntimeException ex) {
Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
closeServerSocket();
throw ex;
}
}複製程式碼註釋1處通過registerZygoteSocket函式來建立一個Server端的Socket，這個Socket用來等待ActivityManagerService來請求Zygote來建立新的應用程式程式。註釋2處用來預載入類和資源。註釋3處用來啟動SystemServer程式，這樣系統的關鍵服務也會由SystemServer程式啟動起來。註釋4處呼叫runSelectLoop函式來等待客戶端請求。由此得知，ZygoteInit的main函式主要做了4件事，接下來我們對主要的事件一一進行分析。
registerZygoteSocket
首先我們來檢視registerZygoteSocket函式做了什麼
private static void registerZygoteSocket(String socketName) {
if (sServerSocket == null) {
int fileDesc;
final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
try {
String env = System.getenv(fullSocketName);
fileDesc = Integer.parseInt(env);
} catch (RuntimeException ex) {
throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex);
}
try {
FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
fd.setInt$(fileDesc);
sServerSocket = new LocalServerSocket(fd);//1
} catch (IOException ex) {
throw new RuntimeException(
"Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
}
}複製程式碼註釋1處用來建立LocalServerSocket，也就是服務端的Socket。當Zygote程式將SystemServer程式啟動後，就會在這個服務端的Socket上來等待ActivityManagerService請求Zygote程式來建立新的應用程式程式。
啟動SystemServer程式
接下來檢視startSystemServer函式，程式碼如下所示。
private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
...
/* Hardcoded command line to start the system server */
/*1*/
String args[] = {
"--setuid=1000",
"--setgid=1000",
"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
"--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
"--nice-name=system_server",
"--runtime-args",
"com.android.server.SystemServer",
};
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
int pid;
try {
parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);//2
ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);
/*3*/
pid = Zygote.forkSystemServer(
parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags,
null,
parsedArgs.permittedCapabilities,
parsedArgs.effectiveCapabilities);
} catch (IllegalArgumentException ex) {
throw new RuntimeException(ex);
}
if (pid == 0) {
if (hasSecondZygote(abiList)) {
waitForSecondaryZygote(socketName);
}
handleSystemServerProcess(parsedArgs);//4
}
return true;
}複製程式碼註釋1處的程式碼用來建立args陣列，這個陣列用來儲存啟動SystemServer的啟動引數，其中可以看出SystemServer程式的使用者id和使用者組id被設定為1000；並且擁有使用者組1001~1010，1018、1021、1032、3001~3010的許可權；程式名為system_server；啟動的類名為com.android.server.SystemServer。在註釋2處將args陣列封裝成Arguments物件並供註釋3的forkSystemServer函式呼叫。註釋3處呼叫Zygote的forkSystemServer，主要通過fork函式在當前程式建立一個子程式，如果返回的pid 為0，也就是表示在新建立的子程式中執行的，則執行註釋4處的handleSystemServerProcess來啟動SystemServer程式。
runSelectLoop
啟動啟動SystemServer程式後，最後進入runSelectLoop函式，如下所示。
private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());//1
peers.add(null);
while (true) {
StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {//2
pollFds[i] = new StructPollfd();
pollFds[i].fd = fds.get(i);
pollFds[i].events = (short) POLLIN;
}
try {
Os.poll(pollFds, -1);
} catch (ErrnoException ex) {
throw new RuntimeException("poll failed", ex);
}
for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {//3
if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
continue;
}
if (i == 0) {
ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);//4
peers.add(newPeer);
fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
} else {
boolean done = peers.get(i).runOnce();//5
if (done) {
peers.remove(i);
fds.remove(i);
}
}
}
}
}複製程式碼註釋1處中的sServerSocket就是我們在registerZygoteSocket函式中建立的服務端Socket，呼叫sServerSocket.getFileDescriptor()用來獲得該Socket的fd欄位的值並新增到fd列表fds中。接下來無限迴圈用來等待ActivityManagerService請求Zygote程式建立新的應用程式程式。註釋2處通過遍歷將fds儲存的資訊轉移到pollFds陣列中。最後在註釋3處對pollFds進行遍歷，如果i==0則說明服務端Socket與客戶端連線上，也就是當前Zygote程式與ActivityManagerService建立了連線。則在註釋4處通過acceptCommandPeer函式得到ZygoteConnection類並新增到Socket連線列表peers中，接著將該ZygoteConnection的fd新增到fd列表fds中，以便可以接收到ActivityManagerService傳送過來的請求。如果i的值大於0，則說明ActivityManagerService向Zygote程式傳送了一個建立應用程式的請求，則在註釋5處呼叫ZygoteConnection的runOnce函式來建立一個新的應用程式程式。並在成功建立後將這個連線從Socket連線列表peers和fd列表fds中清除。
4.Zygote程式總結
Zygote啟動流程就講到這，Zygote程式共做了如下幾件事：
1.建立AppRuntime並呼叫其start方法，啟動Zygote程式。
2.建立JavaVM併為JavaVM註冊JNI.
3.通過JNI呼叫ZygoteInit的main函式進入Zygote的Java框架層。
4.通過registerZygoteSocket函式建立服務端Socket，並通過runSelectLoop函式等待ActivityManagerService的請求。
5.啟動SystemServer程式。
參考資料
《Android系統原始碼情景分析》
《深入理解Android卷1》
《深入理解Android系統》
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