當我們按下手機開機按鍵後，手機就會啟動了。然後會看到 Logo，開機動畫，最後會進入到手機桌面（Launcher），手機也就啟動完成了。
我一直搞不明白，這個過程到底做了什麼？為什麼按一個按鍵，手機就啟動了呢？
隨著對 Android 的瞭解越來越多，直到閱讀了原始碼，才逐漸解答了我的疑惑。如果你也有相同疑惑，請繼續往下看，我將從原始碼的角度分析下 Android 系統啟動的整個流程。
計算機是如何啟動的？
智慧手機相當於是精簡版的計算機，我們先看看計算機是如何啟動的？
首先熟悉一些概念，我們知道計算機的硬體包括：CPU、記憶體、硬碟、顯示卡、顯示器、鍵盤、滑鼠等其他輸入輸出裝置。所有的軟體（比如：作業系統）都是存放在硬碟上的，程式執行時需要將程式從硬碟上讀取到記憶體中，然後載入到 CPU 中來執行的。
當我們按下開機鍵時，此時記憶體中什麼都沒有，因此需要藉助某種方式，將作業系統載入到記憶體中，而完成這項任務的就是 BIOS。
BIOS
BIOS: Basic Input/Output System（基本輸入輸出系統），在 IBM PC 相容系統上，是一種業界標準的韌體介面（來自維基百科）。
BIOS 一般是主機板晶片上的一個程式，計算機通電後，第一件事就是讀取它。BIOS 程式啟動後，首先會檢查計算機硬體能否滿足執行的基本條件，這個過程叫做「硬體自檢」（Power-On Self-Test），縮寫為 POST。
自檢過程中如果硬體出現問題，主機板會發出不同含義的蜂鳴，啟動將中止。 如果沒有問題，螢幕就會顯示出 CPU，記憶體，硬碟等資訊。也就是我們按下開機按鍵後經常看到的，螢幕上快速滾動各種提示。
硬體自檢完成後，BIOS 會把控制權轉交給下一階段的啟動程式。
這時 BIOS 需要知道，下一階段的啟動程式到底存放在哪一個裝置當中。也就是說 BIOS 需要有一個外部儲存裝置的排序，排在前面的裝置就是優先轉交控制權的裝置。 這種排序叫做啟動排序，也就是我們平時進入 BIOS 介面（比如：按 F9/F10 等等，這裡裝過系統的小夥伴應該比較熟悉）時能看到的 Boot Sequence。
如果我們沒有進行特殊操作的話，那麼 BIOS 就會按照這個啟動順序將控制權交給下一個儲存裝置。 我們在使用 U 盤或者光碟之類的安裝系統時就是在這裡將啟動順序改變了，將本來要移交給硬碟的控制權交給了 U 盤或者光碟。
主開機記錄
BIOS 按照啟動順序，把控制權轉交給排在第一位的儲存裝置。第一儲存裝置被啟用後，計算機讀取該裝置的第一個扇區，也就是讀取最前面的 512 個位元組。
這最前面的 512 個位元組，就叫做主開機記錄（Master boot record，縮寫為 MBR）。
主開機記錄 MBR 是位於磁碟最前邊的一段引導程式碼。它負責磁碟作業系統對磁碟進行讀寫時分割槽合法性的判別、分割槽引導資訊的定位，它由磁碟作業系統在對硬碟進行初始化時產生的。
硬碟的主開機記錄 MBR 是不屬於任何一個作業系統的，它先於所有的作業系統而被調入記憶體，併發揮作用，然後才將控制權交給主分割槽內的作業系統，並用主分割槽資訊表來管理硬碟。
MBR 只有512個位元組，放不了太多東西。 它的主要作用是，告訴計算機到硬碟的哪一個位置去找作業系統。
主開機記錄由三個部分組成：
- 第 1 - 446 位元組：呼叫作業系統的機器碼。
- 第 447 - 510 位元組：分割槽表（Partition table）。
- 第 511 - 512 位元組：主開機記錄簽名（0x55 和 0xAA）。
其中，第二部分「分割槽表」的作用，就是將硬碟分成若干個區。硬碟分割槽有很多好處，考慮到每個區可以安裝不同的作業系統，「主開機記錄」因此必須知道將控制權轉交給哪個區。
分割槽表的長度只有 64 個位元組，裡面又分成四項，每項 16 個位元組。所以，一個硬碟最多隻能分四個一級分割槽，又叫做「主分割槽」。
四個主分割槽裡面，只有一個是啟用的。計算機會讀取啟用分割槽的第一個扇區，叫做卷引導記錄（Volume boot record，縮寫為 VBR ）。卷引導記錄的主要作用是，告訴計算機，作業系統在這個分割槽裡的位置。
如果這 512 個位元組的最後兩個位元組是 0x55 和 0xAA ，表明這個裝置可以用於啟動；如果不是，表明裝置不能用於啟動，控制權於是被轉交給啟動順序中的下一個裝置。
當計算機載入 MBR 後，計算機會從 MBR 中知道當前硬碟的檔案格式、硬碟分割槽情況、系統盤存放位置等資訊，然後控制權將被移交給了系統盤所在的分割槽。
如果硬碟上裝有多個系統的話，在找到可用的 MBR 後，計算機從 MBR 中讀取前面 446 位元組的機器碼之後，不再把控制權轉交給某一個分割槽，而是執行事先安裝的啟動管理器（boot loader），由使用者選擇啟動哪一個作業系統。
Windows 中是 Boot Manager。
Linux 環境中，目前最流行的啟動管理器是 Grub。
載入核心階段
選擇完作業系統後，控制權轉交給作業系統，作業系統的核心首先被載入記憶體。
以 Linux 系統為例，先載入 /boot 目錄下面的 kernel。 核心載入成功後，第一個執行的程式是 /sbin/init。 它根據配置檔案（Debian 系統是 /etc/initab ）產生 init 程式。 這是 Linux 啟動後的第一個使用者程式，pid 程式編號為 1，其他程式都是它的後代。
然後，init 程式載入系統的各個模組，比如：視窗程式和網路程式，直至執行 /bin/login 程式，跳出登入介面，等待使用者輸入使用者名稱和密碼。
至此，計算機全部啟動過程完成。
Android 系統啟動過程
瞭解了計算機的啟動流程，我們再來看一下 Android 系統的啟動過程。Android 系統是基於 Linux 核心的，所以啟動過程與 Linux 系統有很多相似的地方。
由於 Android 屬於嵌入式裝置，並沒有像計算機上那樣的 BIOS 程式， 取而代之的是 Bootloader —— 系統啟動載入器。 它類似於 BIOS，在系統載入前，用以初始化硬體裝置，建立記憶體空間的映像圖，為最終呼叫系統核心準備好環境。
在 Android 裡沒有硬碟，而是 ROM，它類似於硬碟存放作業系統，使用者程式等。 ROM 跟硬碟一樣也會劃分為不同的區域，用於放置不同的程式，在 Android 中主要劃分為一下幾個分割槽：
- /boot：存放載入程式，包括核心和記憶體操作程式。
- /system：相當於電腦 C 盤，存放 Android 系統及系統應用。
- /recovery：恢復分割槽，可以進入該分割槽進行系統恢復。
- /data：使用者資料區，包含了使用者的資料：聯絡人、簡訊、設定、使用者安裝的程式。
- /cache：安卓系統快取區，儲存系統最常訪問的資料和應用程式。
- /misc：包含一些雜項內容，如系統設定和系統功能啟用禁用設定。
- /sdcard：使用者自己的儲存區，可以存放照片，音樂，視訊等檔案。
Bootloader
那麼 Bootloader 是如何被載入的呢？
與計算機啟動過程類似，當按下電源按鍵後，引導晶片程式碼開始從預定義的地方（固化在 ROM 中的預設程式碼）開始執行，晶片上的 ROM 會尋找 Bootloader 程式碼，並載入到記憶體（RAM）中。
接著 Bootloader 開始執行，Bootloader 會讀取 ROM 找到作業系統並將 Linux 核心載入到 RAM 中。
當 Linux 核心啟動後會初始化各種軟硬體環境，載入驅動程式，掛載根檔案系統，Linux 核心載入的最後階段會啟動並執行第一個使用者空間程式 init 程式。
Linux 核心
Android 系統本質上就是一個基於 Linux 核心的作業系統，與 Ubuntu Linux、Fedora Linux 類似，我們要了解 Android 系統，必定先要了解一些 Linux 核心的知識。
Linux 核心的東西特別多，本文也不可能全部講完，本文主要介紹 Android 系統啟動流程，所以這裡主要介紹一些核心啟動相關的知識。
Linux 核心啟動過程主要涉及 3 個特殊的程式，swapper 程式（又稱為 idle 程式，PID = 0）， init 程式（PID = 1）和 kthreadd 程式（PID = 2），這三個程式是核心的基礎。
- idle 程式是 Linux 系統第一個程式，是 init 程式和 kthreadd 程式的父程式。
- init 程式是 Linux 系統第一個使用者程式，是 Android 系統應用程式的始祖，我們的 app 都是直接或間接以它為父程式。
- kthreadd 程式是 Linux 系統核心管家，所有的核心執行緒都是直接或間接以它為父程式。
idle 程式
很多文章講 Android 都從 init 程式講起，它的程式號是 1，既然程式號是 1，那麼有沒有程式號是 0 的程式呢？其實是有的。
這個程式名字叫 init_task，後期會退化為「idle」，它是 Linux 系統的第一個程式（init 程式是第一個使用者程式），也是唯一一個沒有通過 fork 或者 kernel_thread 產生的程式，它在完成初始化操作後，主要負責程式排程、交換。
idle 程式是 Linux 系統的第一個程式，程式號是 0，在完成系統環境初始化工作之後，開啟了兩個重要的程式，init 程式和 kthreadd 程式，執行完建立工作之後，開啟一個無限迴圈，負責程式的排程。
kthreadd 程式
kthreadd 程式由 idle 通過 kernel_thread 建立，並始終執行在核心空間, 負責所有核心執行緒的排程和管理，所有的核心執行緒都是直接或者間接的以 kthreadd為 父程式。
init 程式
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。
介紹到這裡，我們來看下目前 Android 系統做了哪些工作，如下圖：
總結
本文介紹的內容相對比較簡單，主要是想帶大家瞭解了一下計算機啟動的流程，瞭解一下 Android 系統從按下電源鍵到 init 程式開始啟動的過程，為以後的章節做下準備。
接下來的章節會涉及到 Android 系統原始碼，建議大家準備一下系統原始碼，對著原始碼學習會更加印象深刻，事半功倍。
原始碼基於：Android Oreo（8.0）
關於原始碼下載
可以參考下面方式下載 Android 原始碼：
也可以線上檢視原始碼：
原始碼檢視工具
原始碼檢視工具推薦使用 Visual Studio Code 我用的就是這個，也可以使用 Source Insight 不過是要付費的，並且只有 Windows 平臺，大家根據個人喜好自行選擇就好。
參考資料
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