Android 系统启动之 zygote 进程启动分析二

本文基于 AOSP android-10.0.0_r41 版本讲解

前面我们说到，init 进程会解析 init.rc 文件，执行对应的命令，其中一个重要的任务就是启动 Zygote 进程。接下来我们就来分析 Zygote 进程的启动和执行过程。

上一节最后我们分析到调用 runtime.start() 启动 ZygoteInit Java 类：

cpp 复制代码

// AppRuntime 的初始化
AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));

// 启动 ZygoteInit 类
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);

这里初始化一个 AppRuntime 对象，然后通过这个对象的 start 方法启动一个 ZygoteInit Java 类。

AppRuntime 直译的话叫做应用运行时，开发时，我们写好 Java/Kotlin 代码，通过对应的编译器将代码编译为字节码，AppRuntime 的作用就是创建一个可以执行字节码的环境，这个环境主要由两部分内容构成：

一部分负责对象的创建与回收，譬如类的加载器，垃圾回收器等
一部分负责程序逻辑的运行，譬如即时编译系统，解释器等

我们先看下 AppRuntime 类的实现：

cpp 复制代码

class AppRuntime : public AndroidRuntime
{
public:
    AppRuntime(char* argBlockStart, const size_t argBlockLength)
        : AndroidRuntime(argBlockStart, argBlockLength)
        , mClass(NULL)
    {
    }

    //......
    // 省略一些代码

    String8 mClassName;
    Vector<String8> mArgs;
    jclass mClass;
};

先看 AppRuntime 的构造函数，调用父类 AndroidRuntime 构造函数：

cpp 复制代码

// AndroidRuntime 类在一个进程中只有一个实例对象，保存在全局变量 gCurRuntime 中。
static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;

AndroidRuntime::AndroidRuntime(char* argBlockStart, const size_t argBlockLength) :
        mExitWithoutCleanup(false),
        mArgBlockStart(argBlockStart),
        mArgBlockLength(argBlockLength)
{
    // 初始化 skia 图形系统
    SkGraphics::Init();

    // Pre-allocate enough space to hold a fair number of options.
    mOptions.setCapacity(20);

    // 只能被初始化一次
    assert(gCurRuntime == NULL);        // one per process
    // 全局 static 变量
    gCurRuntime = this;
}

构造函数中主要初始化 skia 图形系统，然后把 AndroidRuntime 保存到全局变量 gCurRuntime 中。

初始化完成后，就会调用 start 函数启动虚拟机：

cpp 复制代码

// 启动 ZygoteInit 类
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);

这个函数比较长，我们逐步分析：

cpp 复制代码

//具体实现
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{   

    // 打印启动 log
    ALOGD(">>>>>> START %s uid %d <<<<<<\n",
            className != NULL ? className : "(unknown)", getuid());

当这个 Log 打印时，标志着 Java 的运行时开始启动，如果 Android 的系统 log 中反复出现这段内容，而输出 ID都是Zygote，则说明系统可能出现问题，Zygote进程在不断地重启.

cpp 复制代码

    static const String8 startSystemServer("start-system-server");

    /*
     * 'startSystemServer == true' means runtime is obsolete and not run from
     * init.rc anymore, so we print out the boot start event here.
     */
    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
        if (options[i] == startSystemServer) {
           /* track our progress through the boot sequence */
           const int LOG_BOOT_PROGRESS_START = 3000;
           LOG_EVENT_LONG(LOG_BOOT_PROGRESS_START,  ns2ms(systemTime(SYSTEM_TIME_MONOTONIC)));
        }
    }

这里处理参数的异常，对于早期版本的 Runtime，才需要 startSystemServer == true 这样的参数，如果这里出现了这样的参数，打印一些 Log 通知开发人员。

cpp 复制代码

    const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT");
    if (rootDir == NULL) {
        rootDir = "/system";
        if (!hasDir("/system")) {
            LOG_FATAL("No root directory specified, and /system does not exist.");
            return;
        }
        setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1);
    }

这里从环境变量 ANDROID_ROOT 中读取到根目录，如果没有读到，则默认设置为 /system，如果 /system 目录不存在，直接退出。

cpp 复制代码

    const char* runtimeRootDir = getenv("ANDROID_RUNTIME_ROOT");
    if (runtimeRootDir == NULL) {
        LOG_FATAL("No runtime directory specified with ANDROID_RUNTIME_ROOT environment variable.");
        return;
    }

    const char* tzdataRootDir = getenv("ANDROID_TZDATA_ROOT");
    if (tzdataRootDir == NULL) {
        LOG_FATAL("No tz data directory specified with ANDROID_TZDATA_ROOT environment variable.");
        return;
    }

这里接着读取环境遍历。

cpp 复制代码

    //const char* kernelHack = getenv("LD_ASSUME_KERNEL");
    //ALOGD("Found LD_ASSUME_KERNEL='%s'\n", kernelHack);

    /* start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }

这里调用 startVm 启动虚拟机。

cpp 复制代码

    onVmCreated(env);

onVmCreated 是一个虚函数，实际上调用的是子类 AppRuntime 中的重载函数：

cpp 复制代码

    virtual void onVmCreated(JNIEnv* env)
    {
        if (mClassName.isEmpty()) {
            return; // Zygote. Nothing to do here.
        }

    
        char* slashClassName = toSlashClassName(mClassName.string());
        mClass = env->FindClass(slashClassName);
        if (mClass == NULL) {
            ALOGE("ERROR: could not find class '%s'\n", mClassName.string());
        }
        free(slashClassName);

        mClass = reinterpret_cast<jclass>(env->NewGlobalRef(mClass));
    }

如果是 Zygote 进程，变量 mClassName 的值会为 null，会立刻返回。如果是一个普通 Java 类的调用， mClassName 中会存放类的名称，toSlashClassName(mClassName.string()) 的作用是将类名转换为类的全限定名，接着回去到类对应的 jclass 对象。

接着看 start 函数的后续部分：

cpp 复制代码

    /*
     * Register android functions.
     */
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }

startReg 的具体实现如下：

cpp 复制代码

/*static*/ int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
    ATRACE_NAME("RegisterAndroidNatives");
    /*
     * This hook causes all future threads created in this process to be
     * attached to the JavaVM.  (This needs to go away in favor of JNI
     * Attach calls.)
     */
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);

    ALOGV("--- registering native functions ---\n");

    /*
     * Every "register" function calls one or more things that return
     * a local reference (e.g. FindClass).  Because we haven't really
     * started the VM yet, they're all getting stored in the base frame
     * and never released.  Use Push/Pop to manage the storage.
     */
    env->PushLocalFrame(200);

    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    }
    env->PopLocalFrame(NULL);

    //createJavaThread("fubar", quickTest, (void*) "hello");

    return 0;
}

// 进一步调用 register_jni_procs
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        if (array[i].mProc(env) < 0) {
#ifndef NDEBUG
            ALOGD("----------!!! %s failed to load\n", array[i].mName);
#endif
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit),
    REG_JNI(register_android_os_SystemClock),
    REG_JNI(register_android_util_EventLog),
    REG_JNI(register_android_util_Log),
    REG_JNI(register_android_util_MemoryIntArray),
    REG_JNI(register_android_util_PathParser),
    REG_JNI(register_android_util_StatsLog),
    REG_JNI(register_android_util_StatsLogInternal),
    REG_JNI(register_android_app_admin_SecurityLog),
    REG_JNI(register_android_content_AssetManager),
    REG_JNI(register_android_content_StringBlock),
    REG_JNI(register_android_content_XmlBlock),
    REG_JNI(register_android_content_res_ApkAssets),
    REG_JNI(register_android_text_AndroidCharacter),
    REG_JNI(register_android_text_Hyphenator),
    REG_JNI(register_android_view_InputDevice),
    REG_JNI(register_android_view_KeyCharacterMap),
    REG_JNI(register_android_os_Process),
    REG_JNI(register_android_os_SystemProperties),
    REG_JNI(register_android_os_Binder),
    REG_JNI(register_android_os_Parcel),
    REG_JNI(register_android_os_HidlSupport),
    REG_JNI(register_android_os_HwBinder),
    REG_JNI(register_android_os_HwBlob),
    REG_JNI(register_android_os_HwParcel),
    REG_JNI(register_android_os_HwRemoteBinder),
    REG_JNI(register_android_os_NativeHandle),
    // ...... 省略大部分
};

startReg 通过调用 register_jni_procs 函数将全局数组 gRegJNI 中的 JNI 本地函数注册到虚拟机中。我们在 Java 层中调用的很多 Native 方法就是在这里注册的。

接着看 start 函数的后续部分：

cpp 复制代码

    /*
     * We want to call main() with a String array with arguments in it.
     * At present we have two arguments, the class name and an option string.
     * Create an array to hold them.
     */
    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);
    }

这里主要是准备执行 Java 类的参数。这些参数保存在 strArray 中。

cpp 复制代码

    /*
     * Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
     * not return until the VM exits.
     */
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
    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 {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

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

    ALOGD("Shutting down VM\n");
    if (mJavaVM->DetachCurrentThread() != JNI_OK)
        ALOGW("Warning: unable to detach main thread\n");
    if (mJavaVM->DestroyJavaVM() != 0)
        ALOGW("Warning: VM did not shut down cleanly\n");
}

先找到 ZygoteInit 类对应的 jclass，然后通过 GetStaticMethodID 获得ZygoteInit 类中 main 方法的 ID，接着调用 CallStaticVoidMethod 函数 main 函数。至此，整个 start 函数就分析完了，Zygote进程的初始化过程将转到Java层了。

Android 系统启动之 zygote 进程启动分析二

参考资料