Android启动系列之一：init进程和Zygote进程

BennuCTech2024-04-15 18:50

前言

先来看看Android系统启动的流程：

  1. 启动电源及系统启动

    当电源按下时引导芯片代码从预定义的地方（固化在ROM）开始执行。加载引导程序Bootloader到RAM中，然后执行。

  2. 引导程序BootLoader

    引导程序BootLoader是在Android操作系统开始运行前的一个小程序，它的主要作用是把系统OS拉起来并运行。

  3. Linux内核启动

    当内核启动时，设置缓存、加载驱动等。在内核完成系统设置后，首先在系统文件中寻找init.rc文件，并启动init进程。

  4. init进程启动

    init进程主要用来初始化和启动属性服务，也用来启动Zygote进程。

可以看到当我们按下启动电源时，系统启动后会加载引导程序，引导程序有启动Linux内核，当Linux内核加载完成后，第一件事就是启动init进程。

init进程

当Linux内核加载完成后，会首先在系统文件中寻找init.rc文件，并启动init进程，这样就执行了init进程的入口函数，部分代码如下：

c++ 复制代码 
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);
    }  
    ...

init进程启动做了很多工作，总的来说只要是以下三件事：

  1. 创建和挂载启动所需的文件目录
  2. 初始化和启动属性服务
  3. 解析init.rc配置文件并启动Zygote进程

这里我们重点关注一下Zygote进程的启动代码，如下：

ini 复制代码 
bool Service::Start() { 
    flags_ &= (~(SVC_DISABLED|SVC_RESTARTING|SVC_RESET|SVC_RESTART|SVC_DISABLED_START));
    if (flags_ & SVC_RUNNING) {
        return false;
    }
    ......
    struct stat sb;

    if (stat(args_[0].c_str(), &sb) == -1) {
        PLOG(ERROR) << "cannot find '" << args_[0] << "', disabling '" << name_ << "'";
        flags_ |= SVC_DISABLED;
        return false;
    }
    ......
    pid_t pid = -1;
    if (namespace_flags_) {
        pid = clone(nullptr, nullptr, namespace_flags_ | SIGCHLD, nullptr);
    } else {

        pid = fork();
    }
 
    if (pid == 0) {
        umask(077);
        ......

        if (execve(strs[0], (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
            PLOG(ERROR) << "cannot execve('" << strs[0] << "')";
        }
        _exit(127);
    }
    ......
    return true;
}

这部分代码在system/core/init/service.cpp中。首先判断Service是否已启动，如果已启动则不再启动。如果没有启动则调用fork函数创建子进程并返回pid值。如果pid值为0说么当前当前代码逻辑在子进程中运行，调用execve函数Service子进程就会启动，并进入该Service的main函数中。如果该Service是Zygote（执行程序的路径为/system/bin/app_processXX），对应的文件为app_main.cpp，这样就会进入它的main函数中。

Zygote进程

在Android中，DVM和ART、应用程序进程以及运行系统的关键服务的SyetemService进程都是由Zygote进程来创建的，所以称之为孵化器。它通过fork复制进程的形式来创建应用程序进程和SystemService进程，由于Zygote进程在启动时会创建DVM或ART，所以fork的应用程序进程和SystemService进程可以在内部获取一个DVM或ART的实例副本。

起初Zygote进程名称并不是"zygote"，而是"app_process"，这个名称在Android.mk中定义的。Zygote进程启动后，Linux系统下的pctrl系统会调用app_process，将其名称换成"zygote"

启动脚本

在init.rc文件中采用import来引入Zygote启动脚本，如下：

bash 复制代码 
import /init.${ro.zygote}.rc

可以看到不会引入一个固定文件，而是根据属性ro.zygote来引入不同的文件，主要取值有以下4种：

  • init.zygote32.rc：32位模式
  • init.zygote32_64.rc：32位为主，64位为辅
  • init.zygote64.rc：64位模式
  • init.zygote64_32.rc：64位为主，32位为辅

这些启动脚本都放在system/core/rootdir目录中。如果是主辅（32_64或64_32）模式的话，会启动两个Zygote进程，以32_64为例：一个进程为zygote，是主进程，执行程序是app_process32；另外一个进程为zygote_secondary，是辅进程，执行程序是app_process64。

Zygote启动过程

init启动Zygote时主要调用app_main.cpp的mian函数中的AppRuntime的start方法来启动Zygote进程，这个过程如下：

我们先从app_main.cpp的mian函数来分析，代码如下：

c 复制代码 
// /frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
int main(int argc, char* const argv[])
{
   ...
    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; 
        } 
        ...
    }
    ...
    if (!niceName.isEmpty()) {
        runtime.setArgv0(niceName.string(), true /* setProcName */);
    }
    if (zygote) { 
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } 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.");
    }
}

Zygote进程都是通过fork自身来创建子进程的，这样Zygote进程以及它的子进程都会进入这个main函数，所以在上面代码中的while循环中会先进行区分。可以看到首先判断参数arg是否包含"--zygote"，如果包含了则说明是Zygote进程，并且将zygote设置为true。然后判断arg中是否包含"--start-system-server"，如果包含则说明是SystemServer进程，则将startSystemServer设置为true。

继续往下看，如果zygote是true的话，即是Zygote进程，则调用AppRuntime的start函数（实际上是调用AppRuntime的父类AndroidRuntime），这个函数代码如下：

c++ 复制代码 
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, primary_zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);
    

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

    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
        }
    } 
   ...
}

首先在第一个if代码处执行了startVm函数来创建java虚拟机；然后在第二个if代码处执行了startReg函数为java虚拟机注册JNI方法。

然后往下看，在for循环后可以看到使用JNI通过参数className找到对应的java类，这个className通过app_main.cpp的mian函数代码可知是"com.android.internal.os.ZygoteInit"，这样得到的就是ZygoteInit这个java类。然后在接下来的代码中找到ZygoteInit的main函数并执行。这样Zygote就从Native层进入了java框架层。

在这之前是没有任何代码进入java框架层的，所以说是Zygote开始了java框架层。ZygoteInit的main函数如下：

java 复制代码 
public static void main(String argv[]) {
    ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
    ...
    try {
        ...
        zygoteServer.registerServerSocket(socketName);

        if (!enableLazyPreload) {
            ...
            preload(bootTimingsTraceLog);
            ...
        } else {
            ...
        }
        
        ...
        
        if (startSystemServer) {
            Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
            if (r != null) {
                r.run();
                return;
            }
        }

        ...
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
    } catch (Throwable ex) {
        Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
        throw ex;
    } finally {
        zygoteServer.closeServerSocket();
    }
    ...
}

可以看到首先创建了一个zygoteServer，然后通过registerServerSocket方法创建了一个Server端的Socket，这个name是"zygote"的Socket则等待ActivityManagerService请求Zygote来创建新的应用程序进程。

然后在第一个if代码中预加载类和资源。在第二个if代码中创建并启动SystemServer进程，这样系统服务也会有SystemServer进程启动起来。

最后调用ZygoteServer的runSelectLoop函数来等待AMS请求创建新的应用进程。

所以ZygoteInit的main函数主要做了以下工作：

  1. 创建一个Server端的socket
  2. 预加载类和资源
  3. 启动SystemServer进程
  4. 等待AMS请求创建新的应用进程

总结

总结一下，init进程主要做了三件事：创建和挂载启动所需的文件目录、初始化和启动属性服务和解析init.rc并启动Zygote进程。

Zygote进程启动则做了以下几件事：

  • 创建AppRuntime并调用其start方法，启动Zygote进程
  • 创建java虚拟机并为虚拟机注册JNI方法
  • 通过JNI调用ZygoteInit的main函数进入java框架层
  • 通过registerServerSocket创建服务端socket，并通过runSelectLoop函数来等待AMS请求创建新的应用进程
  • 启动SystemServer进程。
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