Android 11(R)启动流程 初版

启动流程

bootloader会去启动android第一个进程Idle，pid为0，会对进程 内存管理等进行初始化。Idle还被称作swapper。Idle会去创建两个进程，一个是init，另外一个是kthread。 kthread会去启动内核，用户是由init进行启动。

init进程的启动

在内核common/init/main.c 的kernel_init函数中

	if (execute_command) {
		ret = run_init_process(execute_command);
		if (!ret)
			return 0;
		panic("Requested init %s failed (error %d).",
		      execute_command, ret);
	}
	if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
	    !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
	    !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
	    !try_to_run_init_process("/bin/sh"))
		return 0;

可以看到这里启动了init进程。并且这个bin是在根目录下的。

static int run_init_process(const char *init_filename)
{
	argv_init[0] = init_filename;
	pr_info("Run %s as init process\n", init_filename);
	return do_execve(getname_kernel(init_filename),
		(const char __user *const __user *)argv_init,
		(const char __user *const __user *)envp_init);
}

do_execve 是一个内核函数，用于执行用户空间的程序，最后会调用到__do_execve_file函数

/* 参数解释
int fd:

文件描述符，用于指定要执行的文件。如果不使用文件描述符，可以传入 AT_FDCWD。
struct filename *filename:

文件名结构体，包含要执行的可执行文件的路径。
struct user_arg_ptr argv:

参数指针结构体，指向传递给新进程的命令行参数。
struct user_arg_ptr envp:

环境变量指针结构体，指向传递给新进程的环境变量。
int flags:

标志位，用于控制执行行为。
struct file *file:

文件结构体指针，指向要执行的文件。如果不通过文件描述符打开文件，可以传入 NULL。*/


static int __do_execve_file(int fd, struct filename *filename,
			    struct user_arg_ptr argv,
			    struct user_arg_ptr envp,
			    int flags, struct file *file)
{
	char *pathbuf = NULL;
	struct linux_binprm *bprm;
	struct files_struct *displaced;
	int retval;

    //检查 filename 是否为错误指针，如果是，则返回相应的错误码。

	if (IS_ERR(filename))
		return PTR_ERR(filename);

	/*
	 * We move the actual failure in case of RLIMIT_NPROC excess from
	 * set*uid() to execve() because too many poorly written programs
	 * don't check setuid() return code.  Here we additionally recheck
	 * whether NPROC limit is still exceeded.
	 */

    //检查当前用户的进程数是否超过了限制，如果超过了限制，则返回 -EAGAIN 错误码。
    //清除进程标志 PF_NPROC_EXCEEDED。

	if ((current->flags & PF_NPROC_EXCEEDED) &&
	    atomic_read(&current_user()->processes) > rlimit(RLIMIT_NPROC)) {
		retval = -EAGAIN;
		goto out_ret;
	}

	/* We're below the limit (still or again), so we don't want to make
	 * further execve() calls fail. */
	current->flags &= ~PF_NPROC_EXCEEDED;

    //调用 unshare_files 函数分离文件结构，以确保进程在执行期间独占文件描述符表
	retval = unshare_files(&displaced);
	if (retval)
		goto out_ret;

	retval = -ENOMEM;
    //分配并初始化 linux_binprm 结构体，该结构体用于存储进程执行所需的各种信息
	bprm = kzalloc(sizeof(*bprm), GFP_KERNEL);
	if (!bprm)
		goto out_files;

	retval = prepare_bprm_creds(bprm);
	if (retval)
		goto out_free;

    //调用 check_unsafe_exec 函数进行安全检查
	check_unsafe_exec(bprm);
	current->in_execve = 1;

    //如果没有提供文件指针，则使用 do_open_execat 函数根据文件描述符和文件名打开文件
	if (!file)
		file = do_open_execat(fd, filename, flags);
	retval = PTR_ERR(file);
	if (IS_ERR(file))
		goto out_unmark;

    /*准备执行环境:
    调用 sched_exec 函数设置调度相关信息。
    初始化 bprm 结构体中的文件和文件名信息。
    调用 bprm_mm_init 函数初始化进程的内存管理。
    调用 prepare_arg_pages 函数准备参数和环境变量的内存页。
    调用 prepare_binprm 函数准备可执行文件的二进制参数。*/

	sched_exec();

	bprm->file = file;
	if (!filename) {
		bprm->filename = "none";
	} else if (fd == AT_FDCWD || filename->name[0] == '/') {
		bprm->filename = filename->name;
	} else {
		if (filename->name[0] == '\0')
			pathbuf = kasprintf(GFP_KERNEL, "/dev/fd/%d", fd);
		else
			pathbuf = kasprintf(GFP_KERNEL, "/dev/fd/%d/%s",
					    fd, filename->name);
		if (!pathbuf) {
			retval = -ENOMEM;
			goto out_unmark;
		}
		/*
		 * Record that a name derived from an O_CLOEXEC fd will be
		 * inaccessible after exec. Relies on having exclusive access to
		 * current->files (due to unshare_files above).
		 */
		if (close_on_exec(fd, rcu_dereference_raw(current->files->fdt)))
			bprm->interp_flags |= BINPRM_FLAGS_PATH_INACCESSIBLE;
		bprm->filename = pathbuf;
	}
	bprm->interp = bprm->filename;

	retval = bprm_mm_init(bprm);
	if (retval)
		goto out_unmark;

	retval = prepare_arg_pages(bprm, argv, envp);
	if (retval < 0)
		goto out;

	retval = prepare_binprm(bprm);
	if (retval < 0)
		goto out;


    //复制参数和环境变量:

    //调用 copy_strings_kernel 函数复制文件名到用户栈。
    //调用 copy_strings 函数依次复制环境变量和命令行参数到用户栈

	retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
	if (retval < 0)
		goto out;

	bprm->exec = bprm->p;
	retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
	if (retval < 0)
		goto out;

	retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
	if (retval < 0)
		goto out;

	/*
	 * When argv is empty, add an empty string ("") as argv[0] to
	 * ensure confused userspace programs that start processing
	 * from argv[1] won't end up walking envp. See also
	 * bprm_stack_limits().
	 */
	if (bprm->argc == 0) {
		const char *argv[] = { "", NULL };
		retval = copy_strings_kernel(1, argv, bprm);
		if (retval < 0)
			goto out;
		bprm->argc = 1;
	}

    //调用 exec_binprm 函数执行可执行文件
	retval = exec_binprm(bprm);
	if (retval < 0)
		goto out;

    //如果执行成功，清理各种临时数据结构，释放资源，并返回成功状态。
    //如果执行失败，进行错误处理，清理资源，并返回相应的错误码。
	/* execve succeeded */
	current->fs->in_exec = 0;
	current->in_execve = 0;
	rseq_execve(current);
	acct_update_integrals(current);
	task_numa_free(current, false);
	free_bprm(bprm);
	kfree(pathbuf);
	if (filename)
		putname(filename);
	if (displaced)
		put_files_struct(displaced);
	return retval;

out:
	if (bprm->mm) {
		acct_arg_size(bprm, 0);
		mmput(bprm->mm);
	}

out_unmark:
	current->fs->in_exec = 0;
	current->in_execve = 0;

out_free:
	free_bprm(bprm);
	kfree(pathbuf);

out_files:
	if (displaced)
		reset_files_struct(displaced);
out_ret:
	if (filename)
		putname(filename);
	return retval;
}

接下来就正式进入init的启动流程，init代码路径：system/core/init/main.cpp main函数代码较短，直接贴上来。

int main(int argc, char** argv) {
#if __has_feature(address_sanitizer)
    __asan_set_error_report_callback(AsanReportCallback);
#endif

    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);
    }

    if (argc > 1) {
        if (!strcmp(argv[1], "subcontext")) {
            android::base::InitLogging(argv, &android::base::KernelLogger);
            const BuiltinFunctionMap& function_map = GetBuiltinFunctionMap();

            return SubcontextMain(argc, argv, &function_map);
        }

        if (!strcmp(argv[1], "selinux_setup")) {
            return SetupSelinux(argv);
        }

        if (!strcmp(argv[1], "second_stage")) {
            return SecondStageMain(argc, argv);
        }
    }

    return FirstStageMain(argc, argv);
}

FirstStageMain

在FirstStageMain中，主要是挂载文件目录，创建一些文件，做一些初始化等的阶段。

还包括初始化日志系统，将输入输出重定向。

最后，会去启动init 并且带一个selinux_setup

SelinuxInitialize

在SelinuxInitialize中会初始化一些安全策略

selinux_setup之后会去second_stage

SecondStageMain

PropertyInit();  初始化属性域

selinux初始化
// Now set up SELinux for second stage.
SelinuxSetupKernelLogging();
SelabelInitialize();
SelinuxRestoreContext();//恢复安全上下文


//处理子进程的终止信号，判断子进程有没有挂掉 （僵尸进程） 回收资源。
InstallSignalFdHandler(&epoll);
InstallInitNotifier(&epoll);
StartPropertyService(&property_fd);


//匹配命令和函数之间的关系，ls 等命令和函数的关系
const BuiltinFunctionMap& function_map = GetBuiltinFunctionMap();

/********************************/
//解析init.rc
LoadBootScripts(am, sm);
/********************************/

static void LoadBootScripts(ActionManager& action_manager, ServiceList& service_list) {
    Parser parser = CreateParser(action_manager, service_list);

    std::string bootscript = GetProperty("ro.boot.init_rc", "");
    if (bootscript.empty()) {
        parser.ParseConfig("/system/etc/init/hw/init.rc");
        if (!parser.ParseConfig("/system/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/system/etc/init");
        }
        // late_import is available only in Q and earlier release. As we don't
        // have system_ext in those versions, skip late_import for system_ext.
        parser.ParseConfig("/system_ext/etc/init");
        if (!parser.ParseConfig("/product/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/product/etc/init");
        }
        if (!parser.ParseConfig("/odm/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/odm/etc/init");
        }
        if (!parser.ParseConfig("/vendor/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/vendor/etc/init");
        }
    } else {
        parser.ParseConfig(bootscript);
    }
}

在LoadBootScripts中会去创建三种对应解释器

Parser CreateParser(ActionManager& action_manager, ServiceList& service_list) {
    Parser parser;

    parser.AddSectionParser("service", std::make_unique<ServiceParser>(
                                               &service_list, GetSubcontext(), std::nullopt));
    parser.AddSectionParser("on", std::make_unique<ActionParser>(&action_manager, GetSubcontext()));
    parser.AddSectionParser("import", std::make_unique<ImportParser>(&parser));

    return parser;
}

init处理的重要事情

1.挂载文件

2.设置selinux

3.开启属性服务

4.解析init.rc

5.循环处理脚本 -》 启动zygote

6.循环等待

init.rc -》zygote

# Now we can start zygote for devices with file based encryption
trigger zygote-start

这段 init.rc 脚本配置了在不同加密状态下启动 zygote 及其相关服务的逻辑。根据设备的加密状态（未加密、不支持加密或已加密)

init.rc解析时会导入import /system/etc/init/hw/init.${ro.zygote}.rc

这里大括号{}中的ro.zygote表示它会用 ro.zygote 系统属性的值来替换 ${ro.zygote}。

所以这里是 import /system/etc/init/hw/init.zygote32.rc

init.zygote32.rc类似的文件有四个，对应32位系统，64位系统，还有主32次64或者主64的。这种会在32执行失败之后再执行64位的。

启动一个服务 zygote 后面是路径， 在后面是参数

zygote的作用之一是要进入java层，为Android启动运行时环境。

AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv)); -》class AppRuntime : public AndroidRuntime

app_main.cpp中 runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);去启动android运行时环境。

app_main.cpp runtime.start -》

AndroidRuntime.cpp AndroidRuntime::start -》

startVm 启动虚拟机-》

startReg 注册jni-》

env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

启动com.android.internal.os.ZygoteInit -》ZygoteInit.java . main

AndroidRuntime 中包括对虚拟机一系列的初始化，这里包括heapsize的初始化为16M，

进程和虚拟机是什么关系

虚拟机实现了进程中内存管理的功能

注册jni

startReg-》

register_jni_procs-》

register_com_android_internal_os_RuntimeInit (env)

register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit(env)

register_com_android_internal_os_......

Zygote的java启动

runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote); -》

env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);-》

ZygoteInit.java main-》

preload(bootTimingsTraceLog);//加快进程的启动-》

zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote);-》

Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer);// 启动systemserver进程-》

caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);进入loop死循环，接收AMS传过来的消息

preload加载的时间

Zygote总结：

native：

1.初始化运行环境，创建jvm

2.注册jni

3.调用zygoteinit.main

java

1.预加载 -- 加快进程启动

2.socket 服务器

3.循环等待

Zygote fork SystemServer进程

SystemServer的主要工作是管理服务，AMS WMS都和SystemServer属于同一进程，这些服务都是在SystemServer运行起来的。

ZygoteInit.java

-》

Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);

-》

Zygote.forkSystemServer-》

Zygote.java nativeForkSystemServer

-》

com_android_internal_os_Zygote.cpp com_android_internal_os_Zygote_nativeForkSystemServer

-》

ForkAndSpecializeCommon-》

fork(); -》

pid == 0 handleSystemServerProcess-》

ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);

-》

RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);

-》

RuntimeInit.commonInit();//初始化运行环境

-》

ZygoteInit.nativeZygoteInit //启动binder，方法在androidRuntime.cpp中注册

-》

RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);//ActivityThread.main();

-》

findStaticMain //app启动流程也是走这里，因此这里不仅返回AMS通过socket传过来的ActivityThread、还有systemserver

-》cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });//通过反射拿到对应类的main方法的Method对象

-》MethodAndArgsCaller implements Runnable 封装成Runnable对象

-》

mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs }); 执行run时通过invoke函数执行类所对应的main函数

-》r.run();

SystemServer基本流程

main-》new SystemServer().run();-》

startBootstrapServices

startCoreServices

startOtherServices -》

createSystemContext //创建系统上下文

SystemServer如何管理服务

systemserver基本都通过mSystemServiceManager.startService 来启动服务，可以看出SystemServer是通过SystemServiceManager来管理service的，服务都必须封装systemservice类，

mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();

mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();

public class ActivityManagerService extends IActivityManager.Stub

implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

..............} 从这里看出ActivityManagerService 是一个binder。但是因为只能有一个父类，为了能够实现继承自systemservice的效果，ActivityManagerService 实现了一个静态内部类Lifecycle拓展自SystemService。

public static final class Lifecycle extends SystemService {.......}

public Lifecycle(Context context) {
    super(context);
    mService = new ActivityManagerService(context);
}

并且mSystemServiceManager.startService传递的是类名，可以通过反射创建实例，通过实例调用service.onStart();可以调用到继承自SystemService 的Lifecycle里面的onStart函数。

public <T extends SystemService> T startService(Class<T> serviceClass) {}

在通过

ServiceManager.addService(Context.ACTIVITY_SERVICE, this, /* allowIsolated= */ true, DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL | DUMP_FLAG_PRIORITY_NORMAL | DUMP_FLAG_PROTO);

或者

publishBinderService(Context.USER_SERVICE, mUms); 将服务注册到servicemanager里面去，尽管publishBinderService最后也是调用ServiceManager.addService函数。