一、引言
在 Android 开发领域，深入了解 Android 应用程序进程启动过程犹如掌握了一把开启高效开发大门的钥匙，对开发者而言具有多方面的重要意义。
从性能优化角度来看，知晓进程启动过程能帮助开发者精准定位启动过程中的性能瓶颈。在应用启动时，系统需要加载各种资源、初始化组件，若开发者不清楚这些操作的具体流程和时机，就难以判断哪些环节耗费了过多时间。了解到进程启动时会加载大量类文件和资源文件，开发者就可以通过优化资源加载顺序、减少不必要的初始化操作等方式，有效缩短应用的启动时间，提升用户体验。在冷启动过程中，系统要创建应用进程、加载应用资源等，这一系列操作可能会导致启动时间较长。如果开发者熟悉这些流程，就可以采取如异步加载、缓存数据等优化策略，使应用能够更快地呈现给用户。
理解进程启动过程对于开发者把控应用的生命周期起着关键作用。应用的生命周期与进程启动紧密相连，在进程启动阶段，应用会经历多个生命周期方法的调用，如onCreate()、onStart()、onResume()等。通过深入了解进程启动过程，开发者能够明确在不同的生命周期阶段应该执行哪些操作，从而确保应用在各种情况下都能正确响应。在onCreate()方法中进行必要的初始化操作，在onResume()方法中恢复应用状态等。如果开发者对进程启动和生命周期的关系理解不深，可能会导致应用在切换到后台再回到前台时出现状态丢失、数据错误等问题。
在内存管理方面，深入了解进程启动过程同样不可或缺。在进程启动时，系统会为应用分配内存，应用会加载各种资源到内存中。如果开发者不了解这些过程，可能会导致内存分配不合理、资源泄漏等问题。知晓进程启动时会加载大量图片资源，开发者就可以采取适当的图片压缩、缓存策略，避免因内存占用过多而导致应用崩溃或运行缓慢。
在处理应用的多进程和多线程问题时，对进程启动过程的理解也至关重要。当应用涉及多进程时，不同进程之间的通信和资源共享需要谨慎处理，而了解进程启动过程可以帮助开发者更好地设计进程间通信机制和资源管理策略。在多线程环境下，进程启动时的线程初始化和调度也需要开发者进行合理安排，以确保应用的稳定性和性能。
二、进程和线程基础概念
2.1 进程的定义与作用
进程，简单来说，就是程序的一次执行过程。当我们在手机上点击打开一个应用程序，如微信，操作系统就会为微信创建一个进程，这个进程包含了微信运行所需的代码、数据以及系统资源。从操作系统的角度来看，进程是系统进行资源分配和调度的基本单位 ，就像是一个独立的小王国，拥有自己独立的地址空间，这个地址空间就如同小王国的领土，里面包含了进程运行所需要的各种资源，如内存、文件描述符等。操作系统会根据进程的需求，为其分配这些资源，以保证进程能够正常运行。
进程在系统中扮演着至关重要的角色。它是程序运行的基础，使得不同的程序能够在系统中独立运行，互不干扰。以计算机的日常使用为例，当我们同时打开浏览器、音乐播放器和文档编辑软件时，操作系统会分别为它们创建独立的进程。每个进程都有自己的地址空间和资源，浏览器进程负责处理网页的加载和渲染，音乐播放器进程负责播放音乐，文档编辑软件进程负责处理文档的编辑和保存。这些进程之间相互独立，即使其中一个进程出现问题，如浏览器进程崩溃，也不会影响其他进程的正常运行，音乐播放器依然可以继续播放音乐，文档编辑软件也能保存已经编辑好的内容。
2.2 线程的定义与特点
线程是进程中的一个执行流，是程序执行的最小单位，可以理解为进程中的一个 "小助手"。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，如内存空间、文件描述符等，但每个线程都有自己独立的栈空间和程序计数器。栈空间用于存储线程的局部变量和函数调用信息，程序计数器则用于记录线程当前执行的指令位置。
线程具有以下特点：一是执行开销小，创建线程的时间和空间开销都比创建进程要小得多。在 Java 中，创建一个线程只需要创建一个 Thread 对象，而创建一个进程则需要启动一个新的 Java 虚拟机实例，这涉及到大量的资源分配和初始化工作。二是线程之间可以并发执行，充分利用 CPU 的多核特性，提高程序的执行效率。在一个多核处理器的系统中，多个线程可以同时在不同的核心上运行，从而实现真正的并行计算。例如，在一个图形渲染程序中，可以使用多个线程分别处理图形的不同部分，如一个线程负责渲染背景，一个线程负责渲染人物，一个线程负责渲染特效，这样可以大大加快图形渲染的速度。三是线程之间的通信和同步相对简单，因为它们共享进程的资源，可以直接访问进程中的变量和数据结构。但这也带来了一些问题，如线程安全问题，需要开发者使用同步机制来保证数据的一致性和正确性。
2.3 Android 中进程与线程的关系
在 Android 系统中，每个应用程序都运行在一个独立的进程中，这个进程由 Android 系统管理。当应用程序启动时，系统会为其创建一个 Linux 进程，并在该进程中创建一个主线程，也称为 UI 线程。主线程负责处理用户界面的绘制、事件响应等操作，是应用程序与用户交互的主要线程。
除了主线程，应用程序还可以创建其他线程来执行一些耗时的操作，如网络请求、数据计算等，以避免阻塞主线程，导致界面卡顿或 ANR（Application Not Responding）错误。这些子线程与主线程共享进程的资源，但它们的执行是独立的，可以并发运行。在一个图片加载的应用中，主线程负责显示图片列表和处理用户的点击事件，而子线程则负责从网络或本地加载图片数据，并将加载好的图片传递给主线程进行显示。这样，即使图片加载过程比较耗时，也不会影响主线程对用户操作的响应。
理解 Android 中进程与线程的关系对应用开发具有重要影响。开发者需要合理地管理进程和线程，避免出现资源浪费、内存泄漏、线程安全等问题。在多线程编程中，要注意线程的同步和通信，确保各个线程之间能够协调工作，正确地访问和修改共享资源。同时，要根据应用的需求和性能要求，选择合适的线程模型和并发控制策略，以提高应用的性能和稳定性。
三、Android 应用程序进程启动的关键角色
3.1 Zygote 进程
Zygote 进程堪称 Android 进程的 "孵化器"，在整个 Android 系统中占据着举足轻重的地位，其对应用启动速度的提升有着不可忽视的作用。当 Android 系统启动时，Zygote 进程率先启动，它就像是一个勤劳的 "小蜜蜂"，在启动过程中会进行一系列至关重要的操作。
Zygote 进程会加载 Java 虚拟机（JVM），为后续应用程序的运行提供基础的运行环境。在 Java 代码层面，Zygote 进程通过ZygoteInit类的main方法来完成一系列初始化操作。如下是简化的ZygoteInit类的代码结构：
java
public class ZygoteInit {
public static void main(String[] args) {
// 预加载类
preloadClasses();
// 预加载资源
preloadResources();
// 开启socket监听
registerZygoteSocket();
// 启动SystemServer进程（这是一个特殊的系统进程，承载了众多系统服务）
startSystemServer();
// 进入循环，等待创建新的应用进程
runSelectLoop();
}
private static void preloadClasses() {
// 这里会加载大量Android系统常用的类，例如Activity、Service等核心类
Class<?>[] classesToPreload = {
Activity.class,
Service.class,
// 省略更多类
};
for (Class<?> clazz : classesToPreload) {
preloadClass(clazz);
}
}
private static void preloadResources() {
// 预加载各种资源，如图片、布局文件等
}
private static void registerZygoteSocket() {
// 开启一个socket监听，用于接收创建新应用进程的请求
}
private static void startSystemServer() {
// 启动SystemServer进程，这里涉及到一些复杂的参数传递和进程启动逻辑
}
private static void runSelectLoop() {
// 进入循环，不断监听socket请求，一旦接收到创建新应用进程的请求，就通过fork自身来创建新进程
}
}从上述代码中可以看出，preloadClasses方法会预加载大量 Android 系统常用的类，这些类在后续应用程序启动时就无需再次加载，大大节省了类加载的时间。preloadResources方法则会预加载各种资源，如图片、布局文件等，使得应用在启动时能够更快地获取到这些资源，减少了资源加载的延迟。
当用户启动一个新的应用程序时，Zygote 进程会收到创建新进程的请求。此时，Zygote 进程会通过fork系统调用自身，创建一个新的进程。由于新进程继承了 Zygote 进程已经加载的类和资源，所以新应用进程的启动速度得到了极大的提升。这种 "复制" 的方式就像是快速克隆一样，避免了每个应用程序在启动时都要重新加载系统资源和类库，从而显著缩短了应用的启动时间。
3.2 ActivityManagerService（AMS）
ActivityManagerService（AMS）是 Android 系统中当之无愧的核心服务，它如同一个 "大管家"，全面负责管理应用的生命周期、进程调度以及各种系统资源的分配和管理，在进程启动中扮演着关键角色。
在 Android 系统启动过程中，AMS 会在 SystemServer 进程中被创建和初始化。其创建和启动过程涉及到一系列复杂的步骤，主要包括以下几个关键阶段：首先，在SystemServer类的startBootstrapServices方法中，会调用ActivityManagerService.Lifecycle的startService方法来启动 AMS。如下是相关的代码片段：
java
public final class SystemServer {
private void startBootstrapServices() {
// 启动ActivityTaskManagerService
ActivityTaskManagerService atm = mSystemServiceManager.startService(ActivityTaskManagerService.Lifecycle.class).getService();
// 启动AMS
mActivityManagerService = ActivityManagerService.Lifecycle.startService(mSystemServiceManager, atm);
mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
// 省略其他代码
}
}在ActivityManagerService.Lifecycle的startService方法中，会创建ActivityManagerService实例，并调用其start方法进行初始化。AMS 在启动过程中，会初始化各种内部状态和管理模块，为后续管理应用进程和组件做好准备。
当一个应用程序需要启动时，AMS 会负责处理启动请求。AMS 首先会检查应用的相关信息，如应用的包名、启动的 Activity 等。然后，AMS 会根据应用的重要性和系统资源的使用情况，决定是否为应用分配新的进程。如果系统资源充足，AMS 会通过Process.start方法来启动应用进程；如果系统资源紧张，AMS 可能会先回收一些后台进程的资源，以确保新应用进程能够顺利启动。
在应用启动过程中，AMS 还会负责管理应用的 Activity 生命周期。当应用的 Activity 需要启动、暂停、恢复或销毁时，AMS 会通过 Binder 机制与应用进程进行通信，调用相应的生命周期方法。在应用启动时，AMS 会调用 Activity 的onCreate、onStart、onResume等方法，确保应用能够正确地初始化和显示界面。如下是 AMS 与应用进程通信的简化代码示例：
java
// AMS中启动Activity的方法
public void startActivity(Intent intent, String callingPackage) {
// 检查权限等操作
// 找到目标Activity所在的应用进程
ProcessRecord app = getProcessRecordLocked(callingPackage);
if (app == null) {
// 如果应用进程不存在，则启动新的进程
app = startProcessLocked(callingPackage);
}
// 创建ActivityRecord对象，用于管理Activity的状态
ActivityRecord r = new ActivityRecord(intent, app);
// 将ActivityRecord添加到任务栈中
mTaskStackSupervisor.addActivityToTaskLocked(r);
// 通过Binder机制通知应用进程启动Activity
app.thread.scheduleLaunchActivity(r);
}
// 应用进程中ActivityThread类接收启动Activity的通知
public final classActivityThread {
public void scheduleLaunchActivity(ActivityRecord r) {
// 创建Activity实例
Activity activity = performLaunchActivity(r);
// 调用Activity的onCreate方法
activity.onCreate(r.state);
// 调用Activity的onStart方法
activity.onStart();
// 调用Activity的onResume方法
activity.onResume();
}
private Activity performLaunchActivity(ActivityRecord r) {
// 加载Activity类
ClassLoader cl = r.packageInfo.getClassLoader();
Class<?> activityClass = cl.loadClass(r.activityInfo.name);
// 创建Activity实例
Activity activity = (Activity) activityClass.newInstance();
return activity;
}
}从上述代码可以看出，AMS 在应用启动过程中起到了桥梁和管理者的作用，它协调着系统资源和应用进程之间的交互，确保应用能够顺利启动并正常运行。
3.3 Process 类
Process 类在 Android 应用程序进程启动中扮演着不可或缺的角色，它为开发者提供了启动进程的重要方法，这些方法在进程启动流程中发挥着关键作用。
在 Java 中，Process类是一个抽象类，它提供了与操作系统中的进程进行交互的方法。当我们在 Android 应用中需要启动一个新的进程时，通常会使用Process.start方法或Runtime.exec方法。其中，Process.start方法相对来说更加简洁和高效，它直接调用底层的fork系统调用，创建一个新的进程。如下是Process.start方法的简化代码示例：
java
public class Process {
public static Process start(String processClass, String[] niceName, String[] argv,
String[] envp, File dir, boolean redirectErrorStream)
throws IOException {
return start(processClass, niceName, argv, envp, dir, redirectErrorStream, null, null);
}
private static Process start(String processClass, String[] niceName, String[] argv,
String[] envp, File dir, boolean redirectErrorStream,
ProcessBuilder.Redirect input, ProcessBuilder.Redirect output)
throws IOException {
// 这里会调用底层的fork系统调用，创建一个新的进程
// 并传入相关的参数，如进程类名、参数、环境变量等
// 具体的实现涉及到JNI调用，这里省略详细的底层代码
}
}在实际应用中，当 AMS 决定启动一个新的应用进程时，它会调用Process.start方法来创建新进程。在调用Process.start方法时，需要传入一系列参数，包括要启动的进程类名、进程的优先级（通过niceName参数设置）、命令行参数（argv）、环境变量（envp）、工作目录（dir）等。这些参数对于新进程的初始化和运行至关重要。例如，进程类名指定了新进程要执行的入口类，命令行参数可以传递一些初始化信息给新进程，环境变量则可以影响新进程的运行环境。
除了启动进程，Process类还提供了一些其他有用的方法，用于管理和监控进程的状态。waitFor方法可以使当前线程等待指定的进程结束，并返回进程的退出状态码；destroy方法可以强制终止指定的进程；getInputStream、getOutputStream和getErrorStream方法分别用于获取进程的标准输出流、标准输入流和错误输出流，通过这些流可以与进程进行数据交互。如下是使用Process类的一些示例代码：
java
try {
// 启动一个新的进程，这里以启动一个简单的命令行程序为例
Process process = Process.start("com.example.MyProcess", null, new String[]{"arg1", "arg2"}, null, null, false);
// 等待进程结束，并获取退出状态码
int exitCode = process.waitFor();
if (exitCode == 0) {
System.out.println("进程执行成功");
} else {
System.out.println("进程执行失败，退出状态码：" + exitCode);
}
// 获取进程的标准输出流，读取进程的输出信息
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()));
String line;
while ((line = reader.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
// 关闭输入流
reader.close();
// 销毁进程
process.destroy();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}通过上述代码可以看出，Process类不仅提供了启动进程的方法，还为开发者提供了丰富的工具，用于管理和监控进程的运行状态，使得开发者能够更好地控制应用程序的进程行为。
四、Android 应用程序进程启动详细流程
4.1 发起启动请求
当我们在手机桌面点击应用图标时，Launcher（Android 系统的桌面应用）就会捕捉到这个点击事件。从代码层面来看，Launcher 的点击事件处理逻辑通常在其 Activity 的onClick方法中实现。假设我们有一个自定义的 Launcher 应用，其主 Activity 的布局文件中包含一个应用图标的ImageView，并为其设置了点击监听器，代码如下：
java
public class LauncherActivity extends Activity {
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_launcher);
ImageView appIcon = findViewById(R.id.app_icon);
appIcon.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
Intent intent = new Intent();
intent.setAction(Intent.ACTION_MAIN);
intent.addCategory(Intent.CATEGORY_LAUNCHER);
intent.setComponent(new ComponentName("com.example.targetapp", "com.example.targetapp.MainActivity"));
startActivity(intent);
}
});
}
}在上述代码中，当点击appIcon时，会创建一个Intent对象。这个Intent指定了要启动的目标 Activity 的包名和类名，通过startActivity方法将启动请求发送出去。
startActivity方法内部会通过 Binder 机制与 ActivityManagerService（AMS）进行通信。在 Android 系统中，Binder 是一种高效的跨进程通信机制，它允许不同进程之间进行安全、稳定的通信。当startActivity方法被调用时，会将Intent等相关信息封装成一个 Binder 事务，通过 Binder 驱动发送到 AMS 所在的进程。AMS 是系统服务进程，负责管理所有应用的 Activity 生命周期、进程调度等重要任务。通过这种方式，Launcher 将启动目标应用的请求发送给了 AMS，从而开启了应用程序进程启动的后续流程。
4.2 AMS 检查与请求创建进程
当 AMS 接收到 Launcher 发送的启动请求后，会执行一系列关键操作。首先，AMS 会检查目标应用进程是否已经存在。在 AMS 的代码实现中，维护了一个进程记录列表，用于存储所有已启动进程的相关信息。以ProcessRecord类来表示每个进程的记录，其中包含了进程的 ID、名称、状态等重要属性。AMS 通过遍历这个进程记录列表，根据目标应用的包名来查找对应的进程记录，判断目标应用进程是否已经在运行。如下是简化的 AMS 检查进程的代码逻辑：
java
public class ActivityManagerService {
private final ArrayList<ProcessRecord> mProcessList = new ArrayList<>();
public boolean isProcessRunning(String packageName) {
synchronized (mProcessList) {
for (ProcessRecord processRecord : mProcessList) {
if (packageName.equals(processRecord.processName)) {
return true;
}
}
}
return false;
}
}如果 AMS 检查发现目标应用进程不存在，就会调用startProcessLocked方法向 Zygote 进程发送创建请求。startProcessLocked方法是 AMS 中用于启动新进程的核心方法，它会构建一系列启动参数，并通过 Socket 与 Zygote 进程进行通信。在构建启动参数时，会包含目标应用的包名、应用信息（如应用的权限、版本等）、用户 ID、组 ID 等重要信息。如下是startProcessLocked方法的简化代码示例：
java
public class ActivityManagerService {
private final ZygoteProcess mZygoteProcess = new ZygoteProcess();
@GuardedBy("this")
final ProcessRecord startProcessLocked(String processName, ApplicationInfo info, boolean knownToBeDead, int intentFlags, HostingRecord hostingRecord, int zygotePolicyFlags, boolean allowWhileBooting, boolean isolated) {
// 构建启动参数
int uid = UserHandle.getUid(UserHandle.getAppId(info.uid), info.uid);
int[] gids = null;
gids = computeGidsForProcess(mountExternal, uid, permGids, externalStorageAccess);
// 向Zygote发送创建请求
return mZygoteProcess.startProcess(processName, info, uid, gids, runtimeFlags, zygotePolicyFlags, mountExternal, seInfo, requiredAbi, instructionSet, invokeWith, startTime);
}
}在上述代码中，mZygoteProcess.startProcess方法会通过 Socket 连接到 Zygote 进程，并将启动参数发送给 Zygote。Zygote 进程在接收到这些参数后，就会根据参数来创建新的应用进程。整个过程涉及到复杂的跨进程通信和参数传递，确保了新应用进程能够在正确的环境中启动。
4.3 Zygote 接收请求并创建进程
Zygote 进程在 Android 系统启动时就已经创建，并处于监听状态，等待 AMS 发送的创建新进程请求。Zygote 进程通过创建一个 Server 端的 Socket 来实现监听功能，这个 Socket 就像是一个 "哨所"，时刻等待着 AMS 的消息。在 Zygote 的 Java 框架层代码中，ZygoteInit类负责完成 Socket 的注册和监听相关操作。如下是ZygoteInit类中注册 Zygote Socket 的关键代码：
java
public class ZygoteInit {
private static LocalServerSocket sServerSocket;
public static void main(String[] argv) {
// 注册Zygote Socket
registerZygoteSocket();
// 其他初始化操作
preloadClasses();
preloadResources();
// 启动SystemServer进程
startSystemServer();
// 进入循环，等待创建新的应用进程
runSelectLoopMode();
}
private static void registerZygoteSocket() {
if (sServerSocket == null) {
int fileDesc;
try {
String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);
fileDesc = Integer.parseInt(env);
} catch (RuntimeException ex) {
throw new RuntimeException(ANDROID_SOCKET_ENV + " unset or invalid", ex);
}
try {
sServerSocket = new LocalServerSocket(createFileDescriptor(fileDesc));
} catch (IOException ex) {
throw new RuntimeException("Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
}
}
}
}在上述代码中，registerZygoteSocket方法首先获取环境变量ANDROID_SOCKET_ENV对应的文件描述符，然后使用这个文件描述符创建LocalServerSocket。这样，Zygote 就成功注册了用于接收请求的 Socket。
当 Zygote 接收到 AMS 发送的创建新进程请求时，会调用forkAndSpecialize方法来创建新进程。forkAndSpecialize方法是 Zygote 创建新进程的核心方法，它通过fork系统调用复制自身，从而创建出一个新的进程。在fork操作完成后，子进程（即新创建的应用进程）会继承父进程（Zygote 进程）的资源，包括已经加载的类、打开的文件描述符等。如下是forkAndSpecialize方法的简化代码示例：
java
public class Zygote {
public static int forkAndSpecialize(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int[][] rlimits, String mountExternal, String seInfo, String niceName, int[] fdsToClose, String instructionSet, String appDataDir) {
// 调用native方法进行fork操作
return nativeForkAndSpecialize(uid, gid, gids, debugFlags, rlimits, mountExternal, seInfo, niceName, fdsToClose, instructionSet, appDataDir);
}
private static native int nativeForkAndSpecialize(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int[][] rlimits, String mountExternal, String seInfo, String niceName, int[] fdsToClose, String instructionSet, String appDataDir);
}在上述代码中，forkAndSpecialize方法通过调用nativeForkAndSpecialize这个本地方法来执行fork操作。在fork之后，子进程会返回0，父进程会返回子进程的 PID。通过这种方式，Zygote 成功创建了新的应用进程，并为其后续的初始化工作做好了准备。
4.4 新进程的初始化
新创建的应用进程会首先调用 ActivityThread 类的main方法，这是应用进程的入口点，就像是应用程序的 "大门"，所有的初始化工作都从这里开始。在main方法中，会进行一系列至关重要的初始化操作，为应用的正常运行搭建基础环境。
首先，会创建一个 Looper 对象并启动消息循环。Looper 是 Android 消息机制的核心组件之一，它负责管理消息队列，不断从队列中取出消息并分发给相应的 Handler 处理。通过Looper.prepareMainLooper()方法为当前线程（主线程）创建一个 Looper 对象，并将其与主线程绑定。如下是ActivityThread类中main方法的相关代码：
java
public final class ActivityThread {
public static void main(String[] args) {
// 为当前线程创建Looper
Looper.prepareMainLooper();
ActivityThread thread = new ActivityThread();
// 调用attach方法，与AMS建立连接
thread.attach(false);
if (sMainThreadHandler == null) {
sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
// 开启消息循环
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
}在上述代码中，Looper.prepareMainLooper()方法会创建一个主线程的 Looper 对象，并将其设置为当前线程的 Looper。接着，创建ActivityThread实例，并调用attach方法与 AMS 建立连接。
attach方法主要用于将应用进程与 AMS 建立连接，告知 AMS 应用进程已经启动成功。在attach方法中，会通过 Binder 机制向 AMS 发送消息，同时还会进行一些其他的初始化操作，如创建应用的上下文环境等。如下是attach方法的简化代码：
java
public final class ActivityThread {
private void attach(boolean system) {
if (!system) {
final IActivityManager mgr = ActivityManager.getService();
try {
mgr.attachApplication(mAppThread);
} catch (RemoteException ex) {
throw ex.rethrowFromSystemServer();
}
} else {
// 系统进程相关操作
}
}
}在上述代码中，mgr.attachApplication(mAppThread)方法通过 Binder 机制调用 AMS 的attachApplication方法，将ApplicationThread对象传递给 AMS。ApplicationThread是ActivityThread的内部类，实现了IApplicationThread接口，用于与 AMS 进行进程间通信。
最后，通过Looper.loop()方法启动 Looper 的消息循环，使主线程开始不断处理消息。在消息循环中，主线程会从消息队列中取出消息，并根据消息的类型分发给相应的 Handler 进行处理。这样，应用就能响应各种事件，如用户的点击、系统的广播等，确保应用的正常运行。
4.5 应用进程与 AMS 绑定
在应用进程初始化过程中，ActivityThread 通过attachApplication方法与 AMS 进行绑定，这一过程是应用进程与系统服务之间建立联系的关键步骤。当ActivityThread的attach方法被调用时，会通过 Binder 机制调用 AMS 的attachApplication方法，并将ApplicationThread对象传递给 AMS。ApplicationThread是ActivityThread的内部类，它实现了IApplicationThread接口，用于与 AMS 进行进程间通信。如下是 AMS 中attachApplication方法的简化代码：
java
public class ActivityManagerService {
public final void attachApplication(IApplicationThread thread) {
synchronized (this) {
int callingPid = Binder.getCallingPid();
final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
attachApplicationLocked(thread, callingPid);
Binder.restoreCallingIdentity(origId);
}
}
private final boolean attachApplicationLocked(IApplicationThread thread, int pid) {
// 查找或创建应用的进程记录
ProcessRecord app = getProcessRecordLocked(pid);
if (app == null) {
Slog.wtf(TAG, "Attempted to attach application to non-existent process record");
return false;
}
// 创建应用的Application对象
thread.bindApplication(processName, appInfo, providers, app.instrumentationClass, profilerInfo, app.instrumentationArguments, app.instrumentationWatcher, app.instrumentationUiAutomationConnection, testMode, enableOpenGlTrace, isRestrictedBackupMode || !normalMode, app.persistent, new Configuration(mConfiguration), app.compat, getCommonServicesLocked(app.isolated), mCoreSettingsObserver.getCoreSettingsLocked());
// 启动应用的主Activity
if (normalMode) {
try {
if (mStackSupervisor.attachApplicationLocked(app)) {
didSomething = true;
}
} catch (Exception e) {
Slog.wtf(TAG, "Exception thrown launching activities in " + app, e);
badApp = true;
}
}
return true;
}
}在上述代码中，attachApplication方法首先获取调用者的 PID，并清除调用者的身份标识，然后调用attachApplicationLocked方法进行具体的绑定操作。在attachApplicationLocked方法中，会查找或创建应用的进程记录，并通过thread.bindApplication方法通知应用进程创建Application对象，并初始化应用的全局状态。接着，会启动应用的主 Activity，通过mStackSupervisor.attachApplicationLocked(app)方法来完成主 Activity 的启动相关操作。
对于应用进程来说，ApplicationThread接收到 AMS 的bindApplication消息后，会将消息发送到主线程的消息队列中，由主线程的 Handler 进行处理。在处理bindApplication消息时，会创建应用的Application对象，并调用其onCreate方法，完成应用的初始化工作。如下是ApplicationThread中处理bindApplication消息的简化代码：
java
public class ApplicationThread extends IApplicationThread.Stub {
private final H mH = new H();
@Override
public void bindApplication(String processName, ApplicationInfo appInfo, List<ProviderInfo> providers, String instrumentationName, ProfilerInfo profilerInfo, Bundle instrumentationArgs, IInstrumentationWatcher instrumentationWatcher, IUiAutomationConnection instrumentationUiConnection, int debugMode, boolean enableOpenGlTrace, boolean isRestrictedBackupMode, boolean persistent, Configuration config, CompatibilityInfo compatInfo, Map<String, IBinder> services, Bundle coreSettings) throws RemoteException {
AppBindData data = new AppBindData();
data.processName = processName;
data.appInfo = appInfo;
data.providers = providers;
data.instrumentationName = instrumentationName;
data.profilerInfo = profilerInfo;
data.instrumentationArgs = instrumentationArgs;
data.instrumentationWatcher = instrumentationWatcher;
data.instrumentationUiAutomationConnection = instrumentationUiConnection;
data.debugMode = debugMode;
data.enableOpenGlTrace = enableOpenGlTrace;
data.restrictedBackupMode = isRestrictedBackupMode;
data.persistent = persistent;
data.config = config;
data.compatInfo = compatInfo;
data.initProfilerInfo = profilerInfo;
data.services = services;
data.coreSettings = coreSettings;
sendMessage(H.BIND_APPLICATION, data);
}
private void sendMessage(int what, Object obj) {
mH.sendMessage(mH.obtainMessage(what, obj));
}
private class H extends Handler {
public static final int BIND_APPLICATION = 110;
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
switch (msg.what) {
case BIND_APPLICATION:
AppBindData data = (AppBindData) msg.obj;
handleBindApplication(data);
break;
// 其他消息处理
}
}
private void handleBindApplication(AppBindData data) {
// 创建Application对象
Application app = data.info.makeApplication(data.restrictedBackupMode, null);
mInitialApplication = app;
// 调用Application的onCreate方法
app.onCreate();
}
}
}在上述代码中，bindApplication方法将接收到的参数封装成AppBindData对象，并通过sendMessage方法将消息发送到主线程的消息队列中。H类是ApplicationThread的内部类，继承自Handler，用于处理主线程消息队列中的消息。当H接收到BIND_APPLICATION消息时，会调用handleBindApplication方法，在该方法中创建应用的Application对象，并调用其onCreate方法，完成应用的初始化工作。通过这一系列的操作，应用进程与 AMS 成功绑定，应用也完成了初始化，为后续的运行做好了准备。
五、代码实战：深入分析启动过程代码
5.1 ActivityManagerService 的 startProcessLocked 方法
ActivityManagerService的startProcessLocked方法是启动新进程的关键方法之一，其代码如下：
java
public class ActivityManagerService {
final ProcessList mProcessList;
final ProcessRecord startProcessLocked(String processName,
ApplicationInfo info,
boolean knownToBeDead,
int intentFlags,
HostingRecord hostingRecord,
int zygotePolicyFlags,
boolean allowWhileBooting,
boolean isolated) {
// 如果进程被称为top app，请设置一个提示，以便在进程启动时，可以立即应用最高优先级，以避免在附加top app的进程之前，cpu被其他进程抢占。
return mProcessList.startProcessLocked(processName, info, knownToBeDead, intentFlags,
hostingRecord, zygotePolicyFlags, allowWhileBooting, isolated, 0/* isolatedUid */,
false/* isSdkSandbox */, 0/* sdkSandboxClientAppUid */,
null/* sdkSandboxClientAppPackage */,
null/* ABI override */, null/* entryPoint */,
null/* entryPointArgs */, null/* crashHandler */);
}
}在这段代码中，startProcessLocked方法接收多个参数，每个参数都有着重要的作用。processName参数指定了要启动的进程名称，它是进程的唯一标识，就像是每个人的身份证号码一样，系统通过这个名称来区分不同的进程。info参数是ApplicationInfo类型，包含了应用程序的各种信息，如应用的包名、版本号、权限等，这些信息对于系统了解应用的基本情况和进行权限控制非常重要。knownToBeDead参数表示是否已知该进程已经死亡，intentFlags参数包含了启动意图的标志，用于传递一些额外的信息，如启动模式、是否从后台启动等。hostingRecord参数是宿主记录，用于记录进程所属的宿主信息，zygotePolicyFlags参数表示 Zygote 策略标志，用于控制 Zygote 创建进程的一些策略。allowWhileBooting参数表示是否允许在系统启动时启动进程，isolated参数表示是否为隔离进程。
在实际场景中，当我们在手机上点击一个应用图标启动应用时，如果该应用进程尚未运行，AMS 就会调用startProcessLocked方法来启动新进程。AMS 会根据应用的包名查找对应的ApplicationInfo，然后将相关参数传递给startProcessLocked方法。该方法会首先检查系统中是否已经存在该进程，如果不存在，则会进一步调用ProcessList的startProcessLocked方法来创建新进程。在创建新进程时，会根据传入的参数进行一系列的初始化操作，如设置进程的用户 ID、组 ID、运行时标志等，以确保新进程能够在正确的环境中启动。
5.2 Process 类的 start 和 startViaZygote 方法
Process类提供了启动进程的重要方法，其中start方法和startViaZygote方法在进程启动过程中起着关键作用。start方法的代码如下：
java
public class Process {
public static Process start(String processClass,
String[] niceName,
String[] argv,
String[] envp,
File dir,
boolean redirectErrorStream) throws IOException {
return start(processClass, niceName, argv, envp, dir, redirectErrorStream, null, null);
}
private static Process start(String processClass,
String[] niceName,
String[] argv,
String[] envp,
File dir,
boolean redirectErrorStream,
ProcessBuilder.Redirect input,
ProcessBuilder.Redirect output) throws IOException {
// 这里会调用底层的fork系统调用，创建一个新的进程
// 并传入相关的参数，如进程类名、参数、环境变量等
// 具体的实现涉及到JNI调用，这里省略详细的底层代码
}
}start方法接收多个参数，processClass参数指定了要启动的进程的类名，它是进程的入口类，就像是一栋大楼的大门，所有的流程都从这里开始。niceName参数用于设置进程的友好名称，argv参数是命令行参数，用于向进程传递一些初始化信息，envp参数是环境变量数组，用于设置进程的运行环境。dir参数指定了进程的工作目录，redirectErrorStream参数表示是否将标准错误流重定向到标准输出流。
start方法内部会调用startViaZygote方法来与 Zygote 通信创建进程，startViaZygote方法的代码如下：
java
private static Process startViaZygote(final String processClass,
final String[] niceName,
final String[] argv,
final String[] envp,
final File dir,
final boolean redirectErrorStream,
final ProcessBuilder.Redirect input,
final ProcessBuilder.Redirect output,
final String invokeWith) throws IOException {
ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<>();
argsForZygote.add("--runtime-args");
argsForZygote.add("--setuid=" + Process.myUid());
argsForZygote.add("--setgid=" + Process.myGid());
// 添加其他参数
if (niceName != null) {
argsForZygote.add("--nice-name=" + niceName[0]);
}
argsForZygote.add(processClass);
if (argv != null) {
for (String arg : argv) {
argsForZygote.add(arg);
}
}
return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(), argsForZygote);
}在startViaZygote方法中，首先会构建一个参数列表argsForZygote，这个列表包含了启动进程所需的各种参数。会添加一些运行时参数，如--runtime-args，以及设置进程的用户 ID 和组 ID 的参数。然后，将进程类名和其他命令行参数添加到列表中。最后，通过zygoteSendArgsAndGetResult方法将参数发送给 Zygote 进程，并获取创建进程的结果。openZygoteSocketIfNeeded方法用于打开与 Zygote 进程通信的 Socket 连接，就像是搭建了一座与 Zygote 进程沟通的桥梁。通过这些方法的协同工作，实现了与 Zygote 进程的通信，并成功创建了新的应用进程。
5.3 ActivityThread 的 main 方法
ActivityThread的main方法是应用进程的入口点，其代码如下：
java
public final class ActivityThread {
public static void main(String[] args) {
// 为当前线程创建Looper
Looper.prepareMainLooper();
ActivityThread thread = new ActivityThread();
// 调用attach方法，与AMS建立连接
thread.attach(false);
if (sMainThreadHandler == null) {
sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}
// 开启消息循环
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
}在main方法中，首先调用Looper.prepareMainLooper()方法为当前线程（主线程）创建一个 Looper 对象。Looper 是 Android 消息机制的核心组件之一，它就像是一个勤劳的 "小蜜蜂"，负责管理消息队列，不断从队列中取出消息并分发给相应的 Handler 处理。通过创建 Looper，为主线程建立了消息循环的基础。
接着，创建ActivityThread实例，并调用attach方法与 AMS 建立连接。attach方法主要用于将应用进程与 AMS 建立联系，告知 AMS 应用进程已经启动成功。在attach方法中，会通过 Binder 机制向 AMS 发送消息，同时还会进行一些其他的初始化操作，如创建应用的上下文环境等。
然后，获取主线程的 Handler，并将其保存到sMainThreadHandler变量中。Handler 是与 Looper 配合使用的组件，用于发送和处理消息。通过获取 Handler，后续可以通过它向主线程的消息队列发送消息，实现各种操作的异步执行。
最后，调用Looper.loop()方法启动 Looper 的消息循环。一旦消息循环启动，主线程就会不断从消息队列中取出消息，并根据消息的类型分发给相应的 Handler 进行处理。这样，应用就能响应各种事件，如用户的点击、系统的广播等，确保应用的正常运行。如果消息循环意外退出，会抛出RuntimeException异常，提示主线程循环意外退出。ActivityThread的main方法通过一系列的操作，完成了应用进程的初始化和消息循环的启动，为应用的正常运行奠定了基础。
六、总结与拓展
6.1 总结启动过程
Android 应用程序进程启动是一个涉及多个系统组件和复杂交互的过程。从用户点击应用图标发起启动请求开始，Launcher 通过 Binder 机制将请求传递给 ActivityManagerService（AMS）。AMS 接收到请求后，首先检查目标应用进程是否已存在，若不存在，则向 Zygote 进程发送创建请求。Zygote 进程作为 Android 进程的 "孵化器"，通过fork系统调用复制自身，创建出新的应用进程。新进程启动后，会调用 ActivityThread 类的main方法进行初始化，创建 Looper 并启动消息循环，同时通过attach方法与 AMS 建立连接。随后，应用进程与 AMS 完成绑定，创建应用的Application对象并调用其onCreate方法，完成应用的初始化工作，最终呈现出应用界面。
在这个过程中，Zygote 进程的预加载机制极大地提高了应用进程的启动速度，它提前加载了大量的类和资源，使得新创建的应用进程能够快速继承这些资源，减少了重复加载的时间。AMS 则在整个启动过程中扮演着管理者的角色，负责协调各个组件之间的交互，确保应用进程能够在正确的时机启动，并合理分配系统资源。ActivityThread 类作为应用进程的核心，负责处理应用的消息循环和组件生命周期的管理，保证了应用的正常运行和对用户操作的及时响应。
6.2 拓展思考
了解 Android 应用程序进程启动过程后，我们可以进一步思考一些拓展问题，以加深对 Android 系统和应用开发的理解。
进程启动优化是一个重要的研究方向。在实际应用中，如何进一步缩短应用的启动时间是开发者关注的重点。我们可以从减少不必要的初始化操作、优化资源加载顺序、采用异步加载等方面入手。在Application的onCreate方法中，尽量避免执行耗时的操作，将一些非关键的初始化任务放到子线程中执行；对于一些大型资源文件，如图片、数据库等，可以采用懒加载的方式，在需要时再进行加载，从而提高应用的启动速度。此外，还可以利用 Android 系统提供的一些优化工具和技术，如 ProGuard 代码混淆、MultiDex 分包等，来减少应用的体积和启动时的类加载时间。
进程间通信也是一个值得深入研究的领域。在多进程应用中，不同进程之间需要进行数据交换和方法调用，以实现功能的协同。Android 提供了多种进程间通信方式，如 Binder、Messenger、ContentProvider、Socket 等，每种方式都有其适用场景和优缺点。在选择进程间通信方式时，需要根据具体的业务需求和性能要求进行权衡。在需要进行高频次、大量数据传输的场景下，Binder 可能是一个较好的选择，因为它具有高效、稳定的特点；而在对数据安全性要求不高，只需要进行简单数据交换的场景下，文件共享或 Intent 传递 Bundle 的方式可能更为合适。
深入研究 Android 应用程序进程启动过程及其拓展问题，不仅有助于我们开发出性能更优、体验更好的应用程序，还能让我们更好地理解 Android 系统的底层机制，为解决各种复杂的开发问题提供有力的支持。