【底层机制】【Android】详解 Zygote

一、 Zygote 的设计初衷与核心价值

在理解Zygote如何工作之前，首先要明白它为什么存在。

1. 要解决的问题： 想象一下，如果没有Zygote，系统每次启动一个新的App进程都需要：

单独启动一个JVM
重新加载一遍Android Framework的所有类（如Activity, View, Context等，数千个类）
重新加载系统资源（如系统主题、字符串等）

这会导致：应用启动极慢 、内存消耗巨大（每个进程都有一份相同的类和资源的副本）。

2. Zygote的解决方案： Zygote采用了经典的 "预加载 + 进程孵化 (fork)" 模式，其核心思想是 "空间换时间" 和 "共享内存"。

预加载：在系统启动初期，由Zygote进程一次性完成所有App公共需要的类和资源的加载工作。
进程孵化 ：当需要启动新App时，Zygote通过fork()系统调用分裂自身，创建出一个子进程。这个子进程天然继承了父进程（Zygote）已经加载的所有内存状态。

二、 Zygote 的启动与初始化过程

Zygote的启动是一条明确的链条：

Init进程 -> 解析init.rc -> 启动app_process -> 执行ZygoteInit.java

详细步骤：

由Init进程启动 ：在init.zygote32.rc或类似的配置文件中，有类似以下的定义：
bash 复制代码
```
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    socket zygote stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
```
- service zygote：定义了一个名为"zygote"的服务。
- /system/bin/app_process：这是Zygote的真正可执行文件，它不是一个普通的JAR，而是一个可以启动Android运行时环境的原生程序。
- --zygote --start-system-server：参数，告诉app_process以Zygote模式启动，并孵化System Server。
创建虚拟机并预加载：
- app_process执行后，会创建第一个Android Runtime (ART) 实例。
- 随后进入Java世界，执行ZygoteInit.java的main()方法。
- 在main()方法中，Zygote会进行一项繁重但关键的工作：预加载 。
  - 预加载类 ：调用preloadClasses()。它会读取/system/etc/preloaded-classes文件（一个包含数千个常用类的列表），然后使用Class.forName()逐个加载。这包括了所有的Android Framework类。
  - 预加载资源 ：调用preloadResources()。这会加载系统的通用资源，如framework-res.apk中的drawables、xml配置等。
  - 预加载共享库 ：加载一些必要的JNI库，如libandroid.so等。
启动System Server：
- 预加载完成后，Zygote会fork()出第一个也是最重要的子进程------System Server。
- System Server承载了Android中所有关键的系统服务（如AMS, WMS, PMS等）。
进入循环，监听Socket：
- 孵化完System Server后，Zygote父进程会关闭不必要的Socket副本。
- 然后调用runSelectLoop()方法，进入一个无限循环，监听在/dev/socket/zygote上的Socket连接，等待ActivityManagerService发来的启动新应用的请求。

三、 Zygote 孵化新应用进程的详细原理

这是Zygote最精妙的部分。当用户点击App图标时：

AMS发送请求：
- ActivityManagerService决定要启动一个应用，但它自己没有权限创建新进程。
- AMS通过Process.start()方法，向Zygote的Socket发送一个启动新进程的请求消息。这个消息包含了新进程的必要参数：如uid, gid, 主类名（通常是android.app.ActivityThread），参数等。
Zygote处理请求：
- 在runSelectLoop()中监听到Socket连接的Zygote进程，会fork()自身，创建一个子进程。
- 关键点 ：这个子进程是Zygote的完整副本，它继承了：
  - 已经初始化的ART虚拟机。
  - 所有预加载的Java类。
  - 所有预加载的资源和共享库。
  - 系统的LD_LIBRARY_PATH等环境。
子进程的"特化"：
- 子进程虽然继承了一切，但它需要成为一个独立的App进程，而不是另一个Zygote。
- 在fork()之后，子进程会：
  - 关闭从Zygote继承来的、不需要的Socket连接。
  - 设置进程名 （从"zygote"变为包名，如com.example.app）。
  - 设置UID/GID，进行应用沙盒隔离。
  - 最后，调用ZygoteInit.zygoteInit() -> RuntimeInit.applicationInit() -> 找到AMS传过来的mainClass（即ActivityThread），并执行其main()方法。
- ActivityThread.main()被调用，这意味着App进程的主线程（UI线程）正式开始运行，它会创建Application对象，然后启动主Activity。

四、 Zygote 的核心机制：写时复制

这是Zygote能够节省内存的基石。

原理：当Zygote通过fork()创建子进程时，内核并不会立即复制父进程的内存空间给子进程。相反，它让父进程和子进程共享同一份物理内存页 ，并将这些内存页标记为只读。
写入时复制 ：当父进程或子进程试图修改 某一内存页时，内核会捕获这个"写操作"异常，然后仅为试图修改的进程复制一份该内存页的副本，让其在这个副本上进行修改。而其他仍然只读的内存页则继续保持共享。

带来的巨大优势：

内存效率 ：100个App可能共享了90%的Framework代码和资源。如果没有COW，内存占用将是 100 * Zygote内存。有了COW，内存占用接近于 Zygote内存 + 100 * (每个App私有内存)。
启动速度 ：因为不需要重新加载类和资源，fork()一个进程并"特化"它，比从头启动一个JVM并加载所有东西要快得多。

五、 Zygote 的变种与演进

WebView Zygote：
- 为了让WebView也享受预加载的好处，并实现与App主进程的隔离，Android引入了独立的webview_zygote。它预加载了WebView相关的代码，专门用于孵化渲染Web内容的进程。
应用Zygote：
- 从Android 10开始，引入了"应用Zygote"。它允许某个应用在系统启动时提前初始化一个自己的Zygote进程，这样当需要启动该应用的某个组件时，可以快速从它的应用Zygote中fork，进一步加快启动速度。

"Zygote的设计是Android系统架构中的一个经典权衡。它通过一个复杂的启动时预加载过程，换取了所有应用运行时极致的启动速度和内存效率。这种设计完美地契合了移动设备资源有限、但要求响应迅速的特点。

理解Zygote，对于我们做应用启动优化也有指导意义。比如，我们知道Zygote已经预加载了Framework类，所以应用自己的Application和首个Activity的初始化就应该尽量轻量，避免在主线程做繁重操作，这样才能最大化利用Zygote带来的启动优势。"