Android开机启动的那些事

以前知道AMS、PMS这些概念及其功能，开发的过程中也会用到，就是不知道其来源，好奇心害死猫，扒着扒着扒到系统开机启动这个知识层面上来了，好吧，那今天就说说这个吧！

系统开机启动过程

Android系统的启动，主要是指Android手机关机后，长按电源键后，Android手机开机的过程。从系统角度看，Android的启动程序可分为：

bootloader引导
装载与启动Linux内核
启动Android系统

其中启动Android系统过程又有以下过程：

启动Init进程
启动Zygote
启动SystemServer
启动Launcher

android启动过程图示：
Android系统启动过程

zygote

我们知道，Android系统是基于Linux内的。而在Linux系统中，所有的进程都是init进程的子孙进程，也就是说，所有的进程都是直接或者间接地由init进程fork出来的。

系统启动的时候执行系统启动脚本system/core/rootdir/init.rc文件，进而触发app_process程序（system/bin/app_process，它的源代码位于frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中，入口函数是main）创建Zygote进程，Zygote进程负责后续Android应用程序框架层的其它进程的创建和启动工作。

Zygote进程最大意义是作为一个Socket的Server端，接收着四面八方的进程创建请求。Android中所有的应用进程的创建都是通过Binder机制请求SystemServer进程，SystemServer进程发送socket消息给Zygote进程，统一由Zygote进程创建出来的。
Zygote启动时序图

SystemServer

SystemServer也是一个进程，而且是由zygote进程fork出来的。SystemServer主要用于开启系统重要的一些相关服务，例如：ActivityManagerService（AMS）、PackageManagerService（PMS）、WindowManagerService（WMS）等等，是不是都很熟悉呢？所以SystemServer和Zygote重要级别可以说是平分秋色了。

什么时候开启SystemServer

在zygote开启的时候，会调用ZygoteInit.main()进行初始化：

public static void main(String argv[]) {
    
     ...ignore some code...
    
    //在加载首个zygote的时候，会传入初始化参数，一旦捕获到参数是“start-system-server”，即可开启fork SystemServer指令
     boolean startSystemServer = false;
     for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
                if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
                    startSystemServer = true;
                } else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
                    abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
                } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
                    socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
                } else {
                    throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
                }
            }
            
            ...ignore some code...
            
         //开始fork我们的SystemServer进程
     if (startSystemServer) {
                startSystemServer(abiList, socketName);
         }

     ...ignore some code...

}

接下来看一下startSystemServer具体做了什么

/**
 * Prepare the arguments and fork for the system server process.
 */
private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
        throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
    
     ...ignore some code...
    
    //上面ZygoteInit.main(String argv[])里面的argv就是通过这种方式传递进来的
    /* Hardcoded command line to start the system server */
    String args[] = {
        "--setuid=1000",
        "--setgid=1000",
        "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1032,3001,3002,3003,3006,3007",
        "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
        "--runtime-init",
        "--nice-name=system_server",
        "com.android.server.SystemServer",
    };

    int pid;
    try {
        parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
        ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
        ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

        //fork SystemServer
        /* Request to fork the system server process */
        pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags,
                null,
                parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    }

    /* For child process */
    if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }

        handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }

    return true;
}

这个方法主要是为了开启SystemServer，这里做了三件事：

准备fork SystemServer相关参数，例如SystemServer进程的进程Id和组Id均为为1000，进程名称为system_server等。
fork SystemServer，如果返回pid为0则创建成功，否者返回-1或者错误；
调用handleSystemServerProcess()完成SystemServer进程的初始化工作；

SystemServer进程初始化

上边也说了SystemServer主要用于开启系统重要的一些相关服务，例如：ActivityManagerService（AMS）、PackageManagerService（PMS）、WindowManagerService（WMS）等等，我们看一下代码具体的内部走法：

public final class SystemServer {

    //zygote的主入口
    public static void main(String[] args) {
        new SystemServer().run();
    }

    public SystemServer() {
        // Check for factory test mode.
        mFactoryTestMode = FactoryTest.getMode();
    }
    
    private void run() {
        
        ...ignore some code...
        
        //创建主线程looper 在当前线程运行
        android.os.Process.setThreadPriority(android.os.Process.THREAD_PRIORITY_FOREGROUND);
        android.os.Process.setCanSelfBackground(false);
        Looper.prepareMainLooper();
        
        //加载本地系统服务库，并进行初始化 
        System.loadLibrary("android_servers");
        nativeInit();
        
        // 创建系统上下文
        createSystemContext();
        
        //初始化SystemServiceManager对象，下面的系统服务开启都需要调用SystemServiceManager.startService(Class<T>)，这个方法通过反射来启动对应的服务
        mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
        
        //开启服务
        try {
            startBootstrapServices();
            startCoreServices();
            startOtherServices();
        } catch (Throwable ex) {
            Slog.e("System", "******************************************");
            Slog.e("System", "************ Failure starting system services", ex);
            throw ex;
        }
       
        ...ignore some code...
    
    }

    //初始化系统上下文对象mSystemContext，并设置默认的主题,mSystemContext实际上是一个ContextImpl对象。调用ActivityThread.systemMain()的时候，会调用ActivityThread.attach(true)，而在attach()里面，则创建了Application对象，并调用了Application.onCreate()。
    private void createSystemContext() {
        ActivityThread activityThread = ActivityThread.systemMain();
        mSystemContext = activityThread.getSystemContext();
        mSystemContext.setTheme(android.R.style.Theme_DeviceDefault_Light_DarkActionBar);
    }

    //在这里开启了几个核心的服务，因为这些服务之间相互依赖，所以都放在了这个方法里面。
    private void startBootstrapServices() {
        
        ...ignore some code...
        
        //初始化ActivityManagerService
        mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(
                ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();
        mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
        
        //初始化PowerManagerService，因为其他服务需要依赖这个Service，因此需要尽快的初始化
        mPowerManagerService = mSystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class);

        // 现在电源管理已经开启，ActivityManagerService负责电源管理功能
        mActivityManagerService.initPowerManagement();

        // 初始化DisplayManagerService
        mDisplayManagerService = mSystemServiceManager.startService(DisplayManagerService.class);
    
    //初始化PackageManagerService
    mPackageManagerService = PackageManagerService.main(mSystemContext, mInstaller,
       mFactoryTestMode != FactoryTest.FACTORY_TEST_OFF, mOnlyCore);
       
    //开启消息循环
    Looper.loop();
    
    ...ignore some code...
    
    }
}

SystemServer初始化过程中主要做了以下几个重大工作：

加载本地系统服务库，系统底层初始化。
创建消息循环体Looper，这个就是为什么我们在主线程里面不用写Looper，就可以处理UI视图，原来系统已经为我们做了这件事。
创建系统级上下文，在这个过程中创建我们的主线程ActivityThread，获取系统上下文对象mSystemContext，并设置系统默认主题。
创建SystemServiceManager对象，开启系统服务三连——引导服务、核心服务以及其他服务。

系统级上下文和我们常用的Context是有区别的，主要是用于服务端（系统级主题和其他服务相关的引导），Context到底是个什么玩意？我在前边的一篇文章中也有总结，这里在阐述一遍，Context英文原意是上下文的意思，在平时开发中涉及到的四大组件及资源操作基本上都离不开Context对象。

服务三连开发者我们最关心的就是引导服务，因为这里面开启的都是我们在日常开发中最容易用到的几个服务：

ActivityManagerService AMS在Android系统中扮演很重要的角色，主要负责系统中四大组件的启动、切换、调度及应用进程的管理和调度等工作，其职责与操作系统中的进程管理和调度模块相类似。
PowerManagerService PowerManagerService主要服务Android系统电源管理工作，这样讲比较笼统，就具体细节上大致可以认为PowerManagerService集中处理用户活动（如点击屏幕，按电源键等）、电量变化、用户设置（如在Setting中设置省电模式，飞行模式）、插拔充电器（无线冲，有线冲）等。当发生以上事件时，PowerManagerService都要进行各种状态的更新。
DisplayManagerService DisplayManagerService用来管理显示的生命周期，它决定如何根据当前连接的物理显示设备控制其逻辑显示，并且在状态更改时，向系统和应用程序发送通知等等。
PackageManagerService PackageManagerService（简称PMS），是Android系统中核心服务之一，管理着所有跟package相关的工作，常见的比如安装、卸载应用。
UserManagerService UserManagerService的主要功能是创建和删除用户，以及查询用户信息。Android可以支持多个用户使用系统，通常第一个在系统中注册的用户将默认成为系统管理员。不同用户的设置各不相同，并且不同用户安装的应用及应用数据也不相同。

Launcher

Launcher即桌面，是Android智能设备的窗口，用户使用最频繁的软件之一。Launhcer是Android所有应用的入口，也提供窗口小部件等功能。

Launcher本身就是一个APP，一个提供桌面的APP，Laucher有很多和普通APP不同的地方：

Launcher是顶部APP，即任何应用返回后都是到Launcher，不能再继续返回；
Launcher是所有应用的入口，可以管理应用；
Launcher是Android系统启动后就要显示给用户的应用。

Launcher是由ActivityManagerService启动的，在SystemServer.java的startOtherServices()方法里面的调用 mActivityManagerService.systemReady()进行Launcher的启动之旅，在systemReady方法执行过程中调了用startHomeActivityLocked方法，方法内部通过getHomeIntent拿到Launcher对应的Intent，最后调用startHomeActivity来启动Launcher。

    boolean startHomeActivityLocked(int userId, String reason) {
        if (mFactoryTest == FactoryTest.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL
                && mTopAction == null) {
            // We are running in factory test mode, but unable to find
            // the factory test app, so just sit around displaying the
            // error message and don't try to start anything.
            return false;
        }
        Intent intent = getHomeIntent();
        ActivityInfo aInfo =
            resolveActivityInfo(intent, STOCK_PM_FLAGS, userId);
        if (aInfo != null) {
            intent.setComponent(new ComponentName(
                    aInfo.applicationInfo.packageName, aInfo.name));
            // Don't do this if the home app is currently being
            // instrumented.
            aInfo = new ActivityInfo(aInfo);
            aInfo.applicationInfo = getAppInfoForUser(aInfo.applicationInfo, userId);
            ProcessRecord app = getProcessRecordLocked(aInfo.processName,
                    aInfo.applicationInfo.uid, true);
            if (app == null || app.instrumentationClass == null) {
                intent.setFlags(intent.getFlags() | Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK);
                mStackSupervisor.startHomeActivity(intent, aInfo, reason);
            }
        }

        return true;
    }

ActivityManagerService和PackageManagerService一样，都是在开机时由SystemServer组件启动，Launcher在启动的时候会通过PackageManagerServic把系统中已经安装好的应用程序以快捷图标的形式展示在桌面上，这样用户就可以使用这些应用程序了。另外程序安装的时候SystemServer组件会通过PackageManagerServic来安装应用程序，应用程序安装好了以后会以通知的形式通知launcher展示应用图标，卸载同理。

总结

本篇简单分析了一下系统从开机启动到桌面展示这个过程，这里简单总结一下：

系统启动时init进程会创建Zygote进程，Zygote进程负责后续Android应用程序框架层的其它进程的创建和启动工作。
Zygote进程会首先创建一个SystemServer进程，SystemServer进程负责启动系统的关键服务（服务三连），例如ActivityThread、AMS、PMS等。
Android中所有的应用进程的创建都是通过Binder机制请求SystemServer进程，SystemServer进程发送socket消息给Zygote进程，统一由Zygote进程创建出来的。
AMS启动Launcher程序，Launcher展示系统相关应用快捷方式。

开机启动我们重在了解过程，明确知道系统几个重要的服务，了解过程中虽然很枯燥但是对开发很有帮助，例如以后的插件化学习，下篇我会着重分析一下Launcher的构造以及Activity的启动过程，加油，期待。

参考：

https://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/6768304
https://www.jianshu.com/p/327f583f970b
https://www.jianshu.com/p/6037f6fda285

Toper-C

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