Android系统启动-zygote篇

copy from : http://gityuan.com/2016/02/13/android-zygote/

基于Android 6.0的源码剖析， 分析Android启动过程的Zygote进程

/frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp
/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/
  - ZygoteInit.java
  - Zygote.java
  - ZygoteConnection.java
  
/frameworks/base/core/java/android/net/LocalServerSocket.java
/system/core/libutils/Threads.cpp

一. 概述

Zygote是由init进程通过解析init.zygote.rc文件而创建的，zygote所对应的可执行程序app_process，所对应的源文件是App_main.cpp，进程名为zygote。

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 onrestart restart media onrestart restart netd 

Zygote进程能够重启的地方:

• servicemanager进程被杀; (onresart)
• surfaceflinger进程被杀; (onresart)
• Zygote进程自己被杀; (oneshot=false)
• system_server进程被杀; (waitpid)

从App_main()开始，Zygote启动过程的函数调用类大致流程如下：

二、Zygote启动过程

2.1 App_main.main

[-> App_main.cpp]

int main(int argc, char* const argv[]) { //传到的参数argv为“-Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server” AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv)); argc--; argv++; //忽略第一个参数 int i; for (i = 0; i < argc; i++) { if (argv[i][0] != '-') { break; } if (argv[i][1] == '-' && argv[i][2] == 0) { ++i; break; } runtime.addOption(strdup(argv[i])); } //参数解析 bool zygote = false; bool startSystemServer = false; bool application = false; String8 niceName; String8 className; ++i; while (i < argc) { const char* arg = argv[i++]; if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) { zygote = true; //对于64位系统nice_name为zygote64; 32位系统为zygote niceName = ZYGOTE_NICE_NAME; } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) { startSystemServer = true; } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) { application = true; } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) { niceName.setTo(arg + 12); } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) { className.setTo(arg); break; } else { --i; break; } } Vector<String8> args; if (!className.isEmpty()) { // 运行application或tool程序 args.add(application ? String8("application") : String8("tool")); runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i); } else { //进入zygote模式，创建 /data/dalvik-cache路径 maybeCreateDalvikCache(); if (startSystemServer) { args.add(String8("start-system-server")); } char prop[PROP_VALUE_MAX]; if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) { return 11; } String8 abiFlag("--abi-list="); abiFlag.append(prop); args.add(abiFlag); for (; i < argc; ++i) { args.add(String8(argv[i])); } } //设置进程名 if (!niceName.isEmpty()) { runtime.setArgv0(niceName.string()); set_process_name(niceName.string()); } if (zygote) { // 启动AppRuntime 【见小节2.2】 runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote); } else if (className) { runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote); } else { //没有指定类名或zygote，参数错误 return 10; } } 

2.2 start

[-> AndroidRuntime.cpp]

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    static const String8 startSystemServer("start-system-server"); for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) { if (options[i] == startSystemServer) { const int LOG_BOOT_PROGRESS_START = 3000; } } const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT"); if (rootDir == NULL) { rootDir = "/system"; if (!hasDir("/system")) { return; } setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1); } JniInvocation jni_invocation; jni_invocation.Init(NULL); JNIEnv* env; // 虚拟机创建【见小节2.3】 if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) { return; } onVmCreated(env); // JNI方法注册【见小节2.4】 if (startReg(env) < 0) { return; } jclass stringClass; jobjectArray strArray; jstring classNameStr; //等价 strArray= new String[options.size() + 1]; stringClass = env->FindClass("java/lang/String"); strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL); //等价 strArray[0] = "com.android.internal.os.ZygoteInit" classNameStr = env->NewStringUTF(className); env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr); //等价 strArray[1] = "start-system-server"； // strArray[2] = "--abi-list=xxx"； //其中xxx为系统响应的cpu架构类型，比如arm64-v8a. for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) { jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string()); env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr); } //将"com.android.internal.os.ZygoteInit"转换为"com/android/internal/os/ZygoteInit" char* slashClassName = toSlashClassName(className); jclass startClass = env->FindClass(slashClassName); if (startClass == NULL) { ... } else { jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V"); // 调用ZygoteInit.main()方法【见小节3.1】 env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray); } //释放相应对象的内存空间 free(slashClassName); mJavaVM->DetachCurrentThread(); mJavaVM->DestroyJavaVM(); } 

2.3 startVm

[–> AndroidRuntime.cpp]

创建Java虚拟机方法的主要篇幅是关于虚拟机参数的设置，下面只列举部分在调试优化过程中常用参数。

int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
    // JNI检测功能，用于native层调用jni函数时进行常规检测，比较弱字符串格式是否符合要求，资源是否正确释放。该功能一般用于早期系统调试或手机Eng版，对于User版往往不会开启，引用该功能比较消耗系统CPU资源，降低系统性能。
    bool checkJni = false; property_get("dalvik.vm.checkjni", propBuf, ""); if (strcmp(propBuf, "true") == 0) { checkJni = true; } else if (strcmp(propBuf, "false") != 0) { property_get("ro.kernel.android.checkjni", propBuf, ""); if (propBuf[0] == '1') { checkJni = true; } } if (checkJni) { addOption("-Xcheck:jni"); } //虚拟机产生的trace文件，主要用于分析系统问题，路径默认为/data/anr/traces.txt parseRuntimeOption("dalvik.vm.stack-trace-file", stackTraceFileBuf, "-Xstacktracefile:"); //对于不同的软硬件环境，这些参数往往需要调整、优化，从而使系统达到最佳性能 parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapstartsize", heapstartsizeOptsBuf, "-Xms", "4m"); parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapsize", heapsizeOptsBuf, "-Xmx", "16m"); parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapgrowthlimit", heapgrowthlimitOptsBuf, "-XX:HeapGrowthLimit="); parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapminfree", heapminfreeOptsBuf, "-XX:HeapMinFree="); parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapmaxfree", heapmaxfreeOptsBuf, "-XX:HeapMaxFree="); parseRuntimeOption("dalvik.vm.heaptargetutilization", heaptargetutilizationOptsBuf, "-XX:HeapTargetUtilization="); ... //preloaded-classes文件内容是由WritePreloadedClassFile.java生成的， //在ZygoteInit类中会预加载工作将其中的classes提前加载到内存，以提高系统性能 if (!hasFile("/system/etc/preloaded-classes")) { return -1; } //初始化虚拟机 if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) { ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n"); return -1; } } 

2.4 startReg

[–> AndroidRuntime.cpp]

int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
    //设置线程创建方法为javaCreateThreadEtc 【见小节2.4.1】
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);

    env->PushLocalFrame(200);
    //进程NI方法的注册【见小节2.4.2】
    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) { env->PopLocalFrame(NULL); return -1; } env->PopLocalFrame(NULL); return 0; } 

2.4.1 androidSetCreateThreadFunc

[-> Threads.cpp]

void androidSetCreateThreadFunc(android_create_thread_fn func) {
    gCreateThreadFn = func;
}

虚拟机启动后startReg()过程，会设置线程创建函数指针gCreateThreadFn指向javaCreateThreadEtc.

2.4.2 register_jni_procs

static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env) { for (size_t i = 0; i < count; i++) { //【见小节2.4.3】 if (array[i].mProc(env) < 0) { return -1; } } return 0; } 

2.4.3 gRegJNI.mProc

static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
    REG_JNI(register_android_os_Binder)，
    ...
}；

array[i]是指gRegJNI数组, 该数组有100多个成员。其中每一项成员都是通过REG_JNI宏定义的：

#define REG_JNI(name) { name }
struct RegJNIRec {
    int (*mProc)(JNIEnv*);
};

可见，调用mProc，就等价于调用其参数名所指向的函数。 例如REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit).mProc也就是指进入register_com_android_internal_os_RuntimeInit方法，接下来就继续以此为例来说明：

int register_com_android_internal_os_RuntimeInit(JNIEnv* env) {
    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/RuntimeInit", gMethods, NELEM(gMethods)); } //gMethods：java层方法名与jni层的方法的一一映射关系 static JNINativeMethod gMethods[] = { { "nativeFinishInit", "()V", (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit }, { "nativeZygoteInit", "()V", (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit }, { "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V", (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup }, }; 

三. 进入Java层

前面[小节2.2]AndroidRuntime.start()执行到最后通过反射调用到ZygoteInit.main(),见下文:

3.1 ZygoteInit.main

[–>ZygoteInit.java]

public static void main(String argv[]) { try { RuntimeInit.enableDdms(); //开启DDMS功能 SamplingProfilerIntegration.start(); boolean startSystemServer = false; String socketName = "zygote"; String abiList = null; 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]); } } ... registerZygoteSocket(socketName); //为Zygote注册socket【见小节3.2】 preload(); // 预加载类和资源【见小节3.3】 SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot(); gcAndFinalize(); //GC操作 if (startSystemServer) { startSystemServer(abiList, socketName);//启动system_server【见小节3.4】 } runSelectLoop(abiList); //进入循环模式【见小节3.5】 closeServerSocket(); } catch (MethodAndArgsCaller caller) { caller.run(); //启动system_server中会讲到。 } catch (RuntimeException ex) { closeServerSocket(); throw ex; } } 

在异常捕获后调用的方法caller.run()，会在后续的system_server文章会讲到。

3.2 registerZygoteSocket

[–>ZygoteInit.java]

private static void registerZygoteSocket(String socketName) { if (sServerSocket == null) { int fileDesc; final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName; try { String env = System.getenv(fullSocketName); fileDesc = Integer.parseInt(env); } catch (RuntimeException ex) { ... } try { FileDescriptor fd = new FileDescriptor(); fd.setInt$(fileDesc); //设置文件描述符 sServerSocket = new LocalServerSocket(fd); //创建Socket的本地服务端 } catch (IOException ex) { ... } } } 

3.3 preload

[–>ZygoteInit.java]

static void preload() { //预加载位于/system/etc/preloaded-classes文件中的类 preloadClasses(); //预加载资源，包含drawable和color资源 preloadResources(); //预加载OpenGL preloadOpenGL(); //通过System.loadLibrary()方法， //预加载"android","compiler_rt","jnigraphics"这3个共享库 preloadSharedLibraries(); //预加载 文本连接符资源 preloadTextResources(); //仅用于zygote进程，用于内存共享的进程 WebViewFactory.prepareWebViewInZygote(); } 

执行Zygote进程的初始化,对于类加载，采用反射机制Class.forName()方法来加载。对于资源加载，主要是 com.android.internal.R.array.preloaded_drawables和com.android.internal.R.array.preloaded_color_state_lists，在应用程序中以com.android.internal.R.xxx开头的资源，便是此时由Zygote加载到内存的。

zygote进程内加载了preload()方法中的所有资源，当需要fork新进程时，采用copy on write技术，如下：

3.4 startSystemServer

[–>ZygoteInit.java]

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName) throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException { long capabilities = posixCapabilitiesAsBits( OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND, OsConstants.CAP_KILL, OsConstants.CAP_NET_ADMIN, OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE, OsConstants.CAP_NET_BROADCAST, OsConstants.CAP_NET_RAW, OsConstants.CAP_SYS_MODULE, OsConstants.CAP_SYS_NICE, OsConstants.CAP_SYS_RESOURCE, OsConstants.CAP_SYS_TIME, OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG ); //参数准备 String args[] = { "--setuid=1000", "--setgid=1000", "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007", "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities, "--nice-name=system_server", "--runtime-args", "com.android.server.SystemServer", }; ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null; int pid; try { //用于解析参数，生成目标格式 parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args); ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs); ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs); // fork子进程，用于运行system_server pid = Zygote.forkSystemServer( parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, null, parsedArgs.permittedCapabilities, parsedArgs.effectiveCapabilities); } catch (IllegalArgumentException ex) { throw new RuntimeException(ex); } //进入子进程system_server if (pid == 0) { if (hasSecondZygote(abiList)) { waitForSecondaryZygote(socketName); } // 完成system_server进程剩余的工作 handleSystemServerProcess(parsedArgs); } return true; } 

准备参数并fork新进程，从上面可以看出system server进程参数信息为uid=1000,gid=1000,进程名为sytem_server，从zygote进程fork新进程后，需要关闭zygote原有的socket。另外，对于有两个zygote进程情况，需等待第2个zygote创建完成。更多详情见Android系统启动-systemServer上篇。

3.5 runSelectLoop

[–>ZygoteInit.java]

private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller { ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>(); ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>(); //sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0] fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor()); peers.add(null); while (true) { StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()]; for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) { pollFds[i] = new StructPollfd(); pollFds[i].fd = fds.get(i); pollFds[i].events = (short) POLLIN; } try { //处理轮询状态，当pollFds有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里 Os.poll(pollFds, -1); } catch (ErrnoException ex) { ... } for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) { //采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行； // 否则进入continue，跳出本次循环。 if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) { continue; } if (i == 0) { //即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求； // 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。 ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList); peers.add(newPeer); fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds. } else { //i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作【见小节3.6】 boolean done = peers.get(i).runOnce(); if (done) { peers.remove(i); fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符 } } } } } 

Zygote采用高效的I/O多路复用机制，保证在没有客户端连接请求或数据处理时休眠，否则响应客户端的请求。

3.6 runOnce

[-> ZygoteConnection.java]

boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller { String args[]; Arguments parsedArgs = null; FileDescriptor[] descriptors; try { //读取socket客户端发送过来的参数列表 args = readArgumentList(); descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors(); } catch (IOException ex) { ... return true; } ... try { //将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式 parsedArgs = new Arguments(args); ... //【见小节7】 pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo, parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet, parsedArgs.appDataDir); } catch (Exception e) { ... } try { if (pid == 0) { //子进程执行 IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd); serverPipeFd = null; //进入子进程流程 handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr); return true; } else { //父进程执行 IoUtils.closeQuietly(childPipeFd); childPipeFd = null; return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs); } } finally { IoUtils.closeQuietly(childPipeFd); IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd); } } 

更多内容，见理解Android进程创建流程

四、总结

Zygote启动过程的调用流程图：

1. 解析init.zygote.rc中的参数，创建AppRuntime并调用AppRuntime.start()方法；
2. 调用AndroidRuntime的startVM()方法创建虚拟机，再调用startReg()注册JNI函数；
3. 通过JNI方式调用ZygoteInit.main()，第一次进入Java世界；
4. registerZygoteSocket()建立socket通道，zygote作为通信的服务端，用于响应客户端请求；
5. preload()预加载通用类、drawable和color资源、openGL以及共享库以及WebView，用于提高app启动效率；
6. zygote完毕大部分工作，接下来再通过startSystemServer()，fork得力帮手system_server进程，也是上层framework的运行载体。
7. zygote功成身退，调用runSelectLoop()，随时待命，当接收到请求创建新进程请求时立即唤醒并执行相应工作。

最后，介绍给通过cmd命令，来fork新进程来执行类中main方法的方式：(启动后进入RuntimeInit.main)