Android4.4的zygote进程（下）

2023-08-22 13:27:10

3.2.4启动Android系统服务——startSystemServer()

接下来就是启动Android的重头戏了，此时ZygoteInit的main()函数会调用startSystemServer()，该函数用于启动整个Android系统的系统服务。其大体做法是先fork一个子进程，然后在子进程中做一些初始化动作，继而执行SystemServer类的main()静态函数。需要注意的是，startSystemServer()并不是在函数体内直接调用Java类的main()函数的，而是通过抛异常的方式，在startSystemServer()之外加以处理的。

startSystemServer()的代码如下：

  1. private static boolean startSystemServer()
  2. throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException
  3. {
  4. . . . . . .
  5. /* Hardcoded command line to start the system server */
  6. String args[] = {
  7. "--setuid=1000",
  8. "--setgid=1000",
  9. "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,
  10. 3001,3002,3003,3006,3007",
  11. "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
  12. "--runtime-init",
  13. "--nice-name=system_server",
  14. "com.android.server.SystemServer",
  15. };
  16. ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
  17. int pid;
  18. try {
  19. parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
  20. ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
  21. ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);
  22. // fork出系统服务对应的进程
  23. pid = Zygote.forkSystemServer(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
  24. parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, null,
  25. parsedArgs.permittedCapabilities,
  26. parsedArgs.effectiveCapabilities);
  27. } catch (IllegalArgumentException ex) {
  28. throw new RuntimeException(ex);
  29. }
  30. // 对新fork出的系统进程，执行handleSystemServerProcess()
  31. if (pid == 0) {
  32. handleSystemServerProcess(parsedArgs);
  33. }
  34. return true;
  35. }
 
 args[]中的字符串  对应
 "--setuid=1000"  parsedArgs.uid
 "--setgid=1000"  parsedArgs.gid

"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,
1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007"

  parsedArgs.gids
 "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities  capabilitiesSpecified = true;
permittedCapabilities = Long.decode(capStrings[0]);
effectiveCapabilites = Long.decode(capString[1]);
 "--runtime-init"  parsedArgs.runtimeInit设为true
 "--nice-name=system_server"  parsedArgs.niceName
 "com.android.server.SystemServer"  parsedArgs.remainingArgs

3.2.4.1Zygote.forkSystemServer()

Zygote.forkSystemServer()的代码如下：
【libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/Zygote.java】

  1. public static int forkSystemServer(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags,
  2. int[][] rlimits, long permittedCapabilities, long effectiveCapabilities)
  3. {
  4. preFork();
  5. int pid = nativeForkSystemServer(uid, gid, gids, debugFlags, rlimits,
  6. permittedCapabilities, effectiveCapabilities);
  7. postFork();
  8. return pid;
  9. }
其中的nativeForkSystemServer()是个native成员函数，其对应的C++层函数为Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer()。

【dalvik/vm/native/dalvik_system_Zygote.cpp】

  1. const DalvikNativeMethod dvm_dalvik_system_Zygote[] = {
  2. { "nativeFork", "()I",
  3. Dalvik_dalvik_system_Zygote_fork },
  4. { "nativeForkAndSpecialize", "(II[II[[IILjava/lang/String;Ljava/lang/String;)I",
  5. Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkAndSpecialize },
  6. { "nativeForkSystemServer", "(II[II[[IJJ)I",
  7. Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer },
  8. { NULL, NULL, NULL },
  9. };
 
  1. static void Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer(
  2. const u4* args, JValue* pResult)
  3. {
  4. pid_t pid;
  5. pid = forkAndSpecializeCommon(args, true);
  6. if (pid > 0) {
  7. int status;
  8. ALOGI("System server process %d has been created", pid);
  9. gDvm.systemServerPid = pid;
  10. if (waitpid(pid, &status, WNOHANG) == pid) {
  11. ALOGE("System server process %d has died. Restarting Zygote!", pid);
  12. kill(getpid(), SIGKILL);
  13. }
  14. }
  15. RETURN_INT(pid);
  16. }
forkAndSpecializeCommon()内部其实会调用fork()，而后设置gid、uid等信息。

3.2.4.2SystemServer的handleSystemServerProgress()函数

接着，startSystemServer()会在新fork出的子进程中调用handleSystemServerProgress()，让这个新进程成为真正的系统进程（SystemServer进程）。

  1. // 对新fork出的系统进程，执行handleSystemServerProcess()
  2. if (pid == 0) {
  3. handleSystemServerProcess(parsedArgs);
  4. }
注意，调用handleSystemServerProcess()时，程序是运行在新fork出的进程中的。handleSystemServerProcess()的代码如下：

【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java】

  1. private static void handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
  2. throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller
  3. {
  4. closeServerSocket();
  5. Libcore.os.umask(S_IRWXG | S_IRWXO);
  6. if (parsedArgs.niceName != null) {
  7. Process.setArgV0(parsedArgs.niceName);  // niceName就是”system_server”
  8. }
  9. if (parsedArgs.invokeWith != null) {
  10. WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
  11. parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
  12. null, parsedArgs.remainingArgs);
  13. } else {
  14. // 此时的remainingArgs就是”com.android.server.SystemServer”
  15. RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs);
  16. }
  17. }
 
3.2.4.2.1closeServerSocket()

因为当前已经不是运行在zygote进程里了，所以zygote里的那个监听socket就应该关闭了。这就是closeServerSocket()的意义，其代码如下：

  1. static void closeServerSocket()
  2. {
  3. try {
  4. if (sServerSocket != null) {
  5. FileDescriptor fd = sServerSocket.getFileDescriptor();
  6. sServerSocket.close();
  7. if (fd != null) {
  8. Libcore.os.close(fd);
  9. }
  10. }
  11. } catch (IOException ex) {
  12. Log.e(TAG, "Zygote:  error closing sockets", ex);
  13. } catch (libcore.io.ErrnoException ex) {
  14. Log.e(TAG, "Zygote:  error closing descriptor", ex);
  15. }
  16. sServerSocket = null;
  17. }
在handleSystemServerProcess()函数里，parsedArgs.niceName就是“system_server”，而且因为parsedArgs.invokeWith没有指定，所以其值为null，于是程序会走到RuntimeInit.zygoteInit()。
3.2.4.2.2RuntimeInit.zygoteInit()

RuntimeInit.zygoteInit()的代码如下：
【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java】

  1. public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv)
  2. throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller
  3. {
  4. if (DEBUG) Slog.d(TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
  5. redirectLogStreams();
  6. commonInit();
  7. nativeZygoteInit();
  8. applicationInit(targetSdkVersion, argv);
  9. }
 
3.2.4.2.2.1.调用redirectLogStreams()

首先，在新fork出的系统进程里，需要重新定向系统输出流。

  1. public static void redirectLogStreams()
  2. {
  3. System.out.close();
  4. System.setOut(new AndroidPrintStream(Log.INFO, "System.out"));
  5. System.err.close();
  6. System.setErr(new AndroidPrintStream(Log.WARN, "System.err"));
  7. }
 
3.2.4.2.2.2.调用commonInit()
  1. private static final void commonInit()
  2. {
  3. . . . . . .
  4. Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new UncaughtHandler());
  5. TimezoneGetter.setInstance(new TimezoneGetter()
  6. . . . . . .
  7. . . . . . .
  8. String trace = SystemProperties.get("ro.kernel.android.tracing");
  9. . . . . . .
  10. initialized = true;
  11. }
当前正处于系统进程的主线程中，可以调用Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler()来设置一个默认的异常处理器，处理程序中的未捕获异常。其他的初始化动作，我们暂不深究。
3.2.4.2.2.3.调用nativeZygoteInit()

接下来调用的nativeZygoteInit()是个JNI函数，在AndroidRuntime.cpp文件中可以看到：
【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

  1. static JNINativeMethod gMethods[] = {
  2. { "nativeFinishInit", "()V",
  3. (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit },
  4. { "nativeZygoteInit", "()V",
  5. (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit },
  6. { "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V",
  7. (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup },
  8. };
nativeZygoteInit()对应的本地函数为com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit()。
  1. static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz)
  2. {
  3. gCurRuntime->onZygoteInit();
  4. }
gCurRuntime是C++层的AndroidRuntime类的静态变量。在AndroidRuntime构造之时，

gCurRuntime = this。不过实际调用的onZygoteInit()应该是AndroidRuntime的子类AppRuntime的：
【frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp】

  1. class AppRuntime : public AndroidRuntime
  2. {
  3. . . . . . .
  4. virtual void onZygoteInit()
  5. {
  6. // Re-enable tracing now that we're no longer in Zygote.
  7. atrace_set_tracing_enabled(true);
  8. sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
  9. ALOGV("App process: starting thread pool.\n");
  10. proc->startThreadPool();
  11. }
里面构造了进程的ProcessState全局对象，而且启动了线程池。

ProcessState对象是典型的单例模式，它的self()函数如下：

  1. sp<ProcessState> ProcessState::self()
  2. {
  3. Mutex::Autolock _l(gProcessMutex);
  4. if (gProcess != NULL) {
  5. return gProcess;
  6. }
  7. gProcess = new ProcessState;
  8. return gProcess;
  9. }
ProcessState对于Binder通信机制而言非常重要，现在system server进程的PrecessState算是初始化完毕了。

我们整理一下思路，画一张startSystemServer()的调用关系图：

Android4.4的zygote进程（下）

接下来我们来讲上图中zygoteInit()调用的最后一行：applicationInit()。

3.2.4.2.2.4.调用applicationInit()

applicationInit()函数的代码如下：
【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java】

  1. private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv)
  2. throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller
  3. {
  4. nativeSetExitWithoutCleanup(true);
  5. VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
  6. VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);
  7. final Arguments args;
  8. try {
  9. args = new Arguments(argv);
  10. } catch (IllegalArgumentException ex) {
  11. Slog.e(TAG, ex.getMessage());
  12. return;
  13. }
  14. invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs);
  15. }

其中的invokeStaticMain()一句最为关键，它承担向外抛出“特殊异常”的作用。我们先画一张startSystemServer()的调用关系图：

Android4.4的zygote进程（下）

看到了吧，最后一步抛出了异常。这相当于一个“特殊的goto语句”！上面的cl = Class.forName(className)一句，其实加载的就是SystemServer类。这个类名是从前文的parsedArgs.remainingArgs得来的，其值就是“com.android.server.SystemServer”。此处抛出的异常，会被本进程的catch语句接住，在那里才会执行SystemServer类的main()函数。示意图如下：

Android4.4的zygote进程（下）

如上图所示，新fork出的SystemServer子进程直接跳过了中间那句runSelectLoop()，径直跳转到caller.run()一步了。

当然，父进程Zygote在fork动作后，会退出startSystemServer()函数，并走到runSelectLoop()，从而进入一种循环监听状态，每当Activity Manager Service向它发出“启动新应用进程”的命令时，它又会fork一个子进程，并在子进程里抛出一个异常，这样子进程还是会跳转到catch一句。

我们可以把上面的示意图再丰富一下：

Android4.4的zygote进程（下）

还有一点需要说明一下，fork出的SystemServer进程在跳转到catch语句后，会执行SystemServer类的main()函数，而其他情况下，fork出的应用进程在跳转的catch语句后，则会执行ActivityThread类的main()函数。这个ActivityThread对于应用程序而言非常重要，但因为和本篇主题关系不大，我们就不在这里展开讲了。

3.2.4.3 SystemServer的main()函数

前文我们已经看到了，startSystemServer()创建的新进程在执行完applicationInit()之后，会抛出一个异常，并由新fork出的SystemServer子进程的catch语句接住，继而执行SystemServer类的main()函数。

那么SystemServer的main()函数又在做什么事情呢？其调用关系图如下：

Android4.4的zygote进程（下）

在Android4.4版本中，ServerThread已经不再继承于Thread了，它现在只是个辅助类，其命名还残留有旧代码的味道。在以前的Android版本中，ServerThread的确继承于Thread，而且在线程的run()成员函数里，做着类似addService、systemReady的工作。

因为本文主要是阐述zygote进程的，所以我们就不在这里继续细说system server进程啦，有兴趣的同学可以继续研究。我们还是回过头继续说zygote里的动作吧。

3.2.5监听zygote socket

3.2.5.1runSelectLoop()

ZygoteInit的main()函数在调用完startSystemServer()之后，会进一步走到runSelectLoop()。runSelectInit()的代码如下：
【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java】

  1. private static void runSelectLoop() throws MethodAndArgsCaller
  2. {
  3. ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
  4. ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
  5. FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];
  6. fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
  7. peers.add(null);
  8. int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
  9. while (true) {
  10. int index;
  11. if (loopCount <= 0) {
  12. gc();
  13. loopCount = GC_LOOP_COUNT;
  14. } else {
  15. loopCount--;
  16. }
  17. try {
  18. fdArray = fds.toArray(fdArray);
  19. index = selectReadable(fdArray);
  20. } catch (IOException ex) {
  21. throw new RuntimeException("Error in select()", ex);
  22. }
  23. if (index < 0) {
  24. throw new RuntimeException("Error in select()");
  25. } else if (index == 0) {
  26. ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
  27. peers.add(newPeer);
  28. fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
  29. } else {
  30. boolean done;
  31. done = peers.get(index).runOnce();
  32. if (done) {
  33. peers.remove(index);
  34. fds.remove(index);
  35. }
  36. }
  37. }
  38. }
在一个while循环中，不断调用selectReadable()。该函数是个native函数，对应C++层的com_android_internal_os_ZygoteInit_selectReadable()。

【frameworks/base/core/jni/com_android_internal_os_ZygoteInit.cpp】

  1. static jint com_android_internal_os_ZygoteInit_selectReadable (JNIEnv *env, jobject clazz,
  2. jobjectArray fds)
  3. {
  4. . . . . . .
  5. int err;
  6. do {
  7. err = select (nfds, &fdset, NULL, NULL, NULL);
  8. } while (err < 0 && errno == EINTR);
  9. . . . . . .
  10. for (jsize i = 0; i < length; i++) {
  11. jobject fdObj = env->GetObjectArrayElement(fds, i);
  12. . . . . . .
  13. int fd = jniGetFDFromFileDescriptor(env, fdObj);
  14. . . . . . .
  15. if (FD_ISSET(fd, &fdset)) {
  16. return (jint)i;
  17. }
  18. }
  19. return -1;
  20. }

可以看到，主要就是调用select()而已。在Linux的socket编程中，select()负责监视若干文件描述符的变化情况，我们常见的变化情况有：读、写、异常等等。在zygote中，

err = select (nfds, &fdset, NULL, NULL, NULL);一句的最后三个参数都为NULL，表示该select()操作只打算监视文件描述符的“读变化”，而且如果没有可读的文件，select()就维持阻塞状态。

在被监视的文件描述符数组（fds）中，第一个文件描述符对应着“zygote接收其他进程连接申请的那个socket（及sServerSocket）”，一旦它发生了变化，我们就尝试建立一个ZygoteConnection。

  1. // (index == 0)的情况
  2. ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
  3. peers.add(newPeer);
  4. fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
看到了吗，新创建的ZygoteConnection会被再次写入文件描述符数组（fds）。

如果select动作发现文件描述符数组（fds）的其他文件描述符有东西可读了，说明有其他进程通过某个已建立好的ZygoteConnection发来了命令，此时我们需要调用runOnce()。

  1. // (index > 0)的情况
  2. boolean done;
  3. done = peers.get(index).runOnce();
  4. if (done) {
  5. peers.remove(index);
  6. fds.remove(index);
  7. }
建立ZygoteConnection的acceptCommandPeer()的代码如下：
  1. private static ZygoteConnection acceptCommandPeer() {
  2. try {
  3. return new ZygoteConnection(sServerSocket.accept());
  4. } catch (IOException ex) {
  5. throw new RuntimeException(
  6. "IOException during accept()", ex);
  7. }
  8. }
 
3.2.5.1.1ZygoteConnection的runOnce()

ZygoteConnection的runOnce()代码截选如下：

  1. boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
  2. String args[];
  3. Arguments parsedArgs = null;
  4. FileDescriptor[] descriptors;
  5. . . . . . .
  6. args = readArgumentList();
  7. descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
  8. . . . . . .
  9. int pid = -1;
  10. FileDescriptor childPipeFd = null;
  11. FileDescriptor serverPipeFd = null;
  12. try {
  13. parsedArgs = new Arguments(args);
  14. . . . . . .
  15. pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
  16. parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal,
  17. parsedArgs.seInfo, parsedArgs.niceName);
  18. }
  19. . . . . . .
  20. if (pid == 0) {
  21. // in child
  22. IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
  23. serverPipeFd = null;
  24. handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
  25. return true;
  26. } else {
  27. // in parent...pid of < 0 means failure
  28. IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
  29. childPipeFd = null;
  30. return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
  31. }
  32. . . . . . .
  33. }
 
3.2.5.1.2readArgumentList()

runOnce()中从socket中读取参数数据的动作是由readArgumentList()完成的，该函数的代码如下：

  1. private String[] readArgumentList()
  2. throws IOException
  3. {
  4. int argc;
  5. . . . . . .
  6. String s = mSocketReader.readLine();
  7. . . . . . .
  8. argc = Integer.parseInt(s);
  9. . . . . . .
  10. String[] result = new String[argc];
  11. for (int i = 0; i < argc; i++) {
  12. result[i] = mSocketReader.readLine();
  13. if (result[i] == null) {
  14. // We got an unexpected EOF.
  15. throw new IOException("truncated request");
  16. }
  17. }
  18. return result;
  19. }
可是是谁在向这个socket写入参数的呢？当然是AMS啦。

我们知道，当AMS需要启动一个新进程时，会调用类似下面的句子：

  1. Process.ProcessStartResult startResult = Process.start("android.app.ActivityThread",
  2. app.processName, uid, uid, gids, debugFlags, mountExternal,
  3. app.info.targetSdkVersion, app.info.seinfo, null);
包括ActivityThread类名等重要信息的参数，最终就会通过socket传递给zygote。
3.2.5.1.3handleChildProc()

runOnce()在读完参数之后，会进一步调用到handleChildProc()。正如前文所说，该函数会间接抛出特殊的MethodAndArgsCaller异常，只不过此时抛出的异常携带的类名为ActivityThread。

  1. private void handleChildProc(Arguments parsedArgs, FileDescriptor[] descriptors,
  2. FileDescriptor pipeFd, PrintStream newStderr)
  3. throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller
  4. {
  5. closeSocket();
  6. ZygoteInit.closeServerSocket();
  7. . . . . . .
  8. if (parsedArgs.niceName != null) {
  9. Process.setArgV0(parsedArgs.niceName);
  10. }
  11. if (parsedArgs.runtimeInit) {
  12. if (parsedArgs.invokeWith != null) {
  13. WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
  14. parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
  15. pipeFd, parsedArgs.remainingArgs);
  16. } else {
  17. RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
  18. parsedArgs.remainingArgs);
  19. }
  20. } else {
  21. String className;
  22. . . . . . .
  23. className = parsedArgs.remainingArgs[0];
  24. . . . . . .
  25. String[] mainArgs = new String[parsedArgs.remainingArgs.length - 1];
  26. System.arraycopy(parsedArgs.remainingArgs, 1,
  27. mainArgs, 0, mainArgs.length);
  28. if (parsedArgs.invokeWith != null) {
  29. WrapperInit.execStandalone(parsedArgs.invokeWith,
  30. parsedArgs.classpath, className, mainArgs);
  31. } else {
  32. ClassLoader cloader;
  33. if (parsedArgs.classpath != null) {
  34. cloader = new PathClassLoader(parsedArgs.classpath,
  35. ClassLoader.getSystemClassLoader());
  36. } else {
  37. cloader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
  38. }
  39. try {
  40. ZygoteInit.invokeStaticMain(cloader, className, mainArgs);
  41. } catch (RuntimeException ex) {
  42. logAndPrintError(newStderr, "Error starting.", ex);
  43. }
  44. }
  45. }
  46. }
 

4小结

至此，zygote进程就阐述完毕了。作为一个最原始的“受精卵”，它必须在合适的时机进行必要的细胞分裂。分裂动作也没什么大的花样，不过就是fork()新进程而已。如果fork()出的新进程是system server，那么其最终执行的就是SystemServer类的main()函数，而如果fork()出的新进程是普通的用户进程的话，那么其最终执行的就是ActivityThread类的main()函数。有关ActivityThread的细节，我们有时间再深入探讨，这里就不细说了。

本篇文章和我的上一篇文章《Android4.4的init进程》可以算是姊妹篇啦。读完这两篇文章，我相信大家对Android的启动流程能有一些大面上的认识了。

转自http://blog.csdn.net/codefly/article/details/48413829

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