Android系统启动过程全解析

2022-08-14 23:00:19

     Android系统是一款基于Linux的移动操作系统，那么Android是如何启动起来的呢？本文就详细阐述Android系统的启动过程。

       从内核之上，我们首先应该从文件系统的init开始，因为 init 是内核进入文件系统后第一个运行的程序，通常我们可以在linux的命令行中指定内核第一个调用谁，如果没指定那么内核将会到/sbin/、/bin/ 等目录下查找默认的init，如果没有找到那么就报告出错。

       init.c位置：system/core/init/init.c。

       在init.c的main函数里面完成以下步骤：

       1、创建设备节点。

       2、初始化log系统。

       3、解析init.rc文件，解析函数在同一目录的parser.c里面实现。

       4、初始化属性服务器，在同一目录下的property_service.c里面实现。

       。。。。

       最后、进入loop等待事件到来。

       init.rc的解析过程

       init.rc是一个初始化脚本，路径（不确定）：device/renesas/emev/init.rc

       在init.c的main函数里面，调用parser.c的parse_config_file("/init.rc");执行解析过程。

       先读取文件内容到data里面，再调用parse_config(fn, data);进行解析。

       init.rc包含Android初始化语言的四大类声明：行为类(Actions)、命令类(Commands)、服务类(Services)、选项类(Options)，解析完会形成两个列表service_list 和action_list。

       其中有一个很重要的服务就是zygote，在init.rc里面的片段：

Java代码
  1. service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server   
  2.     socket zygote stream 666  
  3.     onrestart write /sys/android_power/request_state wake   
  4.     onrestart write /sys/power/state on   
  5.     onrestart restart media  

       这是脚本中service的格式：

Java代码
  1. service <name> <pathname> [ <argument> ]*   
  2. <option>   
  3. <option>   
  4. ...  

       zygote对应的可执行文件为app_process，android2.2中它的源代码位置：framework/base/cmds/app_process。

       app_main.cpp的main函数，它先调用AndroidRuntime::addVmArguments将它的参数“-Xzygote /system/bin”传给AndroidRuntime作为启动JavaVM用。接着如果定位余下的参数，如果有"--zygote"，执行下面代码，从参数可以知道，这时候要求启动start system server，并且将com.android.internal.os.ZygoteInit装载至虚拟机。

C++代码
  1. ZygoteInit.java的main方法)。      
  2.         if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {      
  3.             bool startSystemServer = (i < argc) ?      
  4.                     strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;      
  5.             setArgv0(argv0, "zygote");      
  6.             set_process_name("zygote");      
  7.             runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",      
  8.                 startSystemServer);      
  9.         }    

       否则不启动system server：

C++代码
  1. set_process_name(argv0);      
  2.      
  3. runtime.mClassName = arg;      
  4.      
  5. // Remainder of args get passed to startup class main()      
  6. runtime.mArgC = argc-i;      
  7. runtime.mArgV = argv+i;      
  8.      
  9.      
  10. LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",      
  11.      getpid(), runtime.getClassName());      
  12. runtime.start();  

       runtime是AppRuntime对象，继承自AndroidRuntime，在AndroitRuntime.app里的start()函数如下，默认装载的是RuntimeInit进程，不启动system server。

C++代码
  1. void AndroidRuntime::start()      
  2. {      
  3.     start("com.android.internal.os.RuntimeInit",      
  4.         false /* Don‘t start the system server */);      
  5. }   

       在AndroidRuntime.cpp的start方法内，先启动JAVA虚拟机，在定位执行className类的main方法（如果才存在的话）。

C++代码
  1. void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)      
  2. {      
  3.     LOGD("\n>>>>>>>>>>>>>> AndroidRuntime START <<<<<<<<<<<<<<\n");      
  4.      
  5.      
  6.     /* start the virtual machine */     
  7.     if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)      
  8.         goto bail;      
  9.      
  10.      
  11.     startClass = env->FindClass(slashClassName);      
  12.     if (startClass == NULL) {      
  13.         LOGE("JavaVM unable to locate class ‘%s‘\n", slashClassName);      
  14.         /* keep going */     
  15.     } else {      
  16.         startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",      
  17.             "([Ljava/lang/String;)V");      
  18.         if (startMeth == NULL) {      
  19.             LOGE("JavaVM unable to find main() in ‘%s‘\n", className);      
  20.             /* keep going */     
  21.         } else {      
  22.             env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);      
  23.         }      
  24.     }      
  25. ｝    

       先看怎么启动虚拟机的，在startVm方法内，先将一些系统参数选项，包括虚拟机相关的属性，保存到一个JavaVMOption的实例内，比如虚拟机的堆大小，是否check jni，JNI版本信息，最后将这些参数传给JNI_CreateJavaVM，创建JAVA虚拟机实例。

C++代码
  1. //JNI_CreateJavaVM在jni.h中有声明，代码位置：dalvik/libnativehelper/include/nativehelper/，在Jni.c中有定义      
  2. jint JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void*);      
  3. jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM**, JNIEnv**, void*);      
  4. jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM**, jsize, jsize*);    

       在JNI_CreateJavaVM中，先检查JNI的版本，为JavaVM，JNIEnv开辟空间，保存通用接口，最后解析传进来的参数，最后调用dvmStartup启动虚拟机（有些传给JNI_CreateJavaVM的参数，也直接传给了dvmStartup）。

       这里的JNIEnv实际是JNIEnvExt强制转换过来的，JNIEnvExt是JNIEnv结构体的扩展，JNIEnExt前端与JNIEnv完全对齐，都是JNI函数指针。相当于JNIEnExt对JNIEnv进行了赋值。

C++代码
  1. pEnv = (JNIEnvExt*) dvmCreateJNIEnv(NULL);   

       在dvmStartup在Init.c定义，先调用setCommandLineDefaults进行一些默认的设置，比如虚拟机的默认heap大小。

C++代码
  1. static void setCommandLineDefaults()      
  2. {      
  3.     gDvm.heapSizeStart = 2 * 1024 * 1024;   // Spec says 16MB; too big for us.      
  4.     gDvm.heapSizeMax = 16 * 1024 * 1024;    // Spec says 75% physical mem      
  5.     gDvm.stackSize = kDefaultStackSize;      
  6. ｝    

       然后调用dvmProcessOptions处理传进来的参数，比如是否执行zygote，最后，根据gDvm.zygote的值，是否申请一个新的堆，这个值在有参数-Xzygote置1。

C++代码
  1. if (gDvm.zygote) {      
  2.     if (!dvmInitZygote())      
  3.         goto fail;      
  4. } else {      
  5.     if (!dvmInitAfterZygote())      
  6.         goto fail;      
  7. }  

       到这里，虚拟机算是启动成功了。

       回到AndroidRuntime.cpp的start方法，现在我们要启动ZygoteInit进程，找到ZygoteInit的main方法，调用env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);去启动它。

       CallStaticVoidMethod在Jni.c里面有定义，但不是直接定义的，因此用CallStaticVoidMethod作为函数名直接查定义是查不到的，是这样定义的：

       CALL_STATIC(void, Void, , , false);

       再看CALL_STATIC的宏定义：

C++代码
  1. #define CALL_STATIC(_ctype, _jname, _retfail, _retok, _isref)               \      
  2.     static _ctype CallStatic##_jname##Method(JNIEnv* env, jclass jclazz,    \      
  3.         jmethodID methodID, ...)                                            \      
  4.     {                                                                       \      
  5.         UNUSED_PARAMETER(jclazz);                                           \      
  6.         JNI_ENTER();                                                        \      
  7.         JValue result;                                                      \      
  8.         va_list args;                                                       \      
  9.         va_start(args, methodID);                                           \      
  10.         dvmCallMethodV(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);\      
  11.         va_end(args);                                                       \      
  12.         if (_isref && !dvmCheckException(_self))                            \      
  13.             result.l = addLocalReference(env, result.l);                    \      
  14.         JNI_EXIT();                                                         \      
  15.         return _retok;                                                      \      
  16.     }                                                                       \      
  17.     static _ctype CallStatic##_jname##MethodV(JNIEnv* env, jclass jclazz,   \      
  18.         jmethodID methodID, va_list args)                                   \      
  19.     {                                                                       \      
  20.         UNUSED_PARAMETER(jclazz);                                           \      
  21.         JNI_ENTER();                                                        \      
  22.         JValue result;                                                      \      
  23.         dvmCallMethodV(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);\      
  24.         if (_isref && !dvmCheckException(_self))                            \      
  25.             result.l = addLocalReference(env, result.l);                    \      
  26.         JNI_EXIT();                                                         \      
  27.         return _retok;                                                      \      
  28.     }                                                                       \      
  29.     static _ctype CallStatic##_jname##MethodA(JNIEnv* env, jclass jclazz,   \      
  30.         jmethodID methodID, jvalue* args)                                   \      
  31.     {                                                                       \      
  32.         UNUSED_PARAMETER(jclazz);                                           \      
  33.         JNI_ENTER();                                                        \      
  34.         JValue result;                                                      \      
  35.         dvmCallMethodA(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);\      
  36.         if (_isref && !dvmCheckException(_self))                            \      
  37.             result.l = addLocalReference(env, result.l);                    \      
  38.         JNI_EXIT();                                                         \      
  39.         return _retok;                                                      \      
  40.     }    

       因此CallStaticVoidMethod调用的是dvmCallMethodV方法，至于怎么样再调用到ZygoteInit的main方法，有待研究，现在直接看ZygoteInit的main方法，它的参数是这样定义的：

C++代码
  1. stringClass = env->FindClass("java/lang/String");      
  2. assert(stringClass != NULL);      
  3. strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);      
  4. assert(strArray != NULL);      
  5. classNameStr = env->NewStringUTF(className);      
  6. assert(classNameStr != NULL);      
  7. env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);      
  8. startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?      
  9.                                              "true" : "false");      
  10. env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);   

       申请一个String变量，给把类名作为第0个参数，第二个参数是"ture"或"false"，用来决定是否启动system service，在ZygoteInit的main方法会读取这个参数。

C++代码
  1. if (argv[1].equals("true")) {      
  2.     startSystemServer();      
  3. } else if (!argv[1].equals("false")) {      
  4.     throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);      
  5. }  

       它读取到第一个参数是"true"，所以调用startSystemServer启动system server，在startSystemServer中，调用Zygote的forkSystemServer，fork出来的子进程，就是system server了，调用事的参数如下：

C++代码
  1. String args[] = {      
  2.     "--setuid=1000",      
  3.     "--setgid=1000",      
  4.     "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,3001,3002,3003",      
  5.     "--capabilities=130104352,130104352",      
  6.     "--runtime-init",      
  7.     "--nice-name=system_server",      
  8.     "com.android.server.SystemServer",      
  9. };  

       这些参数解析到一个ZygoteConnection.Arguments对象中。forkSystemServer方法实际上是JNI方法，在vm/native/dalvik_system_Zygote.c中有定义。

C++代码
  1. static void Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer(      
  2.         const u4* args, JValue* pResult)      
  3. {      
  4.     pid_t pid;      
  5.     pid = forkAndSpecializeCommon(args);      
  6.     if (pid > 0) {      
  7.         int status;      
  8.      
  9.      
  10.         LOGI("System server process %d has been created", pid);      
  11.         gDvm.systemServerPid = pid;      
  12.      
  13.      
  14.         if (waitpid(pid, &status, WNOHANG) == pid) {      
  15.             LOGE("System server process %d has died. Restarting Zygote!", pid);      
  16.             kill(getpid(), SIGKILL);      
  17.         }      
  18.     }      
  19.     RETURN_INT(pid);      
  20. }  

       具体的fork操作在forkAndSpecializeCommon里面进行，父进程检查子进程是否died。

       在forkAndSpecializeCommon，先判断是否zygote模式，是否剩余有足够的heap空间，最后才执行fork()系统调用。

       fork之后，父进程不做操作，子进程调用dvmInitAfterZygote去为自己申请堆空间。

       子进程返回到startSystemServer方法。

C++代码
  1. /* For child process */     
  2. if (pid == 0) {      
  3.     handleSystemServerProcess(parsedArgs);      
  4. }   

       调用handleSystemServerProcess方法，在里面先设置uid的权限，再调用RuntimeInit.zygoteInit。

C++代码
  1. /*    
  2.  * Pass the remaining arguments to SystemServer.    
  3.  * "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"    
  4.  */     
  5. RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);      
  6. /* should never reach here */    

       在zygoteInit里面调用invokeStaticMain，invokeStaticMain先将com.android.server.Systemserver类的main方法取出，作为Method对象，然后和参数一起传给ZygoteInit.MethodAndArgsCaller，MethodAndArgsCaller继承自Runner，最终MethodAndArgsCaller调用Method.invode函数启动System Server。

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