Android之Zygote启动详解
我们知道Android系统是基于Linux内核的,在Linux系统中所有的进程都是init进程的子进程。Zygote也一样它是在系统启动的过程中由init进程创建的,在系统启动脚本init.rc中:
<span style="font-size:14px;">@init.rc service zygote /syste/bin/app_process -Xzygote /system/bin -zygote --start-system-server class main socket zygote stream 666 onrestart restart surfaceflinger ... </span>
关键字server告诉init进程创建一个名为zygote的进程,执行的的程序是/syste/bin/app_process,后面都是传递给这个进程的参数。下面的socket表示这个zygote进行需要一个名称为zygote的socket套接字资源,系统启动后在/dev/socket目录下可以看到相关的文件。
zygote 服务进程也叫孵化进程,在Linux的用户空间进程app_process会做一些zygote进程启动的前期工作,如启动runtime运行时的环境等,接着调用runtime.start()来执行zygote服务。runtime.start()这个函数实际是类函数AndroidRuntime::start(),会创建并启动一个虚拟机实例来执行com.android.internal.os.ZygoteInit这个包的main函数。这个main函数会fork一个子进程来启动systemServer,父进程就作为真正的孵化器存在了,每当系统要求执行一个Android应用程序,Zygote就会接收到socket消息fork出一个子进程来执行该应用程序。 而每一个Android应用程序都运行在一个Dalvik虚拟机实例里,每一个虚拟机实例都是一个独立的进程空间。
@frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
<span style="font-size:14px;">int main(int argc, char* argv[]) { AppRuntime runtime; // 这里AppRuntime是AndroidRuntime的子类,启动runtime运行时环境。 ... // 获取参数 /* argv[0] = "-Xzygote" argv[1] = "/system/bin" argv[2] = "--zygote" argv[3] = "--start-system-server" startSystemServer = true */ int i = runtime.addVMArguments(argc. argv); // 找到参数第一个不是以单个-开始的参数,这里是/system/bin runtime.mParentDir = argv[i++] // 将目录保存到mParentDir变量中 setArgsv0(argv0, "zygote") set_process_name("zygote"); runtime.start("com.android.internal.os.zygoteInit", startSystemServer ? "start-system-server" : ""); }</span>
这里主要就是调用runtime.start() 函数,我们重点看下runtime类型为AppRuntime,它继承于AndroidRuntime类。
@frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
<span style="font-size:14px;">class AppRuntime : public AndroidRuntime { public: AppRuntime() : mParentDir(NULL), mClassName(NULL), mClass(NULL), mArgc(0), mArgv(NULL) {} ... const char* getClassName() const {} virtual void onVmCreated(JNIEnv* env) {} virtual void onStarted() {} virtual void onZygoteInit() {} virtual void onExit(int code) const char* mParentDir; const char* mClassName; jclass mClas; int mArgC; const char* const* mArgV; };</span>
<span style="font-size:14px;">@frameworks/base/include/android_runtime/AndroidRuntime.h @frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp /* static */ JavaVM* AndroidRuntime::mJavaVM = NULL; void AndroidRuntime::start(const char* className, const char* options) { ... JNIEnv *env; startVm(&mJavaVM, &env); // start the virtual machine onVmCreated(env); startReg(env); // Register android functions // call className main char *slashClassName = toSlashClassName(className); jclass startClass = env->FindClass(slashClassName); jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main", "([Ljava/lang/String;]V)"); env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray); free(slashClassName); ... }</span>
这个start()函数主要做三件事:一是调用startVM()启动虚拟机;二是调用startReg()注册JNI方法;三是调用com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数。
1) startVM 启动虚拟机
2) startReg 注册JNI方法
3)启动com.android.internal.os.ZygoteInit的main函数
@frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
<span style="font-size:14px;">public static void main(String argv[]) { try { SamplingProfilerIntegration.start(); registerZygoteSocket(); // 注册socket preloadClasses(); // 加载资源 preloadResources(); SamplingProfilterIntegration.writeZygoteSnapshot(); gc(); if(argv[1].equals("start-system-server")) startSystemServer(); // fork一个新的进程system_server if(ZYGOTE_FORK_MODE) runForkMode(); else runSelectLoopMode(); // Zygote进程进入无限循环,执行孵化工作 closeServerSocket(); } catch (MethodAndArgsCaller caller) { caller.run(); } }</span>
这里也是主要做三件事情:一是调用registerZygoteSocket函数创建了一个socket套接字用来和ActivityManagerService通信;二是调用startSystemServer函数启动SystemServer组件;三是调用runSelectLoopMode函数进程一个无限循环在前面创建的套接字socket上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程。
1)registerZygoteSocket
fork()创建子进程,父进程返回true。子进程执行RuntimeInit.zygoteInit。
@frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java
<span style="font-size:14px;">public class ZygoteInit { ... private static LocalServerSocket sServerSocket; private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote"; private static void registerZygoteSocket() { if(sServerSocket == NULL) { int fileDesc; String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV); // 获取环境变量 fileDesc = Integer.parseInt(env); sServerSocket = new LocalServerSocket(createFileDescriptor(fileDesc)); } } }</span>
这里通过System.getenv()获取环境变量ANDROID_SOCKET_ENV的值,通过这个文件描述符表示/dev/socket/zygote。那么这个环境变量又是谁设置的呢?在前面分析的解释执行系统启动脚本init.rc的init.c文件里面有个service_start()函数就是用来分析zygote并创建和设置相应socket的。
<span style="font-size:14px;">void service_start(struct service *svc, const char* dynamic_args) { ... pid = fork(); if ( pid == 0) { struct socketinfo *si; ... for (si = svc->sockets; si; si = si->next) { int socket_type = (!strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM : (!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET)); int s = create_socket(si->name, socket_type, si->perm, si->uid, si->gid); publish_socket(si->name, s); } } ... } #define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX "ANDROID_SOCKET_" #define ANDROID_SOCKET_DIR "/dev/socket" static void publish_socket(const char *name, int fd) { char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX; char val[64]; strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) -1, name, sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX)); snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd); add_environment(key, val); // ANDROID_SOCKET_zygote = val fcntl(fd, F_SETFD, 0); }</span>
这里每一个service命令都会使init进程调用fork函数创建一个新的进程来分析里面的socket选项,然后调用create_socket()函数在/dev/socket目录下创建一个设备文件,然后获得一个文件描述符并通过publish_socket()写入到环境变量中去。这样就把zygote这个socket的文件描述符写到ANDROID_SOCKET_zygote里面去了,这里创建socket文件描述符的create_socket()函数,最后通过调用execve(svc->args[0],
(char**)arg_ptrs, (char**)ENV)去执行zygote的可执行程序,并将环境变量ENV参数传递过去了。所以ZygoteInit.registerZygoteSocket()函数就可以直接从环境变量中取出这个文件描述符来使用。如果其他进程需要打开这个/dev/socket/zygote 文件来和Zygote进程通信就需要通过文件名字连接LocalServerSocket。
2)startSystemServer
@frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
<span style="font-size:14px;">private static boolean startSystemServer() { String args[] = { "--setuid=1000", "--setgid=1000", "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006...", "--capabilities=13010432,130104352", "--runtime-init", "--nice-name=system_server", "com.android.server.SystemServer", }; ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null; parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args); ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs); ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs); int pid = Zygote.forkSystemServer( parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, null, parsedArgs.permittedCapabilities, parsedArgs.effectiveCapabilities)); if (pid == 0) { // 子进程 handleSystemServerProcess(parsedArgs); } return true; // 父进程直接返回true } </span>
这里Zygote进程通过调用Zygote.forkSystemServer()函数创建一个新的进程来启动SystemServer组件。
<span style="font-size:14px;">public class ZygoteInit { .... private static void handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) { closeServerSocket(); // 子进程不需要zygote套接字,直接关闭 FileUtils.setUMask(FileUtils.S_IRWXG | FileUtils.S_IRWXO); ... RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs); } }</span>
<span style="font-size:14px;">public class RuntimeInit { ... public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv) { redirectLogStreams(); commonInit(); zygoteInitNative(); // 是一个native函数,主要完成Binder通信机制的初始化 applicationInit(targetSdkVersion, argv); } public static final native void zygoteInitNative(); private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv) { VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilizatoin(0.75f); VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion); final Arguments args; args = new Arguments(argv); invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs); } // 这个 className = "com.android.server.SystemServer" private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv) { Class<?> cl; cl = Class.forName(className); Method m; m = cl.getMethod("main", new Class[] {String[].class}); ... throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv); } }</span>
这个RuntimeInit.ZygoteInit()函数主要执行两个操作:一是调用zygoteInitNative来执行一个Binder进程间通信机制的初始化工作;二是调用com.android.server.SystemServer类的main函数。
(1) zygoteInitNative:
<span style="font-size:14px;">@frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp static JNINativeMethod gMethods[] = { .... { "zygoteInitNative", "()V", (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_zygoteInit }, .... }; static void com_android_internal_os_RuntimeInit_zygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz) { gCurRuntime->onZygoteInit(); // 就是启动Binder通信 } </span>
<span style="font-size:14px;">virtual void onZygoteInit() { sp<ProcessState> proc = ProcessState::self(); // 每个进程一份ProcessState对象,打开Binder驱动 if(proc->supportsProcess()){ proc->startThreadPool(); // 启动一个线程用于Binder通信 } }</span>
(2) SystemServer.main :
@frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java
<span style="font-size:14px;">public class SystemServer { native public static void init1(Strig[] args); public static void main(String[] args) { .... VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.8f); System.loadLibrary("android_servers"); init1(args); } public static final void init2() { Thread thr = new ServerThread(); thr.setName("android.server.ServerThread"); thr.start(); } } <span style="color:#006600;">@frameworks/base/services/jni/com_android_server_SystemServer.cpp</span></span>
<span style="font-size:14px;">static void android_server_SystemServer_init1(JNIEnv* env, jobject clazz) { system_init(); } status_t system_init() { sp<ProcessState> proc(ProcessState::self()); sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager(); ... AndroidRuntime* runtime = AndroidRuntime::getRuntime(); JNIEnv* env = rungime->getJNIEnv(); jclass clazz = env->FindClass("com/android/server/SystemServer"); jmethodID methodId = env->GetStaticMethodID(clazz, "init2", "()V"); env->CallStaticVoidMethod(clazz, methodId); ProcessState::self()->startThreadPool(); IPCThreadState::self()->joinThreadPool(); return NO_ERROR; }</span>
这个SystemServer的main()函数首先会调用JNI方法init1,init1()会调用SystemServer的init2,在init2里面创建一个ServerThread线程执行一些系统关键服务的启动操作。
<span style="font-size:14px;">class ServerThread extends Thread { ... public void run() { Looper.prepare(); // Critical services ... ServiceManager.addService(Context.POWER_SERVICE, new PoperManagerService()); ActivityManagerService.main(); PackageManagerService.main(context); ... } }</span>
到现在为止,zygote已经fork()子进程完成了SystemServer组件的初始化启动操作,回到zygote.main()里面调用runSelectLoopMode()进入一个循环再前面创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序。
3)runSelectLoopMode
<span style="font-size:14px;">public class ZygoteInit { .... private static void runSelectLoopMode() throws MethodAndArgsCaller { ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList(); ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList(); FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4]; fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor()); peers.add(NULL); int loopCount = GC_LOOP_COUNT; // 10 while(true) { fdArray = fds.toArray(fdArray); index = selectReadble(fdArray); // 类似Linux下的select轮询,native 函数 if(index < 0) { ... } else if(index == 0) { // 表示有客户端连接上 ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(); peers.add(newPeer); fds.add(newPeer.getFileDescriptor()); } else { // 客户端发送了请求过来,交给ZygoteConnection的runOnce()函数完成 boolean done = peers.get(index).runOnce(); if(done) { peers.remove(index); fds.remove(index); } } } } private static ZygoteConnection acceptCommandPeer() { ... return new ZygoteConnection(sServerSocket.accept()); } }</span>
这里while(true)循环里面调用selectReadble(),这是一个native函数,类似select使用多路复用I/O模型。当返回0的时候表示有客户端连接上,ZygoteConnection表示Zygote的一个客户端,每当客户端连接上的时候acceptCommandPeer()返回一个ZygoteConnection对象,ZygoteConnection里面保存着accpet()返回的LocalSocket对象。然后将相应的文件描述符添加到fds里面,下次再对其调用selelct轮询。当返回值大于0的时候表示有客户端发过来的数据请求,交给ZygoteConnection对象的runOnce()函数处理。
selectReadable()函数对应native函数为:com_android_internal_os_ZygoteInit_SelectReadable()
static jint com_android_internal_os_ZygoteInit_selectReadable ( JNIEnv *env, jobject clazz, jobjectArray fds) { if (fds == NULL) { jniThrowNullPointerException(env, "fds == null"); return -1; } jsize length = env->GetArrayLength(fds); fd_set fdset; if (env->ExceptionOccurred() != NULL) { return -1; } FD_ZERO(&fdset); int nfds = 0; for (jsize i = 0; i < length; i++) { jobject fdObj = env->GetObjectArrayElement(fds, i); if (env->ExceptionOccurred() != NULL) { return -1; } if (fdObj == NULL) { continue; } int fd = jniGetFDFromFileDescriptor(env, fdObj); if (env->ExceptionOccurred() != NULL) { return -1; } FD_SET(fd, &fdset); if (fd >= nfds) { nfds = fd + 1; } } int err; do { err = select (nfds, &fdset, NULL, NULL, NULL); } while (err < 0 && errno == EINTR); if (err < 0) { jniThrowIOException(env, errno); return -1; } for (jsize i = 0; i < length; i++) { jobject fdObj = env->GetObjectArrayElement(fds, i); if (env->ExceptionOccurred() != NULL) { return -1; } if (fdObj == NULL) { continue; } int fd = jniGetFDFromFileDescriptor(env, fdObj); if (env->ExceptionOccurred() != NULL) { return -1; } if (FD_ISSET(fd, &fdset)) { return (jint)i; } } return -1; }
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