Android系统在新进程中启动自定义服务过程（startService）的原理分析

转自：/article/1363553.html

在编写Android应用程序时，我们一般将一些计算型的逻辑放在一个独立的进程来处理，这样主进程仍然可以流畅地响应界面事件，提高用户体验。Android系统为我们提供了一个Service类，我们可以实现一个以Service为基类的服务子类，在里面实现自己的计算型逻辑，然后在主进程通过startService函数来启动这个服务。在本文中，将详细分析主进程是如何通过startService函数来在新进程中启动自定义服务的。

在主进程调用startService函数时，会通过Binder进程间通信机制来通知ActivitManagerService来创建新进程，并且启动指定的服务。在Android系统中，Binder进程间通信机制使用非常广泛，因此，希望读者在继续阅读下面的内容之前，对Android系统和Binder进程间通信机制有一定的了解，具体可以参考前面Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划一文。

关于startService的具体用法，可以参考前面Android系统匿名共享内存Ashmem（Anonymous Shared Memory）简要介绍和学习计划一文中用到的实例，它是Activity类的一个成员函数：

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package shy.luo.ashmem;

......

public class Client extends Activity implements OnClickListener {
......
IMemoryService memoryService = null;
......

@Override
public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
......

IMemoryService ms = getMemoryService();
if(ms == null) {
startService(new Intent("shy.luo.ashmem.server"));
} else {
Log.i(LOG_TAG, "Memory Service has started.");
}

......

Log.i(LOG_TAG, "Client Activity Created.");
}

......
}

这里的“shy.luo.ashmem.server”是在程序配置文件AndroidManifest.xml配置的Service的名字，用来告诉Android系统它所要启动的服务的名字：

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<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
package="shy.luo.ashmem"
android:sharedUserId="android.uid.system"
android:versionCode="1"
android:versionName="1.0">
<application android:icon="@drawable/icon" android:label="@string/app_name">
......
<service
android:enabled="true"
android:name=".Server"
android:process=".Server" >
<intent-filter>
<action android:name="shy.luo.ashmem.server"/>
<category android:name="android.intent.category.DEFAULT"/>
</intent-filter>
</service>
</application>
</manifest>

这里，名字“shy.luo.ashmem.server”对应的服务类为shy.luo.ashmem.Server，下面语句：

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startService(new Intent("shy.luo.ashmem.server"));

就表示要在一个新的进程中启动shy.luo.ashmem.Server这个服务类，它必须继承于Android平台提供的Service类：

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package shy.luo.ashmem;

......

public class Server extends Service {

......

@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
return null;
}

@Override
public void onCreate() {
......

}

......
}

下面，我们来看看Activity类中的startService成员函数是如何实现的。

先来看看Activity的类图：



从图中可以看出，Activity继承了ContextWrapper类，而在ContextWrapper类中，实现了startService函数。在ContextWrapper类中，有一个成员变量mBase，它是一个ContextImpl实例，而ContextImpl类和ContextWrapper类一样继承于Context类，ContextWrapper类的startService函数最终过调用ContextImpl类的startService函数来实现。这种类设计方法在设计模式里面，就称之为装饰模式（Decorator），或者包装模式（Wrapper）。

在ContextImpl类的startService类，最终又调用了ActivityManagerProxy类的startService来实现启动服务的操作，看到这里的Proxy关键字，回忆一下前面Android系统进程间通信Binder机制在应用程序框架层的Java接口源代码分析这篇文章，就会知道ActivityManagerProxy是一个Binder对象的远程接口了，而这个Binder对象就是我们前面所说的ActivityManagerService了。

这个ActivityManagerService类实现在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中，它是Binder进程间通信机制中的Server角色，它是随机启动的。随机启动的Server是在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件里面进行启动的，我们来看一下ActivityManagerService启动相关的代码：

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class ServerThread extends Thread {

......

@Override
public void run() {

......

// Critical services...
try {

......

context = ActivityManagerService.main(factoryTest);

......

ActivityManagerService.setSystemProcess();

......

} catch (RuntimeException e) {
Slog.e("System", "Failure starting core service", e);
}

......

}

......

}

首先是调用ActivityManagerService.main函数来创建一个ActivityManagerService实例，然后通过调用ActivityManagerService.setSystemProcess函数把这个Binder实例添加Binder进程间通信机制的守护进程ServiceManager中去：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

static ActivityManagerService mSelf;

......

public static void setSystemProcess() {
try {
ActivityManagerService m = mSelf;

ServiceManager.addService("activity", m);

......

} catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
......
}
}

......

public static final Context main(int factoryTest) {

......

ActivityManagerService m = thr.mService;
mSelf = m;

......

}
}

这样，ActivityManagerService就启动起来了。

回到ActivityManagerProxy类的startService函数中，它定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中：

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class ActivityManagerProxy implements IActivityManager
{
......

public ComponentName startService(IApplicationThread caller, Intent service,
String resolvedType) throws RemoteException
{
Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken(IActivityManager.descriptor);
data.writeStrongBinder(caller != null ? caller.asBinder() : null);
service.writeToParcel(data, 0);
data.writeString(resolvedType);
mRemote.transact(START_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
reply.readException();
ComponentName res = ComponentName.readFromParcel(reply);
data.recycle();
reply.recycle();
return res;
}

......
}

参数service是一个Intent实例，它里面指定了要启动的服务的名称，就是前面我们所说的“shy.luo.ashmem.server”了。

参数caller是一个IApplicationThread实例，它是一个在主进程创建的一个Binder对象。在Android应用程序中，每一个进程都用一个ActivityThread实例来表示，而在ActivityThread类中，有一个成员变量mAppThread，它是一个ApplicationThread实例，实现了IApplicationThread接口，它的作用是用来辅助ActivityThread类来执行一些操作，这个我们在后面会看到它是如何用来启动服务的。

参数resolvedType是一个字符串，它表示service这个Intent的MIME类型，它是在解析Intent时用到的。在这个例子中，我们没有指定这个Intent 的MIME类型，因此，这个参数为null。

ActivityManagerProxy类的startService函数把这三个参数写入到data本地变量去，接着通过mRemote.transact函数进入到Binder驱动程序，然后Binder驱动程序唤醒正在等待Client请求的ActivityManagerService进程，最后进入到ActivityManagerService的startService函数中。

ActivityManagerService的startService函数的处理流程如下图所示：



点击查看大图

在这个序列图中，一共有20个步骤，下面说明每一步。

Step 1. ActivityManagerService.startService

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

public ComponentName startService(IApplicationThread caller, Intent service,
String resolvedType) {
// Refuse possible leaked file descriptors
if (service != null && service.hasFileDescriptors() == true) {
throw new IllegalArgumentException("File descriptors passed in Intent");
}

synchronized(this) {
final int callingPid = Binder.getCallingPid();
final int callingUid = Binder.getCallingUid();
final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
ComponentName res = startServiceLocked(caller, service,
resolvedType, callingPid, callingUid);
Binder.restoreCallingIdentity(origId);
return res;
}
}

......

}

这里的参数caller、service和resolvedType分别对应ActivityManagerProxy.startService传进来的三个参数。

Step 2. ActivityManagerService.startServiceLocked

这个函数同样定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

ComponentName startServiceLocked(IApplicationThread caller,
Intent service, String resolvedType,
int callingPid, int callingUid) {
synchronized(this) {
......

ServiceLookupResult res =
retrieveServiceLocked(service, resolvedType,
callingPid, callingUid);

......

ServiceRecord r = res.record;

......

if (!bringUpServiceLocked(r, service.getFlags(), false)) {
return new ComponentName("!", "Service process is bad");
}
return r.name;
}
}

......

}

函数首先通过retrieveServiceLocked来解析service这个Intent，就是解析前面我们在AndroidManifest.xml定义的Service标签的intent-filter相关内容，然后将解析结果放在res.record中，然后继续调用bringUpServiceLocked进一步处理。

Step 3. ActivityManagerService.bringUpServiceLocked

这个函数同样定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

private final boolean bringUpServiceLocked(ServiceRecord r,
int intentFlags, boolean whileRestarting) {

......

final String appName = r.processName;

......

// Not running -- get it started, and enqueue this service record
// to be executed when the app comes up.
if (startProcessLocked(appName, r.appInfo, true, intentFlags,
"service", r.name, false) == null) {

......

return false;
}

if (!mPendingServices.contains(r)) {
mPendingServices.add(r);
}

return true;

}

......

}

这里的appName便是我们前面在AndroidManifest.xml文件定义service标签时指定的android:process属性值了，即“.Server”。

接着调用startProcessLocked函数来创建一个新的进程，以便加载自定义的Service类。最后将这个ServiceRecord保存在成员变量mPendingServices列表中，后面会用到。

Step 4. ActivityManagerService.startProcessLocked

这个函数同样定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

private final void startProcessLocked(ProcessRecord app,
String hostingType, String hostingNameStr) {

......

try {

......

int pid = Process.start("android.app.ActivityThread",
mSimpleProcessManagement ? app.processName : null, uid, uid,
gids, debugFlags, null);

......

if (pid == 0 || pid == MY_PID) {

......

} else if (pid > 0) {
app.pid = pid;
app.removed = false;
synchronized (mPidsSelfLocked) {
this.mPidsSelfLocked.put(pid, app);
......
}
} else {

......
}

} catch (RuntimeException e) {

......

}

}

......

}

这里调用Process.start函数创建了一个新的进程，指定新的进程执行android.app.ActivityThread类。最后将表示这个新进程的ProcessRecord保存在mPidSelfLocked列表中，后面会用到。

Step 5. Process.start

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/os/Process.java文件中，这个函数我们就不看了，有兴趣的读者可以自己研究一下。在这个场景中，它就是新建一个进程，然后导入android.app.ActivityThread这个类，然后执行它的main函数。

Step 6. ActivityThread.main

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

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public final class ActivityThread {

......

public static final void main(String[] args) {

......

Looper.prepareMainLooper();

......

ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);

......

Looper.loop();

......

thread.detach();

......
}
}

注意，执行到这里的时候，已经是在上一步创建的新进程里面了，即这里的进程是用来启动服务的，原来的主进程已经完成了它的命令，返回了。

前面我们提到，在Android应用程序中，每一个进程对应一个ActivityThread实例，所以，这个函数会创建一个thread实例，然后调用ActivityThread.attach函数进一步处理。

Step 7. ActivityThread.attach

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

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public final class ActivityThread {

......

private final void attach(boolean system) {

......

if (!system) {

......

IActivityManager mgr = ActivityManagerNative.getDefault();
try {
mgr.attachApplication(mAppThread);
} catch (RemoteException ex) {
}
} else {

......

}

......

}

......

}

从Step 6中，这里传进来的参数system为false。成员变量mAppThread是一个ApplicationThread实例，我们在前面已经描述过这个实例的作用，它是用来辅助ActivityThread来执行一些操作的。

调用ActivityManagerNative.getDefault函数得到ActivityManagerService的远程接口，即ActivityManagerProxy，接着调用它的attachApplication函数。

Step 8. ActivityManagerProxy.attachApplication

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中：

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class ActivityManagerProxy implements IActivityManager
{
......

public void attachApplication(IApplicationThread app) throws RemoteException
{
Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken(IActivityManager.descriptor);
data.writeStrongBinder(app.asBinder());
mRemote.transact(ATTACH_APPLICATION_TRANSACTION, data, reply, 0);
reply.readException();
data.recycle();
reply.recycle();
}

......

}

这个函数主要是将新进程里面的IApplicationThread实例通过Binder驱动程序传递给ActivityManagerService。

Step 9. ActivityManagerService.attachApplication

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

public final void attachApplication(IApplicationThread thread)
{
synchronized (this) {
int callingPid = Binder.getCallingPid();
final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
attachApplicationLocked(thread, callingPid);
Binder.restoreCallingIdentity(origId);
}
}

......

}

这里通过调用attachApplicationLocked函数进一步处理。

Step 10. ActivityManagerService.attachApplicationLocked

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {

......

private final boolean attachApplicationLocked(IApplicationThread thread,
int pid) {
// Find the application record that is being attached... either via
// the pid if we are running in multiple processes, or just pull the
// next app record if we are emulating process with anonymous threads.
ProcessRecord app;
if (pid != MY_PID && pid >= 0) {
synchronized (mPidsSelfLocked) {
app = mPidsSelfLocked.get(pid);
}
} else if (mStartingProcesses.size() > 0) {
app = mStartingProcesses.remove(0);
app.setPid(pid);
} else {
app = null;
}

......

String processName = app.processName;

......

app.thread = thread;

......

boolean badApp = false;

......

// Find any services that should be running in this process...
if (!badApp && mPendingServices.size() > 0) {
ServiceRecord sr = null;
try {
for (int i=0; i<mPendingServices.size(); i++) {
sr = mPendingServices.get(i);
if (app.info.uid != sr.appInfo.uid
|| !processName.equals(sr.processName)) {
continue;
}

mPendingServices.remove(i);
i--;
realStartServiceLocked(sr, app);
didSomething = true;
}
} catch (Exception e) {

......

}
}

......

return true;
}

......

}

回忆一下在上面的Step 4中，以新进程的pid值作为key值保存了一个ProcessRecord在mPidsSelfLocked列表中，这里先把它取出来，存放在本地变量app中，并且将app.processName保存在本地变量processName中。

再回忆一下在上面的Step 3中，在成员变量mPendingServices中，保存了一个ServiceRecord，这里通过进程uid和进程名称将它找出来，然后通过realStartServiceLocked函数来进一步处理。

Step 11. ActivityManagerService.realStartServiceLocked

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

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class ActivityManagerProxy implements IActivityManager
{
......

private final void realStartServiceLocked(ServiceRecord r,
ProcessRecord app) throws RemoteException {

......

r.app = app;

......

try {

......

app.thread.scheduleCreateService(r, r.serviceInfo);

......

} finally {

......

}

......

}

......

}

这里的app.thread是一个ApplicationThread对象的远程接口，它是在上面的Step 6创建ActivityThread对象时作为ActivityThread对象的成员变量同时创建的，然后在Step 9中传过来的。然后调用这个远程接口的scheduleCreateService函数回到原来的ActivityThread对象中执行启动服务的操作。

Step 12. ApplicationThreadProxy.scheduleCreateService

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ApplicationThreadNative.java文件中：

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class ApplicationThreadProxy implements IApplicationThread {

......

public final void scheduleCreateService(IBinder token, ServiceInfo info)
throws RemoteException {
Parcel data = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken(IApplicationThread.descriptor);
data.writeStrongBinder(token);
info.writeToParcel(data, 0);
mRemote.transact(SCHEDULE_CREATE_SERVICE_TRANSACTION, data, null,
IBinder.FLAG_ONEWAY);
data.recycle();
}

......

}

这里通过Binder驱动程序回到新进程的ApplicationThread对象中去执行scheduleCreateService函数。

Step 13. ApplicationThread.scheduleCreateService

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

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public final class ActivityThread {

......

private final class ApplicationThread extends ApplicationThreadNative {

......

public final void scheduleCreateService(IBinder token,
ServiceInfo info) {
CreateServiceData s = new CreateServiceData();
s.token = token;
s.info = info;

queueOrSendMessage(H.CREATE_SERVICE, s);
}

......

}

......

}

这里调用ActivityThread的queueOrSendMessage将一个CreateServiceData数据放到消息队列中去，并且分开这个消息。注意，这里已经是在上面Step 4创建的新进程中执行了。

Step 14. ActivityThread.queueOrSendMessage

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

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public final class ActivityThread {

......

private final void queueOrSendMessage(int what, Object obj) {
queueOrSendMessage(what, obj, 0, 0);
}

private final void queueOrSendMessage(int what, Object obj, int arg1, int arg2) {
synchronized (this) {
......
Message msg = Message.obtain();
msg.what = what;
msg.obj = obj;
msg.arg1 = arg1;
msg.arg2 = arg2;
mH.sendMessage(msg);
}
}

......

}

这里调用成员变量mH的sendMessage函数进行消息分发。这里的mH的类型为H，它继承于Handler类。

Step 15. H.sendMessage

这个函数继承于Handle类的sendMessage函数中，定义在frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java文件中。这个函数我们就不看了，有兴趣的读者可以自己研究一下。消息分发以后，就进入到H.handleMessage函数进行处理了。

Step 16. H.handleMessage

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

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public final class ActivityThread {

......

private final class H extends Handler {

......

public void handleMessage(Message msg) {

......

switch (msg.what) {

......

case CREATE_SERVICE:
handleCreateService((CreateServiceData)msg.obj);
break;

......
}

......

}

......

}

......

}

这里要处理的消息是CREATE_SERVICE，它调用ActivityThread类的handleCreateService成员函数进一步处理。

Step 17. ActivityThread.handleCreateService

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

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public final class ActivityThread {

......

private final void handleCreateService(CreateServiceData data) {
// If we are getting ready to gc after going to the background, well
// we are back active so skip it.
unscheduleGcIdler();

LoadedApk packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
data.info.applicationInfo);
Service service = null;
try {
java.lang.ClassLoader cl = packageInfo.getClassLoader();
service = (Service) cl.loadClass(data.info.name).newInstance();
} catch (Exception e) {
if (!mInstrumentation.onException(service, e)) {
throw new RuntimeException(
"Unable to instantiate service " + data.info.name
+ ": " + e.toString(), e);
}
}

try {
if (localLOGV) Slog.v(TAG, "Creating service " + data.info.name);

ContextImpl context = new ContextImpl();
context.init(packageInfo, null, this);

Application app = packageInfo.makeApplication(false, mInstrumentation);
context.setOuterContext(service);
service.attach(context, this, data.info.name, data.token, app,
ActivityManagerNative.getDefault());
service.onCreate();
mServices.put(data.token, service);
try {
ActivityManagerNative.getDefault().serviceDoneExecuting(
data.token, 0, 0, 0);
} catch (RemoteException e) {
// nothing to do.
}

} catch (Exception e) {
if (!mInstrumentation.onException(service, e)) {
throw new RuntimeException(
"Unable to create service " + data.info.name
+ ": " + e.toString(), e);
}
}
}

......

}

这里的data.info.name就是自定义的服务类shy.luo.ashmem.Server了。

Step 18. ClassLoader.loadClass

这一步实现在上面的ActivityThread.handleCreateService函数中：

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java.lang.ClassLoader cl = packageInfo.getClassLoader();
service = (Service) cl.loadClass(data.info.name).newInstance();

Step 19. Obtain Service

这一步也是实现在上面的ActivityThread.handleCreateService函数中。上面通过ClassLoader.loadClass来导入自定义的服务类shy.luo.ashmem.Server并且创建它的一个实例后，就通过强制类型转换得到一个Service类实例。前面我们说过，自己的服务类必须要继承于Service类，这里就体现出来了为什么要这样做了。

Step 20. Service.onCreate

这一步继续实现在上面的ActivityThread.handleCreateService函数中：

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service.onCreate();

因为这里的service实际上是一个shy.luo.ashmem.Server类实例，因此，这里就是执行shy.luo.ashmem.Server类的onCreate函数了：

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public class Server extends Service {

......

@Override
public void onCreate() {
......

}

......
}

至此，这个自定义的服务就启动起来了。

这样，Android系统在新进程中启动服务的过程就分析完成了，虽然很复杂，但是条理很清晰。它通过三次Binder进程间通信完成了服务的启动过程，分别是：

一. Step 1至Step 7，从主进程调用到ActivityManagerService进程中，完成新进程的创建；

二. Step 8至Step 11，从新进程调用到ActivityManagerService进程中，获取要在新进程启动的服务的相关信息；

三. Step 12至Step 20，从ActivityManagerService进程又回到新进程中，最终将服务启动起来。

学习完Android系统在新进程中启动服务的过程后，希望读者对Android系统的Service有一个深刻的理解。在编写Android应用程序的时候，尽量把一些计算型的逻辑以Service在形式来实现，使得这些耗时的计算能在一个独立的进程中进行，这样就能保持主进程流畅地响应界面事件，提高用户体验。