Android Framework启动流程分析

Android Framework启动流程分析

Android手机系统本质上是一个基于Linux的应用程序，它以Linux系统为内核。系统的启动过程包括Linux内核启动和Android框架启动两个阶段，本文主要介绍Android 框架（Framework）启动阶段。

一、Linux内核启动

1、装载引导程序bootloader

Linux内核启动时首先装载执行bootloader引导程序，装载完成后进入内核程序。

2、加载Linux内核

Linux内核加载主要包括初始化kernel核心（内存初始化，打开中断，初始化进程表等）、初始化驱动、启动内核后台（daemons)线程、安装根（root)文件系统等。

Linux加载的最后阶段启动执行第一个用户级进程init（内核引导参数上一般都会设置“init=/init”，由kernel自动执行，PID为1，是所有进程的父进程）。由此进入Android框架的启动阶段。

二、Android框架启动

Android框架的启动始于init进程，这个阶段也是本文要重点讲解的。启动过程可以分为以下几个主要的阶段：

1、init进程启动

2、init.rc脚本启动

3、zygote服务启动

4、System Server进程启动

5、Home应用启动

下图示出了Android Framework框架的启动流程：



注：图片来源：http://yelinsen.iteye.com/blog/1017352

1、init进程启动
init进程是Android系统的入口，它会以后台进程（daemon）的形式一直存在。该进程的程序源码在目录system/core/init中，入口函数是init.c:main()。主要有如下功能：

　　1）创建/安装设备文件/进程文件/系统文件节点；

　　2）解析init.rc和init.hardware.rc；

　　3）启动脚本中指定的服务，执行指定的命令或动作；

　　4）作为守护进程循环检查是否有action需要执行、是否需要重启某服务等。

详细代码可以参考init.c中入口函数main的实现。

2、init.rc脚本启动

init.rc文件是Android系统的重要配置文件，位于/system/core/rootdir/目录中。主要功能是定义了系统启动时需要执行的一系列action及service：执行特定动作、设置环境变量和属性和执行特定的service。该脚本在init进程的init.c:main函数中解析并启动。代码如下：

[cpp] view
plaincopyprint?

init_parse_config_file("/init.rc");

......

get_hardware_name(hardware, &revision);

snprintf(tmp, sizeof(tmp), "/init.%s.rc", hardware);

init_parse_config_file(tmp);

......

for(;;) {

int nr, i, timeout = -1;

execute_one_command();

restart_processes();

if (!property_set_fd_init && get_property_set_fd() > 0) {

ufds[fd_count].fd = get_property_set_fd();

ufds[fd_count].events = POLLIN;

ufds[fd_count].revents = 0;

fd_count++;

property_set_fd_init = 1;

}

if (!signal_fd_init && get_signal_fd() > 0) {

ufds[fd_count].fd = get_signal_fd();

ufds[fd_count].events = POLLIN;

ufds[fd_count].revents = 0;

fd_count++;

signal_fd_init = 1;

}

if (!keychord_fd_init && get_keychord_fd() > 0) {

ufds[fd_count].fd = get_keychord_fd();

ufds[fd_count].events = POLLIN;

ufds[fd_count].revents = 0;

fd_count++;

keychord_fd_init = 1;

}

if (process_needs_restart) {

timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;

if (timeout < 0)

timeout = 0;

}

if (!action_queue_empty() || cur_action)

timeout = 0;

#if BOOTCHART

if (bootchart_count > 0) {

if (timeout < 0 || timeout > BOOTCHART_POLLING_MS)

timeout = BOOTCHART_POLLING_MS;

if (bootchart_step() < 0 || --bootchart_count == 0) {

bootchart_finish();

bootchart_count = 0;

}

}

#endif

nr = poll(ufds, fd_count, timeout);

if (nr <= 0)

continue;

for (i = 0; i < fd_count; i++) {

if (ufds[i].revents == POLLIN) {

if (ufds[i].fd == get_property_set_fd())

handle_property_set_fd();

else if (ufds[i].fd == get_keychord_fd())

handle_keychord();

else if (ufds[i].fd == get_signal_fd())

handle_signal();

}

}

}

需要重点说明的是init.rc脚本文件配置了一些重要的服务，init进程通过创建子进程启动这些服务，这里创建的service都属于native服务，运行在Linux空间，通过socket向上层提供特定的服务，并以守护进程的方式运行在后台。脚本中服务的定义示例如下：

[cpp] view
plaincopyprint?

service servicemanager /system/bin/servicemanager

class core

user system

group system

critical

onrestart restart zygote

08 onrestart restart media

service ril-daemon /system/bin/rild

class main

socket rild stream 660 root radio

socket rild-debug stream 660 radio system

user root

group radio cache inet misc audio sdcard_rw log

service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger

class main

user system

group graphics

onrestart restart zygote

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server

class main

socket zygote stream 666

onrestart write /sys/android_power/request_state wake

onrestart write /sys/power/state on

onrestart restart media

onrestart restart netd

service media /system/bin/mediaserver

class main

user media

group audio camera inet net_bt net_bt_admin net_bw_acct drmrpc

ioprio rt 4

通过init.rc脚本系统启动了以下几个重要的服务：

1）servicemanager:启动binder IPC，管理所有的Android系统服务

2）mountd:设备安装Daemon，负责设备安装及状态通知

3）debuggerd:启动debug system，处理调试进程的请求

4）rild:启动radio interface layer daemon服务，处理电话相关的事件和请求

5）mediaserver:启动AudioFlinger,MediaPlayerService and CameraService，负责多媒体播放相关的功能，包括音视频解码、显示输出

6）zygote:进程孵化器，启动Android Java VMRuntime和启动systemserver，负责Android应用进程的孵化工作

3、zygote服务启动

zygote进程孵化了所有的Android应用进程，是Android Framework的基础，该进程的启动也标志着Framework框架初始化启动的开始。zygote服务进程的主要功能：
1）注册底层功能的JNI函数到虚拟机

2）预加载java类和资源

3）fork并启动System Server核心进程

4）作为守护进程监听处理“孵化新进程”的请求

如上面所述，zygote是通过init脚本启动的：

[cpp] view
plaincopyprint?

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server

class main

socket zygote stream 666

onrestart write /sys/android_power/request_state wake

onrestart write /sys/power/state on

onrestart restart media

onrestart restart netd

上面脚本的含义为作为孵化进程（-Xzygote参数)，通过system/bin/app_process启动zygote服务，同时启动SystemServer(--start-system-server参数）进程。该服务对应的可执行文件app_process的源码位于frameworks/base/cmds/app_process。
zygote服务在函数app_main.cpp:main()中启动。该函数的关键代码有两处：

1）创建AndroidRuntime对象：

[cpp] view
plaincopyprint?

AppRuntime runtime; // android运行空间

2）启动zygote和systemserver：

[cpp] view
plaincopyprint?

runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",

startSystemServer ? "start-system-server" : "");

方法start()代码位于frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中，主要逻辑如下：

　　 ---调用startVM创建虚拟机：内部使用以下代码创建vm对象：

[cpp] view
plaincopyprint?

if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {

LOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");

goto bail;

}

---注册底层功能的JNI函数到JNIEnv: startReg()

　　 ---调用env->GetStaticMethodID和env->CallStaticVoidMethod()函数运行Java类ZygoteInit的main()

由此可见虚拟机启动后执行的第一个Java类是ZygoteInit.java，并进入ZygoteInit.java:main()函数中。在main函数中实现了以下逻辑：

1）启动服务端Socket端口：

调用registerZygoteSocket()实现，主要用于接受处理创建新进程的请求。

　 2）预加载指定的java类和资源：

调用preloadClasses()预加载指定的java类，调用preloadResources()预加载指定的Resources。特别说明的是孵化器进程会把这些预先加载的类和资源共享给所有APK应用进程，这样有效的解决了Framework类和资源共享的问题。

　 3）启动System Server进程：

调用startSystemServer()创建（fork)SystemServer进程。该函数的关键代码有三处：

---设定启动进程的相关信息：比如进程名称、启动后装载的第一个java类

---调用forkSystemServer()从当前的zygote进程孵化出新的进程

---调用函数hanldeSystemServerProcess()关闭从Zygote进程继承过来的Socket，调用RuntimeInit.zygoteInit()启动SystemServer.java:main()函数

　 4）循环监听孵化新Dalvik进程的请求：

调用runSelectLoopMode()进入无限循环：监听客户端socket连接，根据请求孵化新的应用进程。Process类中保存了客户端socket，并由ActivityManagerService管理该客户端。每当需要启动新的Dalvik应用进程时，ActivityManagerService都会通过该socket客户端与Zygote进程的socket服务端进行通信，请求Zygote孵化出新的进程。

　 至此,启动zygote服务工作完成，需要说明的是zygote进程即为app_process可执行程序所在进程。

4、System Server进程启动
SystemServer进程在Android的运行环境中扮演了“神经中枢”的作用，Android应用能够直接交互的大部分系统服务都在该进程中运行，如WindowManagerServer、ActivityManagerSystemService、PackageManagerServer等，这些系统服务都是以独立线程的方式存在于SystemServer进程中。System Server进程的主要功能：
1）加载android servers底层函数库

2）启动android系统中的native服务

3）创建、注册并启动Android的系统服务，在独立线程中运行

4）创建Looper消息循环，处理System Server进程中的事件消息

在zygote进程中调用函数startSystemServer()创建和启动Server进程，进程首先执行的函数是SystemServer.java:main()。该函数函数实现的主要逻辑为：

1）加载android_servers函数库

2）启动native服务：

调用本地函数init1()实现，该函数的源码位于文件frameworks/base/services/jni/com_android_server_systemService.cpp中，涉及的函数system_init()实现在文件frameworks/base/cmds/system_server/library/system_init.cpp中。

3）启动Android系统的各种系统服务：

调用函数init2()实现，该函数首先创建了一个ServerThread对象，该对象是一个线程，然后直接运行该线程，如以下代码所示：

[cpp] view
plaincopyprint?

public static final void init2() {

Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");

Thread thr = new ServerThread();

thr.setName("android.server.ServerThread");

thr.start();

}

从ServerThread的run()方法内部开始真正启动各种服务线程。

---创建Android系统服务对象,并注册到ServiceManager

---在SystemServer进程中建立Looper消息循环：通过Looper.prepare和Looper.loop来实现

　　 ---系统就绪通知：调用systemReady()通知各个服务

System Server进程启动过程中最核心的一步是“启动Android系统的各种系统服务”，这些系统服务构成了整个Android框架的基础（如图所示），通过Binder IPC为上层应用提供各种功能。介绍下几个重要系统服务的功能。
1）ActivityManagerService
Activity管理服务，主要功能包括：

---统一管理和调度各应用程序的Activity，维护系统中运行的所有应用Task和Activity

---内存管理：应用程序关闭时对应进程还在运行，当系统内存不足时根据策略kill掉优先级较低进程

---进程管理：维护和管理系统中运行的所有进程，并提供了查询进程信息的API

---Provider、Service和Broadcast管理和调度

2）WindowManagerService
窗口管理服务，主要功能包括为应用程序分配窗口，并管理这些窗口。包括分配窗口的大小、调节各窗口的叠放次序、隐藏或者显示窗口，程序退出时删除窗口。
3）PackageManagerService
程序包管理服务，主要功能为：

---根据intent查找匹配的Activity、Provider以及Service

---进行权限检查，即当应用程序调用某个需要一定权限的函数时，系统能够判断调用者是否具备该权限

---提供安装、删除应用程序的API

4）NotificationManagerService
通知管理服务，负责管理和通知后台事件的发生等，这个和statusbar服务结合在一起，一般会在statusbar上添加响应图标。用户可以通过这知道系统后台发生了什么事情。

5）AudioService
音频管理服务，AudioFlinger的上层管理封装，主要是音量、音效、声道及铃声等的管理。

6）TelephonyRegistry
电话服务管理，用于监听和上报电话状态，包括来电、通话、信号变化等。

到这里，Android Framework的启动已经完成，框架中提供的各种服务也已经就绪，可以正常运行并响应处理应用的各种操作请求。
启动完成后需要启动home应用进入手机主界面，这是下面第5节讲解的。
5、Home应用启动

在ServerThread:run()函数的最后调用了ActivityManagerService.self().systemReady方法，该方法实现了如下代码用于启动第一个Activity：

[cpp] view
plaincopyprint?

mMainStack.resumeTopActivityLocked(null);

由于系统刚启动时没有任何Activity对象，代码会调用ActivityManagerService:startHomeActivityLocked函数启动Home应用：

[cpp] view
plaincopyprint?

Intent intent = new Intent(

mTopAction,

mTopData != null ? Uri.parse(mTopData) : null);

intent.setComponent(mTopComponent);

if (mFactoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) {

intent.addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);

}