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;
}