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  • 安卓系统启动过程

    韩梦飞沙 yue31313 韩亚飞 han_meng_fei_sha 313134555@qq.com

    android启动图示

    ====

    当你按下电源开关后Android设备执行了以下步骤。

    Android启动流程/过程
    此处图片中step2中的一个单词拼写错了，Boot Loaeder应该为Boot Loader

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    第一步：启动电源以及系统启动

    当电源按下，引导芯片代码开始从预定义的地方（固化在ROM）开始执行。加载引导程序到RAM，然后执行。

    第二步：引导程序

    引导程序是在Android操作系统开始运行前的一个小程序。引导程序是运行的第一个程序，因此它是针对特定的主板与芯片的。设备制造商要么使用很受欢迎的引导程序比如redboot、uboot、qi bootloader或者开发自己的引导程序，它不是Android操作系统的一部分。引导程序是OEM厂商或者运营商加锁和限制的地方。

    引导程序分两个阶段执行。第一个阶段，检测外部的RAM以及加载对第二阶段有用的程序；第二阶段，引导程序设置网络、内存等等。这些对于运行内核是必要的，为了达到特殊的目标，引导程序可以根据配置参数或者输入数据设置内核。

    Android引导程序可以在ootableootloaderlegacyusbloader找到。
    传统的加载器包含的个文件，需要在这里说明：

    1. init.s初始化堆栈，清零BBS段，调用main.c的_main()函数；
    2. main.c初始化硬件（闹钟、主板、键盘、控制台），创建linux标签。

    更多关于Android引导程序的可以在这里了解。

    第三步：内核

    Android内核与桌面linux内核启动的方式差不多。内核启动时，设置缓存、被保护存储器、计划列表，加载驱动。当内核完成系统设置，它首先在系统文件中寻找”init”文件，然后启动root进程或者系统的第一个进程。

    第四步：init进程

    init是第一个进程，我们可以说它是root进程或者说有进程的父进程。init进程有两个责任，一是挂载目录，比如/sys、/dev、/proc，二是运行init.rc脚本。

    • init进程可以在/system/core/init找到。
    • init.rc文件可以在/system/core/rootdir/init.rc找到。
    • readme.txt可以在/system/core/init/readme.txt找到。

    对于init.rc文件，Android中有特定的格式以及规则。在Android中，我们叫做Android初始化语言。
    Android初始化语言由四大类型的声明组成，即Actions（动作）、Commands（命令）、Services（服务）、以及Options（选项）。
    Action（动作）：动作是以命令流程命名的，有一个触发器决定动作是否发生。
    语法

    Service（服务）：服务是init进程启动的程序、当服务退出时init进程会视情况重启服务。
    语法

    Options（选项）
    选项是对服务的描述。它们影响init进程如何以及何时启动服务。
    咱们来看看默认的init.rc文件。这里我只列出了主要的事件以及服务。
    Table

    Action/Service 描述
    on early-init 设置init进程以及它创建的子进程的优先级，设置init进程的安全环境
    on init 设置全局环境，为cpu accounting创建cgroup(资源控制)挂载点
    on fs 挂载mtd分区
    on post-fs 改变系统目录的访问权限
    on post-fs-data 改变/data目录以及它的子目录的访问权限
    on boot 基本网络的初始化，内存管理等等
    service servicemanager 启动系统管理器管理所有的本地服务，比如位置、音频、Shared preference等等…
    service zygote 启动zygote作为应用进程

    在这个阶段你可以在设备的屏幕上看到“Android”logo了。

    第五步

    在Java中，我们知道不同的虚拟机实例会为不同的应用分配不同的内存。假如Android应用应该尽可能快地启动，但如果Android系统为每一个应用启动不同的Dalvik虚拟机实例，就会消耗大量的内存以及时间。因此，为了克服这个问题，Android系统创造了”Zygote”。Zygote让Dalvik虚拟机共享代码、低内存占用以及最小的启动时间成为可能。Zygote是一个虚拟器进程，正如我们在前一个步骤所说的在系统引导的时候启动。Zygote预加载以及初始化核心库类。通常，这些核心类一般是只读的，也是Android SDK或者核心框架的一部分。在Java虚拟机中，每一个实例都有它自己的核心库类文件和堆对象的拷贝。

    Zygote加载进程

    1. 加载ZygoteInit类，源代码：/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
    2. registerZygoteSocket()为zygote命令连接注册一个服务器套接字。
    3. preloadClassed “preloaded-classes”是一个简单的包含一系列需要预加载类的文本文件，你可以在<Android Source>/frameworks/base找到“preloaded-classes”文件。
    4. preloadResources() preloadResources也意味着本地主题、布局以及android.R文件中包含的所有东西都会用这个方法加载。

    在这个阶段，你可以看到启动动画。

    第六步：系统服务或服务

    完成了上面几步之后，运行环境请求Zygote运行系统服务。系统服务同时使用native以及java编写，系统服务可以认为是一个进程。同一个系统服务在Android SDK可以以System Services形式获得。系统服务包含了所有的System Services。

    Zygote创建新的进程去启动系统服务。你可以在ZygoteInit类的”startSystemServer”方法中找到源代码。

    核心服务：

    1. 启动电源管理器；
    2. 创建Activity管理器；
    3. 启动电话注册；
    4. 启动包管理器；
    5. 设置Activity管理服务为系统进程；
    6. 启动上下文管理器；
    7. 启动系统Context Providers；
    8. 启动电池服务；
    9. 启动定时管理器；
    10. 启动传感服务；
    11. 启动窗口管理器；
    12. 启动蓝牙服务；
    13. 启动挂载服务。

    其他服务：

    1. 启动状态栏服务；
    2. 启动硬件服务；
    3. 启动网络状态服务；
    4. 启动网络连接服务；
    5. 启动通知管理器；
    6. 启动设备存储监视服务；
    7. 启动定位管理器；
    8. 启动搜索服务；
    9. 启动剪切板服务；
    10. 启动登记服务；
    11. 启动壁纸服务；
    12. 启动音频服务；
    13. 启动耳机监听；
    14. 启动AdbSettingsObserver（处理adb命令）。

    第七步：引导完成

    一旦系统服务在内存中跑起来了，Android就完成了引导过程。在这个时候“ACTION_BOOT_COMPLETED”开机启动广播就会发出去。

    ========

    Linux内核启动之后就到Android Init进程，进而启动Android相关的服务和应用。

    启动的过程如下图所示

    　　　 image

    Android系统启动过程 

    =========

    Android的启动过程可以分为两个阶段，第一阶段是Linux的启动，第二阶段才是Android的启动，下面我们分别来了解一下具体的过程。

    首先是Linux启动，这一部分我想就可以略过了，无非是Linux的Bootloader，Kernel，Driver之类的，在这里唯一要提到 的就是ServiceManager，即服务管理器，这个是做为一个进程在Android加载之前就被启动了，我们可以从init.rc中看到这个配置 项：

    service servicemanager /system/bin/servicemanager

    ServiceManager是Binder的服务管理守护进程，是Binder的核心，由其使用Binder驱动进行IPC管理，关于IPC通讯 的机制，此处不再详述。在APP和Framework中，应用程序使用的ServiceManager.java就是通过Proxy与这个守护进程进行的 通讯。

    然后是Android的启动，接下来要详细描述的部分。我们还是先看一下init.rc中的配置

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

    即linux启动以后，启动zygote服务进程，这个进程恰如其名：孵化器，是所有Android应用程序的孵化器。

    我们来看一下app_process的代码，位置是在：

    frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

    在main()函数中有如下代码：

            if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
            bool startSystemServer = (i < argc) ?
 
                    strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
 
            setArgv0(argv0, "zygote");
            set_process_name("zygote");
            runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
                startSystemServer);
 
        }

    从中可以追踪到AndroidRuntime，代码位于：

    frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

    在start()函数中有如下代码：

        /* start the virtual machine */
    if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
        goto bail;
         ……
     env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

    即先启动了虚拟机，然后利用JNI调用了zygoteInit函数。

    继续追踪到frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java的main()函数，代码如下：

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

    Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");

    if (ZYGOTE_FORK_MODE) {
	runForkMode();
    } else {
	runSelectLoopMode();
    }

    前一部分是在启动系统服务，后一部分是虽然是一个条件判断，但ZYGOTE_FORK_MODE被赋了false，所以进行else分支的 runSelectLoopMode()函数，在该函数中，实际上是在一死循环中利用zygoteConnection类通过socket的方式进行消息 处理，用于fork出新的zygote，从而以最轻量级的方式实现每个进程一个虚拟机的机制。

    继续来看startSystemServer()，代码位于：

    frameworks/base/services/java/com/android/server/systemserver.java

    在其main()函数中调用了init1(args)这个native函数，利用JNI机制，跟踪至

    frameworks/base/services/jni/com_android_server_systemService.cpp，然后到

    frameworks/base/cmds/system_server/library/system_init.cpp

    在system_init()函数中有如下代码

        if (strcmp(propBuf, "1") == 0) {
        // Start the SurfaceFlinger
        SurfaceFlinger::instantiate();
    }
 
    AndroidRuntime* runtime = AndroidRuntime::getRuntime();
 
    LOGI("System server: starting Android services./n");
 
    runtime->callStatic("com/android/server/SystemServer", "init2");

    即完成了SurfaceFlinger的实例化，然后利用运行时的callStatic()函数调用了SystemServer的init2()函数，这个函数位于：

    frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

    代码是：

    public static final void init2() {
        Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
        Thread thr = new ServerThread();
        thr.setName("android.server.ServerThread");
        thr.start();
}

    在这个ServerThread线程中，可以看到我们熟悉的Android服务了，比如WallpaperService服务的启动：

    try {
	Slog.i(TAG, "Wallpaper Service");
	wallpaper = new WallpaperManagerService(context);
	ServiceManager.addService(Context.WALLPAPER_SERVICE, wallpaper);
} catch (Throwable e) {
	Slog.e(TAG, "Failure starting Wallpaper Service", e);
}

    最后，调用各服务的systemReady()函数通知系统就绪。

    至此，系统的启动过程结束

    从这里可以看出，linux的init在启动若干守护进程之后，就启动了Android的runtime和zygote，zygote再启动虚拟机，系统 服务，系统服务再启动完本地服务后，又启动了若干Android服务，并完成向ServiceManager的注册工作，最后系统启动完成。系统的进程空 间如下图所示：

    可见，由zygote孵化器为各进程以写时复制的方式用最小的代价实现了虚拟机。

    至此，系统的启动过程结束，借用两张图来说明问题：

    从这里可以看出，linux的init在启动若干守护进程之后，就启动了Android的runtime和zygote，zygote再启动虚拟机，系统服务，系统服务再启动完本地服务后，又启动了若干Android服务，并完成向ServiceManager的注册工作，最后系统启动完成。系统的进程空间如下图所示：

    可见，由zygote孵化器为各进程以写时复制的方式用最小的代价实现了虚拟机。

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