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Android Framework启动流程浅析

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Android架构

Android 平台的基础是 Linux 内核。Android Runtime (ART/Dalvik) 依靠 Linux 内核来执行底层功能,例如线程和低层内存管理等。

而在Android Runtime之上就是我们经常接触的Java API Framework层, 如下图是Android的系统架构图

 

 

 

今天的主题不是此架构图的各个部分解释,而是离应用层更近的Framework层启动过程分析。

Android Framework概述

如果我们这里抛开Android架构图,那狭义的Framewrok主要包含那些内容呢?

按我的理解,可以分为三个部分 服务端,客户端,和依赖Linux底层能力的驱动部分。

服务端

主要是ActivityManagerService(AMS), WindowManagerService(WMS),PackageM anerService(PMS)

  • AMS 主要用于管理所有应用程序的Activity
  • WMS 管理各个窗口,隐藏,显示等
  • PMS 用来管理跟踪所有应用APK,安装,解析,控制权限等.

还有用来处理触摸消息的两个类KeyInputQueue和InputDispatchThread,一个用来读消息,一个用来分发消息.

客户端

主要包括ActivityThread,Activity,DecodeView及父类View,PhoneWindow,ViewRootImpl及内部类W等

  • ActivityThread主要用来和AMS通讯的客户端,Activity是我们编写应用比较熟悉的类

依赖Linux底层能力的驱动

主要是SurfaceFlingger(SF)和Binder驱动

  • 每一个窗口都对应一个Surface,SF驱动的作用就是把每一个Surface显示到同一个屏幕上
  • Binder 内核驱动的作用,就是为上面的服务端和客户端(或者服务端和服务端之间),提供IPC通讯用的。

Zygote

系统中运行的第一个Dalvik虚拟机程序叫做zygote,该名称的意义是“一个卵”,,因为接下来的所有 Dalvik虚拟机进程都是通过这个“卵” 孵化出来的。

zygote进程中包含两个主要模块,分别如下:

  • Socket服务端。该 Socket服务端用于接收启动新的Dalvik进程的命令。
  • Framework共享类及共享资源。当zygote进程启动后,会装载一些共享的类及资源,其中共享类是在preload-classes文件中被定义,共享资源是在preload-resources中被定义。因为zygote进程用于孵化出其他Dalvik进程,因此,这些类和资源装载后,新的Dalvik进程就不需要再装载这些类和资源了,这也就是所谓的共享。

zygote进程对应的具体程序是app_rocess,该程序存在于system/bin目录下,启动该程序的指令是 在 init.rc中进行配置的。

Zygote 有️两个优秀的特点

  • 每fork出的一个进程都是一个Dalvik虚拟机,独立的进程可以防止一个程序的崩溃导致所有程序都崩溃,这种虚拟机类似Java虚拟机,对于程序员来说,可以直接使用Java开发应用
  • zygote进程预先会装载共享类和共享资源,这些类及资源实际上就是SDK中定义的大部分类和资源。因此,当通过zygote孵化出新的进程后,新的APK进程只需要去装载A PK 自身包含的类和资源即可,这就有效地解决了多个APK共享Framework资源的问题。

SystemServer

zygote孵化出的第一个Dalvik进程叫做SystemServer,SystemServer仅仅是该进程的别名,而该进程具体对应的程序依然是app_process,因为SystemServer是从app_process中孵化出来的。

SystemServer中创建了一个Socket客户端,并有AmS负责管理该客户端,之后所有的Dalvik进程都将通过该Socket客户端间接被启动。当需要启动新的APK进程时,AmS中会通过该Socket客户端向 zygote进程的Socket服务端发送一个启动命令,然 后 zygote会孵化出新的进程。 上面提到的服务端,AMS,PMS,WMS等都是在SystemServer中启动的.

Android Framework 源头

操作系统的一般启动流程,分为三个步骤

  1. 开机通电后,加载bootloader程序
  2. 操作系统内核初始化
  3. 执行第一个应用程序

Android 系统是基于Linux 内核Kernel,前面Linux bootloader这里不做介绍,直接介绍操作系统内核初始化,在这个时候,它会加载init.rc文件.

init.rc文件

在Android根目录下面,可以直接找到init.rc

generic_x86:/ # ls
acct     bin        cache   config data         dev init            init.rc              init.usb.rc      lost+found mnt oem  product sdcard  sys    ueventd.rc 
adb_keys bugreports charger d      default.prop etc init.environ.rc init.usb.configfs.rc init.zygote32.rc metadata   odm proc sbin    storage system vendor     

打开init.rc

generic_x86:/ # cat init.rc
# ..... 省略其他
 # Now we can start zygote for devices with file based encryption
trigger zygote-start

# It is recommended to put unnecessary data/ initialization from post-fs-data
# to start-zygote in device's init.rc to unblock zygote start.
on zygote-start 
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
    stop surfaceflinger
# 启动SF
    start surfaceflinger  
    
# ..... 省略其他 media(媒体)  network(网络)等启动

也就是在 init.rc时,启动Android 内核。

app_process

Android 内核也是main方法开始,他的main方法在 frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp下

int main(int argc, char* const argv[])
{
    ...
    //初始化AndroidRuntime
    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
    
    bool zygote = false;
    bool startSystemServer = false;
    bool application = false;
    String8 niceName;
    String8 className;

    // 根据参数具体判断启动那个服务
    ++i;  // Skip unused "parent dir" argument.
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
            startSystemServer = true;
        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
            application = true;
        } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
            niceName.setTo(arg + 12);
        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
            className.setTo(arg);
            break;
        } else {
            --i;
            break;
        }
    }
    if (!className.isEmpty()) {
        args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
        runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);
    }else{
        ....
        //启动SystemServer
        if (startSystemServer) {
            args.add(String8("start-system-server"));
        }
    }
    ....
     if (zygote) {
       //启动Zygote
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
    }
}

在这个Main方法中,先初始化了AppRuntime,他的父类是AndroidRuntime。然后我们看到了启动了Java类ZygoteInit。

那c++代码里怎么启动Java类呢,我们继续看 start方法

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
   ...
   //启动Java虚拟机
     if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote, primary_zygote) != 0) {
        return;
    }
    ...
    //找到Java 里面的Main方法
     jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
            /* keep going */
        } else {
        //执行Main方法
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
    }
    ....    
}

可以看到最后先创建了Java虚拟机,调用了Java的main方法,是不是感觉有些熟悉感了。

ZygoteInit

上面介绍到,会启动Java的ZygoteInit类,那他里面干了些什么呢? 我们来看一下关键代码,还是从Main方法开始

//ZygoteInit.java
  public static void main(String argv[]) {
    ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
    ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();
    
    //创建socket
    zygoteServer.createZygoteSocket(socketName);
    Zygote.createBlastulaSocket(blastulaSocketName);
    
    if (!enableLazyPreload) {
            bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
            SystemClock.uptimeMillis());
            //预加载系统资源
            preload(bootTimingsTraceLog);
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                    SystemClock.uptimeMillis());
            bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
    } else {
        Zygote.resetNicePriority();
    }
    
    //fork SystemServer进程
    if (startSystemServer) {
        Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
        // child (system_server) process.
        if (r != null) {
            r.run();
            return;
        }
    }

    //等待Socket的接入
    if (caller == null) {
        Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
        // The select loop returns early in the child process after a fork and
        // loops forever in the zygote.
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
    }

注释写了大概Zygote 启动里面的初始化内容

  • 创建Socket
  • 加载系统资源
  • 启动SystemServer
  • runSelectLoop 等待socket接入,开始执行fork新的进程.

SystemServer

下面继续看SystemServer 启动的过程,从Main方法开始

//SystemServer.java
   /**
     * The main entry point from zygote.
     */
    public static void main(String[] args) {
        new SystemServer().run();
    }

很简单,创建一个自己的对象,并执行run方法,看一下run方法

private void run() {
    ...
    if (System.currentTimeMillis() < EARLIEST_SUPPORTED_TIME) {
        Slog.w(TAG, "System clock is before 1970; setting to 1970.");
        SystemClock.setCurrentTimeMillis(EARLIEST_SUPPORTED_TIME);
    }
            
    VMRuntime.getRuntime().clearGrowthLimit();
    // The system server has to run all of the time, so it needs to be
    // as efficient as possible with its memory usage.
    VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.8f);

    android.os.Process.setThreadPriority(
                android.os.Process.THREAD_PRIORITY_FOREGROUND);
    android.os.Process.setCanSelfBackground(false);
    Looper.prepareMainLooper();
    
   // Create the system service manager.
    mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
    mSystemServiceManager.setStartInfo(mRuntimeRestart,
            mRuntimeStartElapsedTime, mRuntimeStartUptime);
    LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);

   try {
        traceBeginAndSlog("StartServices");
        startBootstrapServices();
        startCoreServices();
        startOtherServices();
        SystemServerInitThreadPool.shutdown();
    } catch (Throwable ex) {
           Slog.e("System", "******************************************");
            Slog.e("System", "************ Failure starting system services", ex);
            throw ex;
    } finally {
        traceEnd();
    }
    
    Looper.loop();
    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}

run方法里面主要进行了设置手机时间,设置虚拟机内存大小,创建消息循环Looper,创建SystemServiceManager等,最主要的是启动了各类服务,我们接着看一下startBootstrapServices ,startCoreServices,startOtherServices方法

private void startBootstrapServices() {
    Installer installer = mSystemServiceManager.startService(Installer.class);
    mSystemServiceManager.startService(DeviceIdentifiersPolicyService.class);
    
    mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(
                ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();
    mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
    mActivityManagerService.setInstaller(installer);
    ....
}

private void startCoreServices() {
    ...
     mSystemServiceManager.startService(BatteryService.class);
     ...
}

 private void startOtherServices() {
        final Context context = mSystemContext;
        VibratorService vibrator = null;
        DynamicAndroidService dynamicAndroid = null;
        IStorageManager storageManager = null;
        NetworkManagementService networkManagement = null;
        IpSecService ipSecService = null;
        NetworkStatsService networkStats = null;
        NetworkPolicyManagerService networkPolicy = null;
        ConnectivityService connectivity = null;
        NsdService serviceDiscovery= null;
        WindowManagerService wm = null;
        SerialService serial = null;
        NetworkTimeUpdateService networkTimeUpdater = null;
        InputManagerService inputManager = null;
        TelephonyRegistry telephonyRegistry = null;
        ConsumerIrService consumerIr = null;
        MmsServiceBroker mmsService = null;
        HardwarePropertiesManagerService hardwarePropertiesService = null;
        ....
}

在这些方法中启动了,我们的核心服务,和常用服务。 代码中也可以看到AMS,PMS,WMS等相关服务.

Launcher启动介绍

一般服务启动完成后,就会想继调用systemReady()方法。 在SysytemServer startOtherServices中看到一个监听回调

mActivityManagerService.systemReady(() -> {
  try {
        startSystemUi(context, windowManagerF);
    } catch (Throwable e) {
        reportWtf("starting System UI", e);
    }
  }
}

static final void startSystemUi(Context context, WindowManagerService windowManager) {
        Intent intent = new Intent();
        intent.setComponent(new ComponentName("com.android.systemui",
                    "com.android.systemui.SystemUIService"));
        intent.addFlags(Intent.FLAG_DEBUG_TRIAGED_MISSING);
        //Slog.d(TAG, "Starting service: " + intent);
        context.startServiceAsUser(intent, UserHandle.SYSTEM);
        windowManager.onSystemUiStarted();
}

而Ams启动完成后,显示Launcher

//AMS.java
 public void systemReady(final Runnable goingCallback, TimingsTraceLog traceLog) {
 ...
     startHomeActivityLocked(currentUserId, "systemReady");
     //
     mStackSupervisor.resumeFocusedStackTopActivityLocked();
 ...
 }
复制代码

其实到这里大致流程就介绍完了,但是文章开始的ActivityThread的main方法是何时被调用的,还没回答,这里不详细展开,简略回答一些.

ActivityThread的main方法如何被调用的?

AMS是管理Activity的启动结束等,查看AMS代码,当当前启动的APP没有创建进程时,会最终调用到ZygoteProcess,然后向 Zygote发送一个socket请求。

resumeTopActivityLocked -> startProcessLocked -> Process.start() -> ZygoteProcess.start() -> ZygoteProcess.startViaZygote() —> ZygoteProcess.zygoteSendArgsAndGetResult()

接下来,看一下大致代码

//AMS.java
private final boolean startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
            String hostingNameStr, boolean disableHiddenApiChecks, String abiOverride) {
            //这里entryPoint为ActivityThread
     final String entryPoint = "android.app.ActivityThread";

    return startProcessLocked(hostingType, hostingNameStr, entryPoint, app, uid, gids,
                    runtimeFlags, mountExternal, seInfo, requiredAbi, instructionSet, invokeWith,
                    startTime);    
}
//ZygoteProcess.java
private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass,... ){
    ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();
    argsForZygote.add("--runtime-args");
    argsForZygote.add("--setuid=" + uid);
    argsForZygote.add("--setgid=" + gid);
    argsForZygote.add("--runtime-flags=" + runtimeFlags);
    argsForZygote.add("--target-sdk-version=" + targetSdkVersion);
    if (startChildZygote) {
        argsForZygote.add("--start-child-zygote");
    }
    argsForZygote.add(processClass);
    synchronized(mLock) {
        return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi),
                                              useBlastulaPool,
                                              argsForZygote);
    }
}

//发起Socket请求,给Zygote
private static Process.ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult(
        ArrayList<String> args,..){
    blastulaSessionSocket = zygoteState.getBlastulaSessionSocket();

    final BufferedWriter blastulaWriter = new BufferedWriter(
            new OutputStreamWriter(blastulaSessionSocket.getOutputStream()),
                                Zygote.SOCKET_BUFFER_SIZE);
    final DataInputStream blastulaReader =
    new DataInputStream(blastulaSessionSocket.getInputStream());
    blastulaWriter.write(msgStr);
    blastulaWriter.flush();
    ...
}

最终 Zygote收到请求调用ZygoteInit中zygoteinit方法

//ZygoteInit.java
 public static final Runnable zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
            ClassLoader classLoader) {
        if (RuntimeInit.DEBUG) {
            Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
        }

        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
        RuntimeInit.redirectLogStreams();

        RuntimeInit.commonInit();
        ZygoteInit.nativeZygoteInit();
        return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
    }

在 RuntimeInit中findStaticMain,最后在ZygoteInit中执行最终返回的这个Runnable,达到调用main方法的目的.

protected static Runnable applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
            ClassLoader classLoader) {
        nativeSetExitWithoutCleanup(true);
        VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
        VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);
        final Arguments args = new Arguments(argv);
        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
        return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
    }

protected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
            ClassLoader classLoader) {
        ..
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
        return new MethodAndArgsCaller(m, argv);
    }

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