安卓启动流程梳理之 Zygote 进程启动

安卓启动流程梳理之 Zygote 进程

安卓系统从开机到桌面显示是一个长而复杂的流程,本文参考安卓源码记录安卓启动流程的梳理学习。(文章涉及的源码基于 Android 10.0)由于 Android 启动流程很长,所以分几篇来记录,本篇记录安卓系统进程之父 Zygote 进程的启动过程。

[TOC]

zygote 进程是在 Init 进程启动时创建的,通过 init.zygotexx.rc 脚本启动,zygote 进程可以通过调用 fork() 函数创建应用程序进程和 system server 进程,所以 zygote 进程通常被称为进程孵化器。 zygote 进程在启动的时候会创建 JVM,因此通过 zygote 进程创建的进程可以在进程内部获取一个 JVM 实例副本。

zygote 进程入口

zygote 进程通过 init.zygotexx.rc 脚本启动,这些脚本存放在 system/core/rootdir 目录下。

1 service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote
...
17 service zygote_secondary /system/bin/app_process32 -Xzygote /system/bin --zygote --socket-name=zygote_secondary --enable-lazy-preload
...

上面代码是 init.zygote63_32.rc 文件中截取的,从中可以看出,这里通过 service 语句启动了两个 zygote 进程,一个是名为 zygote,执行程序为 app_process64 的主模式 zygote 进程,另一个是名为 zygote_secondary,执行程序为 app_precess32 的辅模式 zygote 进程。app_prcessxx 会执行到 /framework/base/cmds/app_process/app_main.cpp 文件中的 main() 方法中。

while (i < argc) {
    const char* arg = argv[i++];
    if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) { // 1
        zygote = true;
        niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
    } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) { // 2
        startSystemServer = true;
    } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
        application = true;
    }
    ...
    if (startSystemServer) {
        args.add(String8("start-system-server"));
    }
    ...
    if (zygote) {
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote); // 3
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    }
}

main 方法中可以看出,通过入参 '--zygote' 指定了启动 zygote 进程, 通过 '--start-system-server' 指定了在 zygote 进程中启动 system server 进程。最后是执行到 AppRuntime.start() 方法中,而 AppRuntime 继承自 AndroidRuntime,所以接下来执行 AndroidRuntime.start() 方法。

AndroidRuntime.start()

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
...
    JniInvocation jni_invocation; 
    jni_invocation.Init(NULL); // 1
    JNIEnv* env;
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) { // 2
        return;
    }
    onVmCreated(env);
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }
    ...
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
    } else {
        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 {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray); // 3
        }
    }
    free(slashClassName);
}

start() 方法中主要执行了:

  1. 初始化并注册 JNI接口方法
  2. 启动 JVM 虚拟机
  3. 由入参 'com.android.internal.os.ZygoteInit' 找到 ZygoteInit 类,并通过 JNI 调用 ZygoteInit.main() 方法。

ZygoteInit.main()

public static void main(String argv[]) {
    Runnable caller;
    try {
        boolean startSystemServer = false;
        String zygoteSocketName = "zygote";
        boolean enableLazyPreload = false;
        for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
            if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
                startSystemServer = true;
            } else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
                enableLazyPreload = true;
            } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
                zygoteSocketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
            } 
        }
        if (!enableLazyPreload) {
            preload(bootTimingsTraceLog); // 1
        } else {
            Zygote.resetNicePriority();
        }
        ...
        final boolean isPrimaryZygote = zygoteSocketName.equals(Zygote.PRIMARY_SOCKET_NAME);
        zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote); // 2
        if (startSystemServer) {
            Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer); // 3
            if (r != null) {
                r.run();
                return;
            }
        }
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
    }
    ...
}

ZygoteInit.main 方法中主要执行了:

  1. preload() 预加载虚拟机运行时所需的各类资源,包括常用的 classes、资源库、sharedLibraries 等。这个过程支持通过 ‘--enable-lazy-preload’ 参数控制延后加载。
  2. 创建 zygote 进程通信服务端 Socket mZygoteSocket,用于监听所有请求和 zygote 进程通信的消息。
  3. 通过 forkSystemServer() 启动 system server 进程。

最后调用到 ZygoteServer 中的 runSelectLoop 方法中,一直循环等待其他进程的创建请求。

ZygoteServer.runSelectLoop()

Runnable runSelectLoop(String abiList) {
    ArrayList<FileDescriptor> socketFDs = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
    socketFDs.add(mZygoteSocket.getFileDescriptor());  // 1
    peers.add(null);
    while (true) {
        boolean usapPoolFDRead = false;
        while (--pollIndex >= 0) {
            if (pollIndex == 0) { // 2
                // Zygote server socket
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                socketFDs.add(newPeer.getFileDescriptor());

            } else if (pollIndex < usapPoolEventFDIndex) { // 3
                // Session socket accepted from the Zygote server socket
                try {
                    ZygoteConnection connection = peers.get(pollIndex);
                    final Runnable command = connection.processOneCommand(this);
                    if (mIsForkChild) {
                        return command;
                    } else {
                        if (connection.isClosedByPeer()) {
                            connection.closeSocket();
                            peers.remove(pollIndex);
                            socketFDs.remove(pollIndex);
                        }
                    }
                }
            } else { // 4
                // Either the USAP pool event FD or a USAP reporting pipe.
                long messagePayload = -1;
                try {
                    byte[] buffer = new byte[Zygote.USAP_MANAGEMENT_MESSAGE_BYTES];
                    int readBytes = Os.read(pollFDs[pollIndex].fd, buffer, 0, buffer.length);
                    if (readBytes == Zygote.USAP_MANAGEMENT_MESSAGE_BYTES) {
                        DataInputStream inputStream =
                            new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(buffer));
                        messagePayload = inputStream.readLong();
                    }
                }
                if (pollIndex > usapPoolEventFDIndex) {
                    Zygote.removeUsapTableEntry((int) messagePayload);
                }
                usapPoolFDRead = true;
            }
        }

        // Check to see if the USAP pool needs to be refilled.
        if (usapPoolFDRead) {
            int[] sessionSocketRawFDs =
                socketFDs.subList(1, socketFDs.size())
                .stream()
                .mapToInt(fd -> fd.getInt$())
                .toArray();
            final Runnable command = fillUsapPool(sessionSocketRawFDs); // 5
            if (command != null) {
                return command;
            }
        }
    }
}

runSelectLoop() 是一个无限循环,也就是 zygote 进程起来之后会一直在后台等待 socket 消息。在注释 1 处 ZygoteServer 新建了两个 list, 用于保存所有 ZygoteConnection 和对应 ZygoteSocket 的句柄标识。对应 zygote 进程启动时创建的 mZygoteSocket 连接存放在 index 为 0 的位置,仅用于监听新建连接的消息。

循环里主要是在处理三类 socket 消息:

  1. 注释2处,这类消息是已有进程 (例如 system server) 发送给 mZygoteSocket ,请求建立新的连接,收到之后 zygote 进程会创建 SocketConnection 并更新 list
  2. 注释3处,这类消息是第一步新建的 SocketConnection 中发来的消息,收到之后 zygote 进程通过 processOneCommand 处理,这里就是通常应用程序进程创建的入口。(注释2和注释3这个地方比较绕,思考了很久,两眼冒 +_+)
  3. USAP 类消息处理。USAP 是谷歌在安卓10.0上引进的一种新的进程 fork() 机制,借鉴了线程池的思想,通过 prefork() 提前创建一批进程,当有进程启动时直接从已创建好的进程中分配,加快应用启动速度。在注释4处通过调用 fillUsapPool() 处理这类消息。

总结

Zygote 启动流程

zygote 进程启动流程主要包括以下步骤:

  1. 解析 init.zygotexx.rc 脚本,创建 AndroidRuntime 实例,并调用其 start() 方法。
  2. 初始化 JNI 接口、启动 JVM,并通过 JNI 调用 ZygoteInit.javamain() 方法,进入到 Java Framework 层。
  3. 加载 JVM 运行时资源,并创建 ZygoteServer 和服务端 Socket 对象。
  4. 创建 system server 进程,最后进入 ZygoteServer.runSelectLoop() 无限循环,等待接收处理 Socket 消息。
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