Android系统启动-Init篇

ゝ一世哀愁。 2022-04-08 09:22 250阅读 0赞

> 基于Android 6.0的源码剖析， 分析Android启动过程进程号为1的init进程的工作内容

/system/core/init/
      - init.cpp
      - init_parser.cpp
      - signal_handler.cpp

## 一、概述 ##

init是Linux系统中用户空间的第一个进程，进程号为1。Kernel启动后，在用户空间，启动init进程，并调用init中的main()方法执行init进程的职责。对于init进程的功能分为4部分：

*  分析和运行所有的init.rc文件;
 *  生成设备驱动节点; （通过rc文件创建）
 *  处理子进程的终止(signal方式);
 *  提供属性服务。

接下来从main()方法说起。

### 1.1 main ###

\[-> init.cpp\]

int main(int argc, char** argv) {
        ...
        umask(0); //设置文件属性0777
        
        klog_init();  //初始化kernel log，位于设备节点/dev/kmsg【见小节1.2】
        klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL); //设置输出的log级别
        // 输出init启动阶段的log
        NOTICE("init%s started!\n", is_first_stage ? "" : " second stage");
        
        property_init(); //创建一块共享的内存空间，用于属性服务
        signal_handler_init();  //初始化子进程退出的信号处理过程【见小节2.1】
    
        property_load_boot_defaults(); //加载default.prop文件
        start_property_service();   //启动属性服务器(通过socket通信)【5.1】
        init_parse_config_file("/init.rc"); //解析init.rc文件
    
        //执行rc文件中触发器为 on early-init的语句
        action_for_each_trigger("early-init", action_add_queue_tail);
        //等冷插拔设备初始化完成
        queue_builtin_action(wait_for_coldboot_done_action, "wait_for_coldboot_done");
        queue_builtin_action(mix_hwrng_into_linux_rng_action, "mix_hwrng_into_linux_rng");
        //设备组合键的初始化操作
        queue_builtin_action(keychord_init_action, "keychord_init");
        // 屏幕上显示Android静态Logo 【见小节1.3】
        queue_builtin_action(console_init_action, "console_init");
        
        //执行rc文件中触发器为 on init的语句
        action_for_each_trigger("init", action_add_queue_tail);
        queue_builtin_action(mix_hwrng_into_linux_rng_action, "mix_hwrng_into_linux_rng");
        
        char bootmode[PROP_VALUE_MAX];
        //当处于充电模式，则charger加入执行队列；否则late-init加入队列。
        if (property_get("ro.bootmode", bootmode) > 0 && strcmp(bootmode, "charger") == 0) {
           action_for_each_trigger("charger", action_add_queue_tail);
        } else {
           action_for_each_trigger("late-init", action_add_queue_tail);
        }
        //触发器为属性是否设置
        queue_builtin_action(queue_property_triggers_action, "queue_property_triggers");
         
        while (true) {
            if (!waiting_for_exec) {
                execute_one_command();
                restart_processes(); //【见小节1.4】
            }
            int timeout = -1;
            if (process_needs_restart) {
                timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;
                if (timeout < 0)
                    timeout = 0;
            }
            if (!action_queue_empty() || cur_action) {
                timeout = 0;
            }
    
            epoll_event ev;
            //循环 等待事件发生
            int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
            if (nr == -1) {
                ERROR("epoll_wait failed: %s\n", strerror(errno));
            } else if (nr == 1) {
                ((void (*)()) ev.data.ptr)();
            }
        }
        return 0;
    }

### 1.2 log系统 ###

此时android的log系统还没有启动，采用kernel的log系统，打开的设备节点/dev/kmsg， 那么可通过`cat /dev/kmsg`来获取内核log。

接下来，设置log的输出级别为KLOG\_NOTICE\_LEVEL(5)，当log级别小于5时则会输出到kernel log， 默认值为3.

#define KLOG_ERROR_LEVEL   3
    #define KLOG_WARNING_LEVEL 4
    #define KLOG_NOTICE_LEVEL  5
    #define KLOG_INFO_LEVEL    6
    #define KLOG_DEBUG_LEVEL   7
    #define KLOG_DEFAULT_LEVEL  3 //默认为3

### 1.3 console\_init\_action ###

\[-> init.cpp\]

static int console_init_action(int nargs, char **args)
    {
        char console[PROP_VALUE_MAX];
        if (property_get("ro.boot.console", console) > 0) {
            snprintf(console_name, sizeof(console_name), "/dev/%s", console);
        }
    
        int fd = open(console_name, O_RDWR | O_CLOEXEC);
        if (fd >= 0)
            have_console = 1;
        close(fd);
    
        fd = open("/dev/tty0", O_WRONLY | O_CLOEXEC);
        if (fd >= 0) {
            const char *msg;
                msg = "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"  // console is 40 cols x 30 lines
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "\n"
            "             A N D R O I D ";
            write(fd, msg, strlen(msg));
            close(fd);
        }
    
        return 0;
    }

这便是开机显示的底部带ANDROID字样的画面。

### 1.4 restart\_processes ###

\[-> init.cpp\]

static void restart_processes()
    {
        process_needs_restart = 0;
        service_for_each_flags(SVC_RESTARTING,
                               restart_service_if_needed);
    }

检查service\_list中的所有服务，对于带有SVC\_RESTARTING标志的服务，则都会调用其相应的restart\_service\_if\_needed。

static void restart_service_if_needed(struct service *svc)
    {
        time_t next_start_time = svc->time_started + 5;
    
        if (next_start_time <= gettime()) {
            svc->flags &= (~SVC_RESTARTING);
            service_start(svc, NULL); 
            return;
        }
    
        if ((next_start_time < process_needs_restart) ||
            (process_needs_restart == 0)) {
            process_needs_restart = next_start_time;
        }
    }

之后再调用service\_start来启动服务。

## 二、信号处理 ##

在init.cpp的main()方法中，通过signal\_handler\_init()来初始化信号处理过程。

主要工作：

*  初始化signal句柄；
 *  循环处理子进程；
 *  注册epoll句柄；
 *  处理子进程的终止；

### 2.1 signal\_handler\_init ###

\[-> signal\_handler.cpp\]

void signal_handler_init() {
        int s[2];
        // 创建socket pair
        if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC, 0, s) == -1) {
            exit(1);
        }
        signal_write_fd = s[0];
        signal_read_fd = s[1];
        //当捕获信号SIGCHLD，则写入signal_write_fd
        struct sigaction act;
        memset(&act, 0, sizeof(act));
        act.sa_handler = SIGCHLD_handler;
        //SA_NOCLDSTOP使init进程只有在其子进程终止时才会受到SIGCHLD信号
        act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;
        sigaction(SIGCHLD, &act, 0);
        reap_any_outstanding_children(); 【见小节2.2】
        register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);  //【见小节2.3】
    }

每个进程在处理其他进程发送的signal信号时都需要先注册，当进程的运行状态改变或终止时会产生某种signal信号，init进程是所有用户空间进程的父进程，当其子进程终止时产生SIGCHLD信号，init进程调用信号安装函数sigaction()，传递参数给sigaction结构体，便完成信号处理的过程。

这里有两个重要的函数：SIGCHLD\_handler和handle\_signal，如下：

//写入数据
    static void SIGCHLD_handler(int) {
        //向signal_write_fd写入1，直到成功为止
        if (TEMP_FAILURE_RETRY(write(signal_write_fd, "1", 1)) == -1) {
            ERROR("write(signal_write_fd) failed: %s\n", strerror(errno));
        }
    }
    
    //读取数据
    static void handle_signal() {
        char buf[32];
        //读取signal_read_fd数据，放入buf
        read(signal_read_fd, buf, sizeof(buf));
        reap_any_outstanding_children(); 【见流程3-1】
    }

### 2.2 reap\_any\_outstanding\_children ###

\[-> signal\_handler.cpp\]

static void reap_any_outstanding_children() {
        while (wait_for_one_process()) { }
    }
    
    static bool wait_for_one_process() {
        int status;
        //等待任意子进程，如果子进程没有退出则返回0，否则则返回该子进程pid。
        pid_t pid = TEMP_FAILURE_RETRY(waitpid(-1, &status, WNOHANG));
        if (pid == 0) {
            return false;
        } else if (pid == -1) {
            ERROR("waitpid failed: %s\n", strerror(errno));
            return false;
        }
        service* svc = service_find_by_pid(pid); //根据pid查找到相应的service
        std::string name;
    
        if (!svc) {
            return true;
        }
    
        //当flags为RESTART，且不是ONESHOT时，先kill进程组内所有的子进程或子线程
        if (!(svc->flags & SVC_ONESHOT) || (svc->flags & SVC_RESTART)) {
            kill(-pid, SIGKILL);
        }
    
        //移除当前服务svc中的所有创建过的socket
        for (socketinfo* si = svc->sockets; si; si = si->next) {
            char tmp[128];
            snprintf(tmp, sizeof(tmp), ANDROID_SOCKET_DIR"/%s", si->name);
            unlink(tmp);
        }
    
        //当flags为EXEC时，释放相应的服务
        if (svc->flags & SVC_EXEC) {
            waiting_for_exec = false;
            list_remove(&svc->slist);
            free(svc->name);
            free(svc);
            return true;
        }
        svc->pid = 0;
        svc->flags &= (~SVC_RUNNING);
    
        //对于ONESHOT服务，使其进入disabled状态
        if ((svc->flags & SVC_ONESHOT) && !(svc->flags & SVC_RESTART)) {
            svc->flags |= SVC_DISABLED;
        }
        //禁用和重置的服务，都不再自动重启
        if (svc->flags & (SVC_DISABLED | SVC_RESET))  {
            svc->NotifyStateChange("stopped"); //设置相应的service状态为stopped
            return true;
        }
    
        //服务在4分钟内重启次数超过4次，则重启手机进入recovery模式
        time_t now = gettime();
        if ((svc->flags & SVC_CRITICAL) && !(svc->flags & SVC_RESTART)) {
            if (svc->time_crashed + CRITICAL_CRASH_WINDOW >= now) {
                if (++svc->nr_crashed > CRITICAL_CRASH_THRESHOLD) {
                    android_reboot(ANDROID_RB_RESTART2, 0, "recovery");
                    return true;
                }
            } else {
                svc->time_crashed = now;
                svc->nr_crashed = 1;
            }
        }
        svc->flags &= (~SVC_RESTART);
        svc->flags |= SVC_RESTARTING;
    
        //执行当前service中所有onrestart命令
        struct listnode* node;
        list_for_each(node, &svc->onrestart.commands) {
            command* cmd = node_to_item(node, struct command, clist);
            cmd->func(cmd->nargs, cmd->args);
        }
        //设置相应的service状态为restarting
        svc->NotifyStateChange("restarting");
        return true;
    }

另外：通过`getprop | grep init.svc` 可查看所有的service运行状态。状态总共分为：running, stopped, restarting

### 2.3 register\_epoll\_handler ###

\[-> signal\_handler.cpp\]

void register_epoll_handler(int fd, void (*fn)()) {
        epoll_event ev;
        ev.events = EPOLLIN; //可读
        ev.data.ptr = reinterpret_cast<void*>(fn);
        //将fd的可读事件加入到epoll_fd的监听队列中
        if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {
            ERROR("epoll_ctl failed: %s\n", strerror(errno));
        }
    }

## 三、rc文件语法 ##

rc文件语法是以行尾单位，以空格间隔的语法，以\#开始代表注释行。rc文件主要包含Action、Service、Command、Options，其中对于Action和Service的名称都是唯一的，对于重复的命名视为无效。

### 3.1 Action ###

Action： 通过trigger，即以 on开头的语句，决定何时执行相应的service。

*  on early-init; 在初始化早期阶段触发；
 *  on init; 在初始化阶段触发；
 *  on late-init; 在初始化晚期阶段触发；
 *  on boot/charger： 当系统启动/充电时触发，还包含其他情况，此处不一一列举；
 *  on property:<key>=<value>: 当属性值满足条件时触发；

### 3.2 Service ###

服务Service，以 service开头，由init进程启动，一般运行于另外一个init的子进程，所以启动service前需要判断对应的可执行文件是否存在。init生成的子进程，定义在rc文件，其中每一个service，在启动时会通过fork方式生成子进程。

例如： `service servicemanager /system/bin/servicemanager`代表的是服务名为servicemanager，服务的路径，也就是服务执行操作时运行/system/bin/servicemanager。

### 3.3 Command ###

下面列举常用的命令

*  class\_start <service\_class\_name>： 启动属于同一个class的所有服务；
 *  start <service\_name>： 启动指定的服务，若已启动则跳过；
 *  stop <service\_name>： 停止正在运行的服务
 *  setprop <name> <value>：设置属性值
 *  mkdir <path>：创建指定目录
 *  symlink <target> <sym\_link>： 创建连接到<target>的<sym\_link>符号链接；
 *  write <path> <string>： 向文件path中写入字符串；
 *  exec： fork并执行，会阻塞init进程直到程序完毕；
 *  exprot <name> <name>：设定环境变量；
 *  loglevel <level>：设置log级别

### 3.4 Options ###

Options是Services的可选项，与service配合使用

*  disabled: 不随class自动启动，只有根据service名才启动；
 *  oneshot: service退出后不再重启；
 *  user/group： 设置执行服务的用户/用户组，默认都是root；
 *  class：设置所属的类名，当所属类启动/退出时，服务也启动/停止，默认为default；
 *  onrestart:当服务重启时执行相应命令；
 *  socket: 创建名为`/dev/socket/<name>`的socket
 *  critical: 在规定时间内该service不断重启，则系统会重启并进入恢复模式

**default:** 意味着disabled=false，oneshot=false，critical=false。

## 四、启动服务 ##

### 4.1 启动顺序 ###

on early-init
    on init
    on late-init //挂载文件系统，启动核心服务
        trigger post-fs
        trigger load_system_props_action 
        trigger post-fs-data //挂载data
        trigger load_persist_props_action
        trigger firmware_mounts_complete
        trigger boot
        
    on post-fs
        start logd
        mount rootfs rootfs / ro remount
        mount rootfs rootfs / shared rec 
        mount none /mnt/runtime/default /storage slave bind rec
        ...
         
    on post-fs-data
        start logd
        start vold //启动vold
        ...
        
    on boot
        ...
        class_start core //启动core class

由on early-init -> init -> late-init -> boot。

先启动core class, 至于main class的启动是由vold.decrypt的以下4个值的设置所决定的， 该过程位于system/vold/cryptfs.c文件。

on nonencrypted
        class_start main
        class_start late_start
        
    on property:vold.decrypt=trigger_restart_min_framework
        class_start main
    
    on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
        class_start main
        class_start late_start
    
    on property:vold.decrypt=trigger_reset_main
        class_reset main
            
    on property:vold.decrypt=trigger_shutdown_framework
        class_reset late_start
        class_reset main

### 4.2 服务启动(Zygote) ###

在init.zygote.rc文件中，zygote服务定义如下：

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
        class main
        socket zygote stream 660 root system
        onrestart write /sys/android_power/request_state wake
        onrestart write /sys/power/state on
        onrestart restart media
        onrestart restart netd

通过`init_parser.cpp`完成整个service解析工作，此处就不详细展开讲解析过程，该过程主要是创建一个名”zygote”的service结构体，一个socketinfo结构体(用于socket通信)，以及一个包含4个onrestart的action结构体。

Zygote服务会随着main class的启动而启动，退出后会由init重启zygote，即使多次重启也不会进入recovery模式。zygote所对应的可执行文件是/system/bin/app\_process，通过调用`pid =fork()`创建子进程，通过`execve(svc->args[0], (char**)svc->args, (char**) ENV)`，进入App\_main.cpp的main()函数。故zygote是通过fork和execv共同创建的。

流程如下：

![zygote\_init][zygote_init]

而关于Zygote重启在前面的信号处理过程中讲过，是处理SIGCHLD信号，init进程重启zygote进程，更多关于Zygote内容见[Zygote篇][Zygote]。

### 4.3 服务重启 ###

![init\_oneshot][init_oneshot]

当init子进程退出时，会产生SIGCHLD信号，并发送给init进程，通过socket套接字传递数据，调用到wait\_for\_one\_process()方法，根据是否是oneshot，来决定是重启子进程，还是放弃启动。

所有的Service里面只有servicemanager ，zygote ，surfaceflinger这3个服务有`onrestart`关键字来触发其他service启动过程。

//zygote可触发media、netd重启
    service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
        class main
        socket zygote stream 660 root system
        onrestart write /sys/android_power/request_state wake
        onrestart write /sys/power/state on
        onrestart restart media
        onrestart restart netd
    
    //servicemanager可触发healthd、zygote、media、surfaceflinger、drm重启
    service servicemanager /system/bin/servicemanager
        class core
        user system
        group system
        critical
        onrestart restart healthd
        onrestart restart zygote
        onrestart restart media
        onrestart restart surfaceflinger
        onrestart restart drm
    
    //surfaceflinger可触发zygote重启
    service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
        class core
        user system
        group graphics drmrpc
        onrestart restart zygote

由上可知：

*  zygote：触发media、netd以及子进程(包括system\_server进程)重启；
 *  system\_server: 触发zygote重启;
 *  surfaceflinger：触发zygote重启;
 *  servicemanager: 触发zygote、healthd、media、surfaceflinger、drm重启

所以，surfaceflinger,servicemanager,zygote自身以及system\_server进程被杀都会触发Zygote重启。

## 五、属性服务 ##

当某个进程A，通过property\_set()修改属性值后，init进程会检查访问权限，当权限满足要求后，则更改相应的属性值，属性值一旦改变则会触发相应的触发器（即rc文件中的on开头的语句)，在Android Shared Memmory（共享内存区域）中有一个\_system\_property\_area\_区域，里面记录着所有的属性值。对于进程A通过property\_get（）方法，获取的也是该共享内存区域的属性值。

### 5.1 初始化 ###

\[-> property\_service.cpp\]

void property_init() {
        //用于保证只初始化_system_property_area_区域一次
        if (property_area_initialized) {
            return;
        }
        property_area_initialized = true;
        if (__system_property_area_init()) {
            return;
        }
        pa_workspace.size = 0;
        pa_workspace.fd = open(PROP_FILENAME, O_RDONLY | O_NOFOLLOW | O_CLOEXEC);
        if (pa_workspace.fd == -1) {
            ERROR("Failed to open %s: %s\n", PROP_FILENAME, strerror(errno));
            return;
        }
    }

在properyty\_init函数中，先调用init\_property\_area函数，创建一块用于存储属性的共享内存，而共享内存是可以跨进程的。

**关于加载的prop文件**

通过`load_all_load_all_propsprops()`方法，加载以下：

1.  /system/build.prop；
2.  /vendor/build.prop；
3.  /factory/factory.prop；
4.  /data/local.prop；
5.  /data/property路径下的persist属性

### 5.2 属性类别 ###

1.  属性名以`ctl.`开头，则表示是控制消息，控制消息用来执行一些命令。例如：
    
     *  setprop ctl.start bootanim 查看开机动画；
     *  setprop ctl.stop bootanim 关闭开机动画；
     *  setprop ctl.start pre-recovery 进入recovery模式。
2.  属性名以`ro.`开头，则表示是只读的，不能设置，所以直接返回。
3.  属性名以`persist.`开头，则需要把这些值写到对应文件中去。

以上内容转自：[gityuan的Android系统启动-Init篇][gityuan_Android_-Init]

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以下内容为个人小结：

serviceManager、surfaceflinger、zygote本身都会导致zygote的重启，而zygote重启会导致system\_server重启，而system\_server的重启，system\_server在重启前肯定会先把属于它管理的应用进程都杀死。service zygote /system/bin/app\_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server这个service声明就表明zygote的参数是--start-system-server，所以会去重启system\_server

[zygote_init]: /images/20220407/63b68bc3d3374abaa9dc95e641e38c5d.png
[Zygote]: http://gityuan.com/2016/02/13/android-zygote/
[init_oneshot]: /images/20220407/a219960302474183a367dc266cdc4c40.png
[gityuan_Android_-Init]: http://gityuan.com/2016/02/05/android-init/