Android启动过程
1. 系统的开机综述:
- 当按下Android设备电源键时究竟发生了什么?
- Android的启动过程是怎么样的?
- 什么是Linux内核?
- 桌面系统linux内核与Android系统linux内核有什么区别?
- 什么是引导装载程序?
- 什么是Zygote?
- 什么是X86以及ARM linux?
- 什么是init.rc?
- 什么是系统服务?
当我们想到Android启动过程时,脑海中总是冒出很多疑问。本文将介绍Android的启动过程,希望能帮助你找到上面这些问题的答案。
Android是一个基于Linux的开源操作系统。x86(x86是一系列的基于intel 8086 CPU的计算机微处理器指令集架构)是linux内核部署最常见的系统。然而,所有的Android设备都是运行在ARM处理器(ARM 源自进阶精简指令集机器,源自ARM架构)上,除了英特尔的Xolo设备(http://xolo.in/xolo-x900-features)。Xolo来源自凌动1.6GHz x86处理器。Android设备或者嵌入设备或者基于linux的ARM设备的启动过程与桌面版本相比稍微有些差别。这篇文章中,我将解释Android设备的启动过程。深入linux启动过程是一篇讲桌面linux启动过程的好文。
当你按下电源开关后Android设备执行了以下步骤。
此处图片中step2中的一个单词拼写错了,Boot Loaeder应该为Boot Loader(多谢@jameslast 提醒)
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\bootable\bootloader\legacy\usbloader
找到。
传统的加载器包含的个文件,需要在这里说明:
- init.s初始化堆栈,清零BBS段,调用main.c的_main()函数;
- 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
1 2 3 4 | on < trigger > < command > < command > < command > |
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
1 2 3 4 | service < name > < pathname > [< argument >]* < option > < option > … |
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
- 加载ZygoteInit类,源代码:
/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
- registerZygoteSocket()为zygote命令连接注册一个服务器套接字。
- 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
/frameworks/base找到“preloaded-classes”文件。 - 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:
- 启动电源管理器;
- 创建Activity管理器;
- 启动电话注册;
- 启动包管理器;
- 设置Activity管理服务为系统进程;
- 启动上下文管理器;
- 启动系统Context Providers;
- 启动电池服务;
- 启动定时管理器;
- 启动传感服务;
- 启动窗口管理器;
- 启动蓝牙服务;
- 启动挂载服务。
其他服务:
- 启动状态栏服务;
- 启动硬件服务;
- 启动网络状态服务;
- 启动网络连接服务;
- 启动通知管理器;
- 启动设备存储监视服务;
- 启动定位管理器;
- 启动搜索服务;
- 启动剪切板服务;
- 启动登记服务;
- 启动壁纸服务;
- 启动音频服务;
- 启动耳机监听;
- 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。
- 系统开机流程。
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:(图片来自网上,后面有地址)
下面将从Android4.0源码中,和网络达人对此的总结中,对此过程加以学习了解和总结,
以下学习过程中代码片段中均有省略不完整,请参照源码。
一 Init进程的启动
init进程,它是一个由内核启动的用户级进程。内核自行启动(已经被载入内存,开始运行,
并已初始化所有的设备驱动程序和数据结构等)之后,就通过启动一个用户级程序init的方式,完成引导进程。init始终是第一个进程。
启动过程就是代码init.c中main函数执行过程:system\core\init\init.c
在函数中执行了:文件夹建立,挂载,rc文件解析,属性设置,启动服务,执行动作,socket监听……
下面看两个重要的过程:rc文件解析和服务启动。
1 rc文件解析
.rc文件是Android使用的初始化脚本文件 (System/Core/Init/readme.txt中有描述:
four broad classes of statements which are Actions, Commands, Services, and Options.)
其中Command 就是系统支持的一系列命令,如:export,hostname,mkdir,mount,等等,其中一部分是 linux 命令,
还有一些是 android 添加的,如:class_start
其中Options是针对 Service 的选项的。
系统初始化要触发的动作和要启动的服务及其各自属性都在rc脚本文件中定义。 具体看一下启动脚本:\system\core\rootdir\init.rc
在解析rc脚本文件时,将相应的类型放入各自的List中:
\system\core\init\Init_parser.c :init_parse_config_file( )存入到
action_queue、 action_list、 service_list中,解析过程可以看一下parse_config函数,类似状态机形式挺有意思。
这其中包含了服务:adbd、servicemanager、vold、ril-daemon、debuggerd、surfaceflinger、zygote、media……
2 服务启动
文件解析完成之后将service放入到service_list中。
文件解析完成之后将service放入到service_list中。
\system\core\init\builtins.c
Service的启动是在do_class_start函数中完成:
int do_class_start(int nargs, char **args)
{
service_for_each_class(args[1], service_start_if_not_disabled);
return 0;
}
遍历所有名称为classname,状态不为SVC_DISABLED的Service启动
void service_for_each_class(const char *classname,
void (*func)(struct service *svc))
{
……
}
static void service_start_if_not_disabled(struct service *svc)
{
if (!(svc->flags & SVC_DISABLED)) {
service_start(svc, NULL);
}
}
do_class_start对应的命令:
KEYWORD(class_start, COMMAND, 1, do_class_start)
init.rc文件中搜索class_start:class_start main 、class_start core、……
main、core即为do_class_start参数classname
init.rc文件中Service class名称都是main:
service drm /system/bin/drmserver
class main
service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
class main
于是就能够通过main名称遍历到所有的Service,将其启动。
do_class_start调用:
init.rc中
on boot //action
class_start core //执行command 对应 do_class_start
class_start main
Init进程main函数中:
system/core/init/init.c中:
int main(){
//挂在文件
//解析配置文件:init.rc……
//初始化化action queue
……
for(;;){
execute_one_command();
restart_processes();
for (i = 0; i < fd_count; i++) {
if (ufds[i].revents == POLLIN) {
if (ufds[i].fd == get_property_set_fd())
handle_property_set_fd();
else if (ufds[i].fd == get_keychord_fd())
handle_keychord();
else if (ufds[i].fd == get_signal_fd())
handle_signal();
}
}
}
}
循环调用service_start,将状态SVC_RESTARTING启动, 将启动后的service状态设置为SVC_RUNNING。
pid=fork();
execve();
在消息循环中:Init进程执行了Android的Command,启动了Android的NativeService,监听Service的变化需求,Signal处理。
Init进程是作为属性服务(Property service),维护这些NativeService。
二 ServiceManager启动
在.rc脚本文件中zygote的描述:
service servicemanager /system/bin/servicemanager
class core
user system
group system
critical
onrestart restart zygote
onrestart restart media
onrestart restart surfaceflinger
onrestart restart drm
ServiceManager用来管理系统中所有的binder service,不管是本地的c++实现的还是java语言实现的都需要
这个进程来统一管理,最主要的管理就是,注册添加服务,获取服务。所有的Service使用前都必须先在servicemanager中进行注册。
do_find_service( )
do_add_service( )
svcmgr_handler( )
代码位置:frameworks\base\cmds\servicemanager\Service_manager.c
三 Zygote进程的启动
Zygote这个进程是非常重要的一个进程,Zygote进程的建立是真正的Android运行空间,初始化建立的Service都是Navtive service.
(1) 在.rc脚本文件中zygote的描述:
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
class main
socket zygote stream 666
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart media
onrestart restart netd
参数:--zygote --start-system-server
代码位置:frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
上面的参数在这里就会用上,决定是否要启动和启动那些进程。
int main( ){
AppRuntime runtime;
if (zygote) {
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer ? "start-system-server" : "");
}
}
class AppRuntime : public AndroidRuntime{};
(2) 接着到了AndroidRuntime类中:
frameworks\base\core\jni\AndroidRuntime.cpp
void start(const char* className, const char* options){
// start the virtual machine Java在虚拟机中运行的
JNIEnv* env;
if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0) {
return;
}
//向刚刚新建的虚拟机注册JNI本地接口
if (startReg(env) < 0) {
return;
}
// jni 调用 java 方法,获取对应类的静态main方法
jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass,
"main","([Ljava/lang/String;)V");
// jni调用 java方法,调用到ZygoteInit类的main函数
jclass startClass = env->FindClass(className);
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
}
到了ZygoteInit.java中的静态main函数中,从C++ ——》JAVA
(3)ZygoteInit
真正Zygote进程:
frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
//Registers a server socket for zygote command connections
registerZygoteSocket();
//Loads and initializes commonly used classes and
//used resources that can be shared across processes
preload();
// Do an initial gc to clean up after startup
gc();
if (argv[1].equals("start-system-server")) {
startSystemServer();
}
/**
* Runs the zygote process's select loop. Accepts new connections as
* they happen, and reads commands from connections one spawn-request's
* worth at a time.
*/
runSelectLoopMode(); //loop中
/**
* Close and clean up zygote sockets. Called on shutdown and on the
* child's exit path.
*/
closeServerSocket();
}
Zygote就建立好了,利用Socket通讯,接收请求,Fork应用程序进程,进入Zygote进程服务框架中。
四 SystemServer启动
(1)在Zygote进程进入循环之前,调用了startSystemServer( );
private static boolean startSystemServer(){
/* Request to fork the system server process 孵化新的进程 */
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
pid = Zygote.forkSystemServer(
parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags,
null,
parsedArgs.permittedCapabilities,
parsedArgs.effectiveCapabilities);
/* For child process 对新的子进程设置 */
if (pid == 0) {
handleSystemServerProcess(parsedArgs);
}
}
void handleSystemServerProcess(parsedArgs){
closeServerSocket();
//"system_server"
Process.setArgV0(parsedArgs.niceName);
//Pass the remaining arguments to SystemServer.
RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
parsedArgs.remainingArgs);
/* should never reach here */
}
(2)RuntimeInit中:
frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\RuntimeInit.java
//The main function called when started through the zygote process.
void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv){
applicationInit(targetSdkVersion, argv);
}
void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv){
// Remaining arguments are passed to the start class's static main
invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs);
}
void invokeStaticMain(String className, String[] argv){
Class<?> cl;
cl = Class.forName(className);
//获取SystemServer的main方法,抛出MethodAndArgsCaller异常
Method m;
m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
int modifiers = m.getModifiers();
throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}
(3)从startSystemServer开始执行并没有去调用SystemServer的任何方法,
只是通过反射获取了main方法,付给了MethodAndArgsCaller,并抛出了MethodAndArgsCaller异常。
此异常是在哪里处理的呢?
回到startSystemServer( )函数的调用处:
在ZygoteInit的main函数中:
public static void main(String argv[]) {
try {
……
if (argv[1].equals("start-system-server")) {
startSystemServer(); //这里如果抛出异常,跳过下面流程
}
runSelectLoopMode(); //loop中
……
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run(); //处理的异常
}
}
如果startSystemServer抛出了异常,跳过执行ZygoteInit进程的循环,这是怎么回事呢?
在startSystemServer中异常是由handleSystemServerProcess抛出,而
pid = Zygote.forkSystemServer( )
/* For child process 仅对新的子进程设置 */
if (pid == 0) {
handleSystemServerProcess(parsedArgs);
}
// Zygote.forkSystemServer根据参数fork 出一个子进程,若成功调用,则返回两次:
一次返回的是 zygote 进程的 pid ,值大于0;一次返回的是子进程 pid,值等于0否则,出错返回-1;
caller.run();
MethodAndArgsCaller run函数:调用前面所提到的
//SystemServer main方法
m = cl.getMethod(“main”, new Class[] { String[].class });
启动了进程SystemServer。
(4)SystemServer的执行 init1( )
//frameworks\base\services\java\com\android\server\SystemServer.java
public static void main(String[] args) {
System.loadLibrary("android_servers");
/*
* This method is called from Zygote to initialize the system.
* This will cause the native services (SurfaceFlinger, AudioFlinger, etc..)
* to be started. After that it will call back
* up into init2() to start the Android services.
*/
init1(args); //native 完了回调init2( )
}
//init1:
frameworks/base/services/jni/com_android_server_SystemServer.cpp:: android_server_SystemServer_init1( )
中调用:system_init
extern "C" status_t system_init()
{
sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());
sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();
//启动SurfaceFlinger 和传感器
property_get("system_init.startsurfaceflinger", propBuf, "1");
SurfaceFlinger::instantiate();
property_get("system_init.startsensorservice", propBuf, "1");
SensorService::instantiate();
// And now start the Android runtime. We have to do this bit
// of nastiness because the Android runtime initialization requires
// some of the core system services to already be started.
// All other servers should just start the Android runtime at
// the beginning of their processes's main(), before calling
// the init function.
AndroidRuntime* runtime = AndroidRuntime::getRuntime();
//回调 com.android.server.SystemServer init2 方法
JNIEnv* env = runtime->getJNIEnv();
jclass clazz = env->FindClass("com/android/server/SystemServer");
jmethodID methodId = env->GetStaticMethodID(clazz, "init2", "()V");
env->CallStaticVoidMethod(clazz, methodId);
//启动线程池 做为binder 服务
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
return NO_ERROR;
}
ProcessState:
每个进程在使用binder 机制通信时,均需要维护一个ProcessState 实例来描述当前进程在binder 通信时的binder 状态。
ProcessState 有如下2 个主要功能:
1. 创建一个thread, 该线程负责与内核中的binder 模块进行通信,称该线程为Pool thread ;
2. 为指定的handle 创建一个BpBinder 对象,并管理该进程中所有的BpBinder 对象。
Pool thread:
在Binder IPC 中,所有进程均会启动一个thread 来负责与BD 来直接通信,也就是不停的读写BD ,
这个线程的实现主体是一个IPCThreadState 对象,下面会介绍这个类型。
下面是Pool thread 的启动方式:
ProcessState::self()->startThreadPool();
IPCThreadState :
IPCThreadState 也是以单例模式设计的。由于每个进程只维护了一个ProcessState 实例,同时ProcessState 只启动一个Pool thread ,
也就是说每一个进程只会启动一个Pool thread ,因此每个进程则只需要一个IPCThreadState 即可。
Pool thread 的实际内容则为:
IPCThreadState::self()->joinThreadPool();
(5)SystemServer的执行 init2( )
public static final void init2() {
//建立线程来处理
Thread thr = new ServerThread();
thr.setName("android.server.ServerThread");
thr.start();
}
//看看线程ServerThread里面都做了什么事情?
public void run() {
addBootEvent(new String("Android:SysServerInit_START"));
Looper.prepare();
android.os.Process.setThreadPriority(
android.os.Process.THREAD_PRIORITY_FOREGROUND);
//初始化服务,创建各种服务实例,如:电源、网络、Wifi、蓝牙,USB等,
//初始化完成以后加入到 ServiceManager中,
//事我们用 Context.getSystemService (String name) 才获取到相应的服务
PowerManagerService power = null;
NetworkManagementService networkManagement = null;
WifiP2pService wifiP2p = null;
WindowManagerService wm = null;
BluetoothService bluetooth = null;
UsbService usb = null;
NotificationManagerService notification = null;
StatusBarManagerService statusBar = null;
……
power = new PowerManagerService();
ServiceManager.addService(Context.POWER_SERVICE, power);
……
// ActivityManagerService作为ApplicationFramework最重要的服务
ActivityManagerService.setSystemProcess();
ActivityManagerService.installSystemProviders();
ActivityManagerService.self().setWindowManager(wm);
// We now tell the activity manager it is okay to run third party
// code. It will call back into us once it has gotten to the state
// where third party code can really run (but before it has actually
// started launching the initial applications), for us to complete our
// initialization.
//系统服务初始化准备就绪,通知各个模块
ActivityManagerService.self().systemReady(new Runnable() {
public void run() {
startSystemUi(contextF);
batteryF.systemReady();
networkManagementF.systemReady();
usbF.systemReady();
……
// It is now okay to let the various system services start their
// third party code...
appWidgetF.systemReady(safeMode);
wallpaperF.systemReady();
}
});
//
//BOOTPROF
addBootEvent(new String("Android:SysServerInit_END"));
Looper.loop();
}
到这里系统ApplicationFramework层的XxxServiceManager准备就绪,可以开始跑上层应用了,我们的第一个上层应用HomeLauncher。
HomeActivity又是如何启动的呢?
Activity的启动必然和ActivityManagerService有关,我们需要去看看
ActivityManagerService.systemReady( )中都干了些什么。
五 Home界面启动
public void systemReady(final Runnable goingCallback) {
……
//ready callback
if (goingCallback != null)
goingCallback.run();
synchronized (this) {
// Start up initial activity.
// ActivityStack mMainStack;
mMainStack.resumeTopActivityLocked(null);
}
……
}
final boolean resumeTopActivityLocked(ActivityRecord prev) {
// Find the first activity that is not finishing.
ActivityRecord next = topRunningActivityLocked(null);
if (next == null) {
// There are no more activities! Let's just start up the
// Launcher...
if (mMainStack) {
//ActivityManagerService mService;
return mService.startHomeActivityLocked();
}
}
……
}
然后就启动了Home界面,完成了整个Android启动流程。
整个过程如下:
详细参看:
http://blog.csdn.net/lizhiguo0532/article/details/7028910
http://www.cnblogs.com/bastard/archive/2012/08/28/2660389.html
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