Android 8.1 源码_启动篇(二) -- 深入研究 zygote

前言

在Android中,zygote是整个系统创建新进程的核心进程。zygote进程在内部会先启动Dalvik虚拟机,继而加载一些必要的系统资源和系统类,最后进入一种监听状态。在之后的运作中,当其他系统模块(比如 AMS)希望创建新进程时,只需向zygote进程发出请求,zygote进程监听到该请求后,会相应地fork出新的进程,于是这个新进程在初生之时,就先天具有了自己的Dalvik虚拟机以及系统资源。

开篇

核心源码

关键类 路径
init.rc system/core/rootdir/init.rc
init.cpp system/core/init/init.cpp
init.zygote64.rc system/core/rootdir/init.zygote64.rc
builtins.cpp system/core/init/builtins.cpp
service.cpp system/core/init/service.cpp
app_main.cpp frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
AndroidRuntime.cpp frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
JniInvocation.cpp libnativehelper/JniInvocation.cpp
ZygoteInit.java frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
ZygoteServer.java frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java

Zygote简介

在Android系统中,JavaVM(Java虚拟机)、应用程序进程以及运行系统的关键服务的SystemServer进程都是由Zygote进程来创建的,我们也将它称为孵化器。它通过fock(复制进程)的形式来创建应用程序进程和SystemServer进程,由于Zygote进程在启动时会创建JavaVM,因此通过fock而创建的应用程序进程和SystemServer进程可以在内部获取一个JavaVM的实例拷贝。

Read The Fucking Code

Zygote触发

在分析init进程时,我们知道init进程启动后,会解析init.rc文件,然后创建和加载service字段指定的进程。zygote进程就是以这种方式,被init进程加载的。

在system/core/rootdir/init.rc的开始部分,可以看到:

import /init.environ.rc
import /init.usb.rc
import /init.${ro.hardware}.rc
import /vendor/etc/init/hw/init.${ro.hardware}.rc
import /init.usb.configfs.rc
import /init.${ro.zygote}.rc           // ${ro.zygote}由厂商定义,与平台相关

on early-init
    # Set init and its forked children's oom_adj.
    write /proc/1/oom_score_adj -1000

init.zygoteXX.rc

从之前分析的init篇中我们知道,在不同的平台(32、64及64_32)上,init.rc将包含不同的zygote.rc文件。在system/core/rootdir目录下,有init.zygote32_64.rc、init.zyote64.rc、 init.zyote32.rc、init.zygote64_32.rc。

      ✨ init.zygote32.rc:zygote 进程对应的执行程序是 app_process (纯 32bit 模式)
      ✨ init.zygote64.rc:zygote 进程对应的执行程序是 app_process64 (纯 64bit 模式)
      ✨ init.zygote32_64.rc:启动两个 zygote 进程 (名为 zygote 和 zygote_secondary),对应的执行程序分别是 app_process32 (主模式)、app_process64
      ✨ init.zygote64_32.rc:启动两个 zygote 进程 (名为 zygote 和 zygote_secondary),对应的执行程序分别是 app_process64 (主模式)、app_process32

为什么要定义这么多种情况呢?直接定义一个不就好了,这主要是因为Android 5.0以后开始支持64位程序,为了兼容32位和64位才这样定义。不同的zygote.rc内容大致相同,主要区别体现在启动的是32位,还是64位的进程。init.zygote32_64.rc和init.zygote64_32.rc会启动两个进程,且存在主次之分。

这里拿64位处理器为例,init.zygote64_32.rc的代码如下所示:

// 进程名称是zygote,运行的二进制文件在/system/bin/app_process64
// 启动参数是 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote
service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server --socket-name=zygote
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    socket zygote stream 660 root system                               // 创建一个socket,名字叫zygote,以tcp形式
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake              // onrestart 指当进程重启时执行后面的命令
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks                              // 创建子进程时,向 /dev/cpuset/foreground/tasks 写入pid

// 另一个service ,名字 zygote_secondary
service zygote_secondary /system/bin/app_process32 -Xzygote /system/bin --zygote --socket-name=zygote_secondary --enable-lazy-preload
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc
    socket zygote_secondary stream 660 root system
    onrestart restart zygote
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

start zygote

定义了service,肯定有地方调用 start zygote。在之前init解析的博客中,我们分析过init进程的启动。init进程启动的最后,会产生”late-init”事件。

    // Don't mount filesystems or start core system services in charger mode.
    std::string bootmode = GetProperty("ro.bootmode", "");
    if (bootmode == "charger") {
        am.QueueEventTrigger("charger");
    } else {
        am.QueueEventTrigger("late-init");
    }

对应于init.rc配置文件中,我们找到如下代码:

# Mount filesystems and start core system services.
on late-init
    trigger early-fs
    ... ...
    # Now we can start zygote for devices with file based encryption
    trigger zygote-start                 // 触发了zygote-start事件后,就会启动zygote进程
    ... ...

对应于init.rc配置文件中,我们找到如下代码:

# 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 && property:ro.crypto.state=unencrypted
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted       
    start netd                    // start对应的映射关系定义于system/core/init/builtins.cpp中
    start zygote                  // 调用start对应的处理函数,启动名为zygote的服务(传入前文init.zygote.rc中定义的参数)
    start zygote_secondary
    
on zygote-start && property:ro.crypto.state=unsupported
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

on zygote-start && property:ro.crypto.state=encrypted && property:ro.crypto.type=file
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

start命令有一个对应的执行函数do_start,定义在platform/system/core/init/builtins.cpp中

const BuiltinFunctionMap::Map& BuiltinFunctionMap::map() const {
    constexpr std::size_t kMax = std::numeric_limits<std::size_t>::max();
    // clang-format off
    static const Map builtin_functions = {
        ... ...
        {"start",                   {1,     1,    do_start}},
        ... ...
    };
    // clang-format on
    return builtin_functions;
}

我们来看下do_start():

static int do_start(const std::vector<std::string>& args) {
    Service* svc = ServiceManager::GetInstance().FindServiceByName(args[1]);    // 找到zygote service对应信息
    if (!svc) {
        LOG(ERROR) << "do_start: Service " << args[1] << " not found";
        return -1;
    }
    if (!svc->Start())         // 启动对应的进程
        return -1;
    return 0;
}

do_start首先是通过FindServiceByName去service数组中遍历,根据名字匹配出对应的service,然后调用service的Start函数。

最后,我们来看看service.cpp中定义Start函数:

bool Service::Start() {

    ... ...

    pid_t pid = -1;
    if (namespace_flags_) {
        pid = clone(nullptr, nullptr, namespace_flags_ | SIGCHLD, nullptr);
    } else {
        pid = fork();         // 从init进程中,fork出zygote进程
    }

    ... ...
}

Start函数主要是fork出一个新进程,然后执行service对应的二进制文件,并将参数传递进去。那么下面我们以init.zygote64.rc为例进行分析。

app_process

从上面我们分析的init.zygote64.rc可以看出,zygote64启动文件的地址为app_process64。app_process64对应的代码定义在frameworks/base/cmds/app_process中,

我们来看看对应的Android.mk: frameworks/base/cmds/app_process

LOCAL_PATH:= $(call my-dir)

... ...

app_process_src_files := \
    app_main.cpp \

... ...

LOCAL_MODULE:= app_process
LOCAL_MULTILIB := both
LOCAL_MODULE_STEM_32 := app_process32
LOCAL_MODULE_STEM_64 := app_process64

其实不管是app_process、app_process32还是app_process64,对应的源文件都是app_main.cpp。

接下来我们就看看app_process对应的main函数,该函数定义于app_main.cpp中。

在app_main.cpp的main函数中,主要做的事情就是参数解析. 这个函数有两种启动模式:

      ✨ 一种是zygote模式,也就是初始化zygote进程,传递的参数有--start-system-server --socket-name=zygote,前者表示启动SystemServer,后者指定socket的名称(Zygote64_32)。
      ✨ 一种是application模式,也就是启动普通应用程序,传递的参数有class名字以及class带的参数。

两者最终都是调用AppRuntime对象的start函数,加载ZygoteInit或RuntimeInit两个Java类,并将之前整理的参数传入进去。

我们这里暂时只讲解ZygoteInit的加载流程。

int main(int argc, char* const argv[])
{
    // 将参数argv放到argv_String字符串中,然后打印出来
    // 之前start zygote传入的参数是 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    if (!LOG_NDEBUG) {
      String8 argv_String;
      for (int i = 0; i < argc; ++i) {
        argv_String.append("\"");
        argv_String.append(argv[i]);
        argv_String.append("\" ");
      }
      ALOGV("app_process main with argv: %s", argv_String.string());
    }
    
    // AppRuntime定义于app_main.cpp中,继承自AndroidRuntime
    // 就是对Android运行环境的一种抽象,类似于java虚拟机对Java程序的作用
    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
    // Process command line arguments
    // ignore argv[0]
    argc--;
    argv++;

    // 这两个参数是Java程序需要依赖的Jar包,相当于import
    const char* spaced_commands[] = { "-cp", "-classpath" };
    // Allow "spaced commands" to be succeeded by exactly 1 argument (regardless of -s).
    bool known_command = false;

    int i;
    // 找到解析参数的起点
    for (i = 0; i < argc; i++) {
        // 将spaced_commands中的参数额外加入VM
        if (known_command == true) {
          runtime.addOption(strdup(argv[i]));
          // The static analyzer gets upset that we don't ever free the above
          // string. Since the allocation is from main, leaking it doesn't seem
          // problematic. NOLINTNEXTLINE
          ALOGV("app_process main add known option '%s'", argv[i]);
          known_command = false;
          continue;
        }

        for (int j = 0;
             j < static_cast<int>(sizeof(spaced_commands) / sizeof(spaced_commands[0]));
             ++j) {
            // 比较参数是否是spaced_commands中的参数
          if (strcmp(argv[i], spaced_commands[j]) == 0) {
            known_command = true;
            ALOGV("app_process main found known command '%s'", argv[i]);
          }
        }

        // 如果参数第一个字符是'-',直接跳出循环,之前传入的第一个参数是 -Xzygote,所以执行到这儿就跳出了
        if (argv[i][0] != '-') {
            break;
        }
        if (argv[i][1] == '-' && argv[i][2] == 0) {
            ++i; // Skip --.
            break;
        }

        runtime.addOption(strdup(argv[i]));
        // The static analyzer gets upset that we don't ever free the above
        // string. Since the allocation is from main, leaking it doesn't seem
        // problematic. NOLINTNEXTLINE
        ALOGV("app_process main add option '%s'", argv[i]);
    }

    // Parse runtime arguments.  Stop at first unrecognized option.
    // 从这里其实可以看出,通过app_main可以启动zygote、system-server及普通apk进程
    // 这个可以通过init.rc来配置
    bool zygote = false;
    bool startSystemServer = false;
    bool application = false;
    String8 niceName;                              // app_process的名称改为zygote
    String8 className;                             // 启动apk进程时,对应的类名

    ++i;  // Skip unused "parent dir" argument.
    // 跳过一个参数,之前跳过了-Xzygote,这里继续跳过 /system/bin ,也就是所谓的 "parent dir"
    while (i < argc) {                             // 开始解析输入参数
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {        // 表示是zygote启动模式
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;           // 这个值根据平台可能是zygote64或zygote
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
            startSystemServer = true;              // init.zygote.rc中定义了该字段,启动zygote后会启动system-server
        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
            application = true;                    // 表示是application启动模式,也就是普通应用程序
        } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
            niceName.setTo(arg + 12);              // 进程别名,可以自己指定进程名
        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
            className.setTo(arg);                  // 与--application配置,启动指定的类,application启动的class
            break;
        } else {
            --i;
            break;
        }
    }

    // 准备参数
    Vector<String8> args;
    if (!className.isEmpty()) {                    // className不为空,说明是application启动模式
        // We're not in zygote mode, the only argument we need to pass
        // to RuntimeInit is the application argument.
        //
        // The Remainder of args get passed to startup class main(). Make
        // copies of them before we overwrite them with the process name.
        args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
        runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);    // 将className和参数设置给runtime

        ... ...
        
    } else {                                       // zygote启动模式
        // We're in zygote mode.
        maybeCreateDalvikCache();                  // 创建Dalvik的缓存目录并定义权限

        if (startSystemServer) {                   // 增加start-system-server参数,默认启动zygote后,就会启动system_server
            args.add(String8("start-system-server"));
        }

        char prop[PROP_VALUE_MAX];                 // 获取平台对应的abi信息
        if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) {
            LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: Unable to determine ABI list from property %s.",
                ABI_LIST_PROPERTY);
            return 11;
        }

        String8 abiFlag("--abi-list=");            // 参数需要制定abi
        abiFlag.append(prop);
        args.add(abiFlag);                         // 加入--abi-list=参数

        // In zygote mode, pass all remaining arguments to the zygote
        // main() method.
        for (; i < argc; ++i) {
            args.add(String8(argv[i]));            // 将剩下的参数加入args
        }
    }

    if (!niceName.isEmpty()) {                     // 将app_process的进程名,替换为niceName
        runtime.setArgv0(niceName.string(), true /* setProcName */);
    }

    if (zygote) {                                  // 调用Runtime的start函数, 启动ZygoteInit
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {                        // 启动zygote没有进入这个分支
        // 但这个分支说明,通过配置init.rc文件,其实是可以不通过zygote来启动一个进程
        // 如果是application启动模式,则加载RuntimeInit
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        // error情况
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
    }
}

AndroidRuntime

由于AppRuntime继承自AndroidRuntime,且没有重写start方法,因此zygote的流程进入到了AndroidRuntime.cpp。

接下来,我们来看看AndroidRuntime的start函数的流程。

创建Java虚拟机

/*
 * Start the Android runtime.  This involves starting the virtual machine
 * and calling the "static void main(String[] args)" method in the class
 * named by "className".
 *
 * Passes the main function two arguments, the class name and the specified
 * options string.
 */
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    ... ...                                   // 打印一些日志,获取ANDROID_ROOT环境变量

    /* start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);                // 初始化JNI,加载libart.so
    JNIEnv* env;
    // 创建虚拟机,其中大多数参数由系统属性决定
    // 最终,startVm利用JNI_CreateJavaVM创建出虚拟机
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }
    // 回调AppRuntime的onVmCreated函数
    // 对于zygote进程的启动流程而言,无实际操作,表示虚拟创建完成,但是里面是空实现
    onVmCreated(env);

    ... ...
}

这边我们跟一下jni_invocation.Init():libnativehelper/JniInvocation.cpp

Init函数主要作用是初始化JNI,具体工作是首先通过dlopen加载libart.so获得其句柄,然后调用dlsym从libart.so中找到JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs、JNI_CreateJavaVM、JNI_GetCreatedJavaVMs三个函数地址,赋值给对应成员属性,这三个函数会在后续虚拟机创建中调用。

bool JniInvocation::Init(const char* library) {
#ifdef __ANDROID__
  char buffer[PROP_VALUE_MAX];
#else
  char* buffer = NULL;
#endif
  library = GetLibrary(library, buffer);              // 默认返回 libart.so
  // Load with RTLD_NODELETE in order to ensure that libart.so is not unmapped when it is closed.
  // This is due to the fact that it is possible that some threads might have yet to finish
  // exiting even after JNI_DeleteJavaVM returns, which can lead to segfaults if the library is
  // unloaded.
  const int kDlopenFlags = RTLD_NOW | RTLD_NODELETE;
  
  /*
   * 1.dlopen功能是以指定模式打开指定的动态链接库文件,并返回一个句柄
   * 2.RTLD_NOW表示需要在dlopen返回前,解析出所有未定义符号,如果解析不出来,在dlopen会返回NULL
   * 3.RTLD_NODELETE表示在dlclose()期间不卸载库,并且在以后使用dlopen()重新加载库时不初始化库中的静态变量
   */
  handle_ = dlopen(library, kDlopenFlags);            // 获取libart.so的句柄
  if (handle_ == NULL) {                              // 获取失败打印错误日志并尝试再次打开libart.so
    if (strcmp(library, kLibraryFallback) == 0) {
      // Nothing else to try.
      ALOGE("Failed to dlopen %s: %s", library, dlerror());
      return false;
    }
    // Note that this is enough to get something like the zygote
    // running, we can't property_set here to fix this for the future
    // because we are root and not the system user. See
    // RuntimeInit.commonInit for where we fix up the property to
    // avoid future fallbacks. http://b/11463182
    ALOGW("Falling back from %s to %s after dlopen error: %s",
          library, kLibraryFallback, dlerror());
    library = kLibraryFallback;
    handle_ = dlopen(library, kDlopenFlags);
    if (handle_ == NULL) {
      ALOGE("Failed to dlopen %s: %s", library, dlerror());
      return false;
    }
  }

  /*
   * 1.FindSymbol函数内部实际调用的是dlsym
   * 2.dlsym作用是根据 动态链接库 操作句柄(handle)与符号(symbol),返回符号对应的地址
   * 3.这里实际就是从libart.so中将JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs等对应的地址存入&JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_中
   */
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_),
                  "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs")) {
    return false;
  }
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_CreateJavaVM_),
                  "JNI_CreateJavaVM")) {
    return false;
  }
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetCreatedJavaVMs_),
                  "JNI_GetCreatedJavaVMs")) {
    return false;
  }
  return true;
}

其次,我们再跟一下startVm():

这个函数特别长,但是里面做的事情很单一,其实就是从各种系统属性中读取一些参数,然后通过addOption设置到AndroidRuntime的mOptions数组中存起来,另外就是调用之前从libart.so中找到JNI_CreateJavaVM函数,并将这些参数传入,由于本篇主要讲zygote启动流程,因此关于虚拟机的实现就不深入探究了。

int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
    JavaVMInitArgs initArgs;
    char propBuf[PROPERTY_VALUE_MAX];
    char stackTraceFileBuf[sizeof("-Xstacktracefile:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
    char jniOptsBuf[sizeof("-Xjniopts:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
    
    ... ...
    
    /* route exit() to our handler */
    addOption("exit", (void*) runtime_exit);                                    // 将参数放入mOptions数组中

    ... ...
    
    initArgs.version = JNI_VERSION_1_4;
    initArgs.options = mOptions.editArray();                                    // 将mOptions赋值给initArgs
    initArgs.nOptions = mOptions.size();
    initArgs.ignoreUnrecognized = JNI_FALSE;

    /*
     * Initialize the VM.
     *
     * The JavaVM* is essentially per-process, and the JNIEnv* is per-thread.
     * If this call succeeds, the VM is ready, and we can start issuing
     * JNI calls.
     */
    if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {                       // 调用libart.so的JNI_CreateJavaVM函数
        ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

注册JNI函数

我们回到AndroidRuntime的start函数。初始化JVM后,接下来就会调用startReg函数。

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    ... ...

    /* 01. 创建Java虚拟机*/
    
    /*
     * Register android functions.
     */
    if (startReg(env) < 0) {         // 注册JNI函数
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }
    ... ...
}

startReg首先是设置了Android创建线程的处理函数,然后创建了一个200容量的局部引用作用域,用于确保不会出现OutOfMemoryException,最后就是调用register_jni_procs进行JNI注册。

我们跟进startReg():

/*
 * Register android native functions with the VM.
 */
/*static*/ int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
    ATRACE_NAME("RegisterAndroidNatives");
    /*
     * This hook causes all future threads created in this process to be
     * attached to the JavaVM.  (This needs to go away in favor of JNI
     * Attach calls.)
     */
    
    // 定义Android创建线程的func:javaCreateThreadEtc,这个函数内部是通过Linux的clone来创建线程的
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);       

    ALOGV("--- registering native functions ---\n");

    /*
     * Every "register" function calls one or more things that return
     * a local reference (e.g. FindClass).  Because we haven't really
     * started the VM yet, they're all getting stored in the base frame
     * and never released.  Use Push/Pop to manage the storage.
     */
    env->PushLocalFrame(200);        // 创建一个200容量的局部引用作用域,这个局部引用其实就是局部变量

    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {       // 注册JNI函数
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    }

    env->PopLocalFrame(NULL);                                         // 释放局部引用作用域

    //createJavaThread("fubar", quickTest, (void*) "hello");

    return 0;
}

从上述代码可以看出,startReg函数中主要是通过register_jni_procs来注册JNI函数。其中,gRegJNI是一个全局数组,该数组的定义如下:

static const RegJNIRec gRegJNI[] = {                                  // 里面就是一堆的函数指针
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit),
    REG_JNI(register_android_os_SystemClock),
    REG_JNI(register_android_util_EventLog),
    REG_JNI(register_android_util_Log),
    ... ...
};

我们挑一个register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit,这实际上是自定义JNI函数并进行动态注册的标准写法,
内部是调用JNI的RegisterNatives,这样注册后,Java类ZygoteInit的native方法nativeZygoteInit就会调用com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit函数。

int register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env)
{
    const JNINativeMethod methods[] = {
        { "nativeZygoteInit", "()V",
            (void*) com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit },
    };
    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/ZygoteInit",
        methods, NELEM(methods));
}

REG_JNI对应的宏定义及RegJNIRec结构体的定义为:

#ifdef NDEBUG
    #define REG_JNI(name)      { name }
    struct RegJNIRec {
        int (*mProc)(JNIEnv*);
    };
#else
    #define REG_JNI(name)      { name, #name }
    struct RegJNIRec {
        int (*mProc)(JNIEnv*);
        const char* mName;
    };
#endif

根据宏定义可以看出,宏REG_JNI将得到函数名;定义RegJNIRec数组时,函数名被赋值给RegJNIRec结构体,于是每个函数名被强行转换为函数指针。
因此,register_jni_procs的参数就是一个函数指针数组,数组的大小和JNIEnv。

我们来跟进一下register_jni_procs函数:

static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        if (array[i].mProc(env) < 0) {              // 调用mProc
#ifndef NDEBUG
            ALOGD("----------!!! %s failed to load\n", array[i].mName);
#endif
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

结合前面的分析,容易知道register_jni_procs函数,实际上就是调用函数指针(mProc)对应的函数,以进行实际的JNI函数注册。

反射启动ZygoteInit

继续分析AndroidRuntime.cpp的start函数:

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    ... ...

    /* 01. 创建Java虚拟机*/
    /* 02. 注册JNI函数 */
    
    /*
     * Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
     * not return until the VM exits.
     */

    // 替换string为实际路径
    // 例如:将 "com.android.internal.os.ZygoteInit" 替换为 "com/android/internal/os/ZygoteInit"
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");

    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);                    // 找到class文件
    if (startClass == NULL) {
        ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
        /* keep going */
    } else {
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");                                     // 通过反射找到ZygoteInit的main函数
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
            /* keep going */
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);    // 调用ZygoteInit的main函数
            ... ...
        }
    }
    free(slashClassName);

    ALOGD("Shutting down VM\n");
    if (mJavaVM->DetachCurrentThread() != JNI_OK)                          // 退出当前线程
        ALOGW("Warning: unable to detach main thread\n");
    if (mJavaVM->DestroyJavaVM() != 0)                                     // 创建一个线程,该线程会等待所有子线程结束后关闭虚拟机
        ALOGW("Warning: VM did not shut down cleanly\n");
}

可以看到,在AndroidRuntime的最后,将通过反射调用ZygoteInit的main函数。至此,zygote进程进入了java世界

其实我们仔细想一想,就会觉得zygote的整个流程实际上是非常符合实际情况的。
    ✨✨ 在Android中,每个进程都运行在对应的虚拟机上,因此zygote首先就负责创建出虚拟机。
    ✨✨ 然后,为了反射调用java代码,必须有对应的JNI函数,于是zygote进行了JNI函数的注册。
    ✨✨ 当一切准备妥当后,zygote进程才进入到了java世界。

ZygoteInit

现在我们跟进ZygoteInit.java的main函数。

    public static void main(String argv[]) {
        //创建ZygoteServer对象
        ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();                             

        // Mark zygote start. This ensures that thread creation will throw
        // an error.
        // 调用native函数,确保当前没有其它线程在运行
        // 主要还是处于安全的考虑
        ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();

        // Zygote goes into its own process group.
        try {
            Os.setpgid(0, 0);
        } catch (ErrnoException ex) {
            throw new RuntimeException("Failed to setpgid(0,0)", ex);
        }

        final Runnable caller;
        try {
            ... ...
            RuntimeInit.enableDdms();

            boolean startSystemServer = false;
            String socketName = "zygote";
            String abiList = null;
            boolean enableLazyPreload = false;
            // 解析参数,得到上述变量的值
            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(ABI_LIST_ARG)) {
                    abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
                } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
                    socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
                } else {
                    throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
                }
            }

            if (abiList == null) {
                throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
            }

            zygoteServer.registerServerSocket(socketName);        // 注册server socket
            // In some configurations, we avoid preloading resources and classes eagerly.
            // In such cases, we will preload things prior to our first fork.
            if (!enableLazyPreload) {
                ... ...
                preload(bootTimingsTraceLog);                     // 默认情况,预加载信息
                ... ...
            } else {
            // 如注释,延迟预加载
            // 变更Zygote进程优先级为NORMAL级别
            // 第一次fork时才会preload
                Zygote.resetNicePriority();
            }

            // Do an initial gc to clean up after startup
            bootTimingsTraceLog.traceBegin("PostZygoteInitGC");
            gcAndFinalize();                                      // 如果预加载了,很有必要GC一波
            bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // PostZygoteInitGC

            ... ...

            // Zygote process unmounts root storage spaces.
            Zygote.nativeUnmountStorageOnInit();

            // Set seccomp policy
            // 加载seccomp的过滤规则
            // 所有 Android 软件都使用系统调用(简称为 syscall)与 Linux 内核进行通信
            // 内核提供许多特定于设备和SOC的系统调用,让用户空间进程(包括应用)可以直接与内核进行交互
            // 不过,其中许多系统调用Android未予使用或未予正式支持
            // 通过seccomp,Android可使应用软件无法访问未使用的内核系统调用
            // 由于应用无法访问这些系统调用,因此,它们不会被潜在的有害应用利用
            // 该过滤器安装到zygote进程中,由于所有Android应用均衍生自该进程
            // 因而会影响到所有应用
            Seccomp.setPolicy();

            /// M: Added for BOOTPROF
            addBootEvent("Zygote:Preload End");
            /// @}
            ZygoteHooks.stopZygoteNoThreadCreation();             // 允许有其它线程了

            if (startSystemServer) {
                Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);    // fork出system server

                // {@code r == null} in the parent (zygote) process, and {@code r != null} in the
                // child (system_server) process.
                if (r != null) {
                    r.run();
                    return;
                }
            }

            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);         // zygote进程进入无限循环,处理请求
        } catch (Throwable ex) {
            ... ...
        } finally {
            zygoteServer.closeServerSocket();
        }

        // We're in the child process and have exited the select loop. Proceed to execute the
        // command.
        if (caller != null) {
            caller.run();
        }
    }

上面是ZygoteInit的main函数的主干部分,除了安全相关的内容外,最主要的工作就是注册server socket、预加载、启动system server及进入无限循环处理请求消息。

接下来我们分四部分分别讨论!

创建server socket

Android O将server socket相关的工作抽象到ZygoteServer.java中了。我们来看看其中的registerZygoteSocket函数:

    /**
     * Registers a server socket for zygote command connections
     *
     * @throws RuntimeException when open fails
     */
    void registerServerSocket(String socketName) {
        if (mServerSocket == null) {
            int fileDesc;
            // ANDROID_SOCKET_PREFIX为"ANDROID_SOCKET_"
            // 此处的socket name,就是zygote
            final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
            try {
                // 还记得么?在init.zygote.rc被加载时,指定了名为zygote的socket
                // 在进程被创建时,就会创建对应的文件描述符,并加入到环境变量中
                // 因此,此时可以取出对应的环境变量
                String env = System.getenv(fullSocketName);
                fileDesc = Integer.parseInt(env);
            } catch (RuntimeException ex) {
                throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex);
            }

            try {
                FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
                fd.setInt$(fileDesc);                           // 获取zygote socket的文件描述符
                mServerSocket = new LocalServerSocket(fd);      // 将socket包装成一个server socket
            } catch (IOException ex) {
                throw new RuntimeException(
                        "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
            }
        }
    }

我们跟踪LocalServerSocket():

    public LocalServerSocket(String name) throws IOException
    {
        impl = new LocalSocketImpl();

        impl.create(LocalSocket.SOCKET_STREAM);                 // 创建SOCKET_STREAM类型的AF_UNIX socket

        localAddress = new LocalSocketAddress(name);
        impl.bind(localAddress);                                // 绑定到指定地址

        impl.listen(LISTEN_BACKLOG);                            // 开始监听
    }

预加载

我们看看预加载的内容:

    static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
        ... ...
        
        beginIcuCachePinning();                                       // Pin ICU Data, 获取字符集转换资源等
        
        ... ...    
        
        preloadClasses();                                             // 读取文件system/etc/preloaded-classes,然后通过反射加载对应的类
                                                                      // 一般由厂商来定义,有时需要加载数千个类,启动慢的原因之一
        ... ...
        
        preloadResources();                                           // 负责加载一些常用的系统资源

        ... ...
        nativePreloadAppProcessHALs();

        ... ...
        
        preloadOpenGL();                                              // 图形相关

        ... ...
        
        preloadSharedLibraries();                                     // 一些必要库
        preloadTextResources();                                       // 语言相关的字符信息
        // Ask the WebViewFactory to do any initialization that must run in the zygote process,
        // for memory sharing purposes.
        WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
        endIcuCachePinning();
        warmUpJcaProviders();                                         // 安全相关的
        Log.d(TAG, "end preload");

        sPreloadComplete = true;
    }

为了让系统实际运行时更加流畅,在zygote启动时候,调用preload函数进行了一些预加载操作。Android 通过zygote fork的方式创建子进程。zygote进程预加载这些类和资源,在fork子进程时,仅需要做一个复制即可。
这样可以节约子进程的启动时间。同时,根据fork的copy-on-write机制可知,有些类如果不做改变,甚至都不用复制,子进程可以和父进程共享这部分数据,从而省去不少内存的占用。

启动SystemServer进程

再来看看启动System Server的流程:

    /**
     * Prepare the arguments and forks for the system server process.
     *
     * Returns an {@code Runnable} that provides an entrypoint into system_server code in the
     * child process, and {@code null} in the parent.
     */
    private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,
            ZygoteServer zygoteServer) {
        long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(
            OsConstants.CAP_IPC_LOCK,
            OsConstants.CAP_KILL,
            OsConstants.CAP_NET_ADMIN,
            OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,
            OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,
            OsConstants.CAP_NET_RAW,
            OsConstants.CAP_SYS_MODULE,
            OsConstants.CAP_SYS_NICE,
            OsConstants.CAP_SYS_PTRACE,
            OsConstants.CAP_SYS_TIME,
            OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG,
            OsConstants.CAP_WAKE_ALARM
        );
        /* Containers run without this capability, so avoid setting it in that case */
        if (!SystemProperties.getBoolean(PROPERTY_RUNNING_IN_CONTAINER, false)) {
            capabilities |= posixCapabilitiesAsBits(OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND);
        }
        /* Hardcoded command line to start the system server */
        String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--nice-name=system_server",
            "--runtime-args",
            "com.android.server.SystemServer",
        };
        ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

        int pid;

        try {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);            // 将上面准备的参数,按照ZygoteConnection的风格进行封装
            ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
            ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

            /* Request to fork the system server process */
            pid = Zygote.forkSystemServer(                                // 通过fork"分裂"出system_server
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

        /* For child process */
        if (pid == 0) {
            // 处理32_64和64_32的情况
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }

            // fork时会copy socket,system server需要主动关闭
            zygoteServer.closeServerSocket();
            // system server进程处理自己的工作
            return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return null;
    }

处理请求信息

创建出SystemServer进程后,zygote进程调用ZygoteServer中的函数runSelectLoop,处理server socket收到的命令。

    /**
     * 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.
     */
    Runnable runSelectLoop(String abiList) {
        ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
        ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();

        // 首先将server socket加入到fds
        fds.add(mServerSocket.getFileDescriptor());
        peers.add(null);

        while (true) {
            // 每次循环,都重新创建需要监听的pollFds
            StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
            for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
                pollFds[i] = new StructPollfd();
                pollFds[i].fd = fds.get(i);
                // 关注事件到来
                pollFds[i].events = (short) POLLIN;                
            }
            try {
                // 等待事件到来
                Os.poll(pollFds, -1);
            } catch (ErrnoException ex) {
                throw new RuntimeException("poll failed", ex);
            }
            
            // 注意这里是倒序的,即优先处理已建立链接的信息,后处理新建链接的请求
            for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
                if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                    continue;
                }

                // server socket最先加入fds, 因此这里是server socket收到数据
                if (i == 0) {
                    // 收到新的建立通信的请求,建立通信连接
                    ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                    // 加入到peers和fds, 即下一次也开始监听
                    peers.add(newPeer);
                    fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
                } else {
                    //其它通信连接收到数据
                    ... ...
                }
            }
        }
    }

从上面代码可知,初始时fds中仅有server socket,因此当有数据到来时,将执行i等于0的分支。此时,显然是需要创建新的通信连接,因此acceptCommandPeer将被调用。

我们看看acceptCommandPeer函数:

    /**
     * Waits for and accepts a single command connection. Throws
     * RuntimeException on failure.
     */
    private ZygoteConnection acceptCommandPeer(String abiList) {
        try {
            // socket编程中,accept()调用主要用在基于连接的套接字类型,比如SOCK_STREAM和SOCK_SEQPACKET
            // 它提取出所监听套接字的等待连接队列中第一个连接请求,创建一个新的套接字,并返回指向该套接字的文件描述符
            // 新建立的套接字不在监听状态,原来所监听的套接字的状态也不受accept()调用的影响
            return createNewConnection(mServerSocket.accept(), abiList);
        } catch (IOException ex) {
            throw new RuntimeException(
                    "IOException during accept()", ex);
        }
    }

    protected ZygoteConnection createNewConnection(LocalSocket socket, String abiList)
            throws IOException {
        return new ZygoteConnection(socket, abiList);
    }

从上面的代码,可以看出acceptCommandPeer调用了server socket的accpet函数。于是当新的连接建立时,zygote将会创建出一个新的socket与其通信,并将该socket加入到fds中。因此,一旦通信连接建立后,fds中将会包含有多个socket。

当poll监听到这一组sockets上有数据到来时,就会从阻塞中恢复。于是,我们需要判断到底是哪个socket收到了数据。

在runSelectLoop中采用倒序的方式轮询。由于server socket第一个被加入到fds,因此最后轮询到的socket才需要处理新建连接的操作;其它socket收到数据时,仅需要调用zygoteConnection的runonce函数执行数据对应的操作。若一个连接处理完所有对应消息后,该连接对应的socket和连接等将被移除。

完结

Zygote启动流程到此结束,Zygote进程共做了如下几件事:
       🔨 1. 创建AppRuntime并调用其start方法,启动Zygote进程。
       🔨 2. 创建JavaVM并为JavaVM注册JNI.
       🔨 3. 通过JNI调用ZygoteInit的main函数进入Zygote的Java框架层。
       🔨 4. 通过registerZygoteSocket函数创建服务端Socket,预加载类和资源,并通过runSelectLoop函数等待如ActivityManagerService等的请求。
       🔨 5. 启动SystemServer进程。

参考Blog

                  01. https://blog.csdn.net/tfygg/article/details/52086621
                  02. https://www.jianshu.com/p/cbc6b84aee08
                  03. https://www.jianshu.com/p/ab9b83a77af6

posted @ 2018-08-10 09:15 Pepsimaxin 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏