【系统之音】Android进程的创建及启动简述

       Android系统中的进程(这里不包括init等底层的进程)都是通过Zygote fork而来的,那这些进程的启动流程都是怎样的呢?

       这里将Android进程分为两个部分:

    (1)系统框架进程SystemServer进程。它是Zygote创建的第一个进程,是在系统启动过程中,Zygote进程启动时直接fork而来的。

    (2)应用程序进程。比如Launcher、SystemUI,其它应用程序等的进程。这些应用程序进程的启动大致包含两个步骤:

            1)AMS向Zygote进程发送创建进程的请求;

            2)Zygote接受请求,创建并启动应用程序进程。

        本文将围绕上述几点,基于Android P(API28)的源码,来梳理Android进程的创建与启动过程。内容的主要对象是应用开发者,所以力求简洁和完整,内容大体如下:

 

1、Zygote进程启动简述

       在理解这一部分前,建议先阅读【系统之音】Android系统启动篇

       系统在启动时,会启动一个名为“init”的系统进程,然后该进程会创建并启动Zygote进程。创建和启动Zygote进程的过程,先后从Nativie层跨入Java层,在Native层会创建虚拟机实例(即ART实例),然后通过JNI的方式调用ZygoteInit类的main方法。Native层的代码咱们不深究,这里看看main方法:

 1 //(代码1.1)=========ZygoteInit.java=====
 2 public static void main(String argv[]) {
 3       ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
 4       ......
 5       String socketName = "zygote";
 6       ......
 7       //创建一个名为“zygote”的Server端Socket,在后续会一直监听AMS发起的创建新进程的请求。
 8       zygoteServer.registerServerSocketFromEnv(socketName);
 9       ......
10       //①通过fork方式创建SystemServer进程并启动
11       if (startSystemServer) {
12                 Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);//fork创建SystemServer进程
13                 ......
14                 if (r != null) {
15                     r.run();//启动SystemServer进程
16                     return;
17                 }
18             }
19        //②该方法中使用了一个while(true)的无限循环来实现一直监听AMS的请求
20        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
21        ......
22        //③这里是会执行子进程(应用程序进程)的ActivityThread的main方法,后文会讲到
23        if (caller != null) {
24             caller.run();
25         }
26 }

我抽取了关键的代码,主要是关注Zygote启动期间所做的主要工作,这里先给出结论(有必要牢记于心):

    (1)创建虚拟机实例;

    (2)创建一个名为“zygote”的Server端Socket,用于后续监听AMS的请求;

    (3)通过fork的方式创建SystemServer进程并启动它,该过程会启动各种系统服务,AMS就是在这个阶段启动的;

    (4)在runSelectLoop方法中通过一个while(true)无限循环来实现对AMS的监听;

    (5)启动非SystemServer进程。

 

2、Zygote创建与启动SystemServer

       实际上SystemServer是Zygote创建出的第一个进程,我们从代码1.1中的注释②处的forkSystemServer方法来深入了解:

 1 //代码2.1==========ZygoteInit.java=======
 2 private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,ZygoteServer zygoteServer) {
 3       ......
 4       int pid;
 5       ......
 6       //fork的过程发生在Native层
 7       pid = Zygote.forkSystemServer(...);
 8       ......
 9       //④pid为0表示子进程(即SystemServer进程)创建成功,逻辑进入到子进程中。下面的逻辑会启动SystemServer进程
10       if (pid == 0) {
11             ......
12             return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
13        }
14 }
15 
16 public static int forkSystemServer(...){
17       ......
18       int pid = nativeForkSystemServer(...);
19       ......
20 }
21 
22 native private static int nativeForkSystemServer(...)

可见,forkSystemServer进程是发生在Native层的,接着继续从注释④处看看SystemServer进程的启动:

 1 //代码2.2 =========ZygoteInit.java========
 2 private static Runnable handleSystemServerProcess(...){
 3       ......
 4       return ZygoteInit.zygoteInit(...);
 5 }
 6 
 7 public static final Runnable zygoteInit(...) {
 8        ......
 9        //该处用于创建Binder线程池,此后SystemServer进程就可以使用Binder来实现IPC了。该过程也是在Native层实现,Binder在ServiceManager中进行注册。
10         ZygoteInit.nativeZygoteInit();
11         return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
12     }
13 
14 private static final native void nativeZygoteInit();
15 
16 //==========RuntimeInit.java=======
17 protected static Runnable applicationInit(...){
18       ......
19       //通过上下文可以得知这里的args.startClass值为“com.android.server.SystemServer”
20       return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
21 }
22 
23 /**
24  * Invokes a static "main(argv[]) method on class "className".
25  * ......
26  */
27 protected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
28         ClassLoader classLoader) {
29     Class<?> cl;
30     try {
31         cl = Class.forName(className, true, classLoader);
32     } catch (ClassNotFoundException ex) {
33         throw new RuntimeException(
34                 "Missing class when invoking static main " + className,
35                 ex);
36     }
37     Method m;
38     try {
39         m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
40     } catch (NoSuchMethodException ex) {
41         throw new RuntimeException(
42                 "Missing static main on " + className, ex);
43     } catch (SecurityException ex) {
44         throw new RuntimeException(
45                 "Problem getting static main on " + className, ex);
46     }
47     int modifiers = m.getModifiers();
48     if (! (Modifier.isStatic(modifiers) && Modifier.isPublic(modifiers))) {
49         throw new RuntimeException(
50                 "Main method is not public and static on " + className);
51     }
52     ...... //毫无疑问,这里的m就是SystemServer类的main方法了
53     return new MethodAndArgsCaller(m, argv);
54 }
55 
56 static class MethodAndArgsCaller implements Runnable {
57     /** method to call */
58     private final Method mMethod;
59     /** argument array */
60     private final String[] mArgs;
61     public MethodAndArgsCaller(Method method, String[] args) {
62         mMethod = method;
63         mArgs = args;
64     }
65     public void run() {
66         try {
67             mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
68         }
69         ......
70     }
71 }

       一步步跟进时,我们会发现该过程中主线都是返回的Runnable类型的对象,回到代码1.1的注释②处的第12行,这里的 r 就是MethodAndArgsCaller对象,第13行r.run()执行,就是调用的上述代码第67行,跟踪上下文可知这里就是执行的SystemServer.main方法。紧接着第14行是return,Zygote就完成了创建和启动SystemServer进程。此时你是否会有疑问:这里就return了,那后面监听AMS请求和启动非SystemServer进程的逻辑又如何实现呢?这里我们需要理解“fork”,后面我们会详细介绍。

        这里进一步看看SystemServer进程中都做了些什么:

 1 //=========SystemServer.java===========
 2 public static void main(String[] args) {
 3     new SystemServer().run();
 4 }
 5 private void run() {
 6     ......
 7     //创建消息Looper
 8     Looper.prepareMainLooper();
 9     // 加载动态库libandroid_servers.so,初始化native服务
10     System.loadLibrary("android_servers");
11     ......
12     //初始化系统context
13     createSystemContext();
14     //创建SystemServiceManager
15     mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
16     ......
17     //启动引导服务,如AMS等
18     startBootstrapServices();
19     //启动核心服务
20     startCoreServices();
21     //启动其它服务,如WMS,SystemUI等
22     startOtherServices();
23     ....
24     // Loop forever.
25     Looper.loop();
26 }

到这里Zygote就创建并启动了SystemServe进程,总结一下这个过程中主要做了些什么工作:

    (1)通过fork得到一个虚拟机实例副本;

    (2)创建Binder线程池,SystemServer可以通过Binder来实现IPC(跨进程通信);

    (3)启动系统服务,比如AMS,WMS等;

    (4)创建消息循环,Looper.loop()中是一个无限循环,SystemServer将持续运行。

 

3、fork简介

       在前文中提到了使用fork的方式来创建进程,也提到了一个疑问:

       “此时你是否会有疑问:这里就return了,那后面监听AMS请求和启动非SystemServer进程的逻辑又如何实现呢?”

       这里先看看百度百科的介绍:

    “复刻(英语:fork,又译作派生、分支)是UNIX或类UNIX中的分叉函数,fork函数将运行着的程序分成2个(几乎)完全一样的进程,
每个进程都启动一个从代码的同一位置开始执行的线程。这两个进程中的线程继续执行,就像是两个用户同时启动了该应用程序的两个副本。 fork系统调用用于创建一个新进程,称为子进程,它与进程(称为系统调用fork的进程)同时运行,此进程称为父进程。创建新的子进程后,
两个进程将执行fork()系统调用之后的下一条指令。子进程使用相同的pc(程序计数器),相同的CPU寄存器,在父进程中使用的相同打开文件。”

       所以,在代码1.1中forkSystemServer时,Zygote进程会分化为两个一模一样的进程来,其中一个是父进程,另外一个是子进程,它是主进程的副本。当SystemServer fork成功后其流程就进入到了子进程中,即代码1.1中的第15、16行是在子进程中执行的。而与此同时,父进程还会继续往下执行,不断监听AMS的请求以及启动新的进程。

       要更好地理解fork后Zygote进程和子进程的工作,可以参考阅读:https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/11023098.html

 

4、Zygote监听AMS的请求

        在代码1.1中注释②处,会通过调用runSelectLoop方法来监听AMS的请求,我们看看该方法的实现:

 1 //代码4.1======ZygoteServer.java======
 2 Runnable runSelectLoop(String abiList) {
 3       ......
 4       ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
 5       ......
 6       while (true) {
 7            ......
 8            //⑤当监听到AMS请求的数据时会执行这里
 9            ZygoteConnection connection = peers.get(i);
10            final Runnable command = connection.processOneCommand(this);
11            ......
12            return command;
13       }
14 }

这其中包含了一个while(true)的无限循环,以此来一直监听AMS的请求,直到注释⑤处监听到了AMS的请求,fork出新的子进程(应用程序进程),随后在子进程中return,结束监听。和fork SystemServer一样,父进程Zygote仍然继续监听着,继续相应AMS新的请求,fork出新的子进程。

 

5、AMS向Zygote进程发起创建进程的请求

       要启动一个程序时,系统首先会判断该程序所在的进程是否存在,如果不存在就需要先创建并启动目标程序对应的进程。这一点在四大组件组件启动流程的源码中都有体现,当发现目标进程还不存在时,AMS都会向Zygote进程申请创建目标进程。这个过程分为两步:(1)AMS向Zygote进程发起创建进程的请求;(2)Zygote收到请求,创建并启动进程。这一节我们先看看第(1)步:

 1 //==============ActivityManagerService.java============
 2 private final boolean startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
 3             String hostingNameStr, boolean disableHiddenApiChecks, String abiOverride) {
 4        ......
 5        final String entryPoint = "android.app.ActivityThread";
 6        return startProcessLocked(hostingType, hostingNameStr, entryPoint...);
 7 }
 8 private boolean startProcessLocked(...String entryPoint...) {
 9        ......
10        final ProcessStartResult startResult = startProcess(...entryPoint...);
11  }
12  private ProcessStartResult startProcess(...String entryPoint...){
13        ......
14        final ProcessStartResult startResult;
15        ......
16        startResult = Process.start(entryPoint,
17                          app.processName, uid, uid, gids, runtimeFlags, mountExternal,
18                          app.info.targetSdkVersion, seInfo, requiredAbi, instructionSet,
19                          app.info.dataDir, invokeWith,
20                          new String[] {PROC_START_SEQ_IDENT + app.startSeq});
21        ......
22  }
23  //================Process.java==============
24  public static final ZygoteProcess zygoteProcess = new ZygoteProcess(ZYGOTE_SOCKET, SECONDARY_ZYGOTE_SOCKET);
25  public static final ProcessStartResult start(final String processClass,...) {
26           return zygoteProcess.start(processClass, ...);
27  }
28  //==============ZygoteProcess.java==========
29   public final Process.ProcessStartResult start(final String processClass...) {
30          try {
31              return startViaZygote(processClass...);
32          }......
33     }
34  private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass...){       
35        argsForZygote.add(processClass);
36        ......
37        return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
38  }
39  private ZygoteState primaryZygoteState;
40  ......
41  private ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedEx {
42        ......
43        //追踪代码,容易得知mSocket值为"zygote",这里的作用是连接名为“zygote”的Socket
44        primaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSocket);
45        ......
46  }

        从上述代码可以看出,该过程的逻辑其实挺简单,通过层层调用后走到第50行。这一行的作用就是和名为“zygote”的Socket服务端建立连接,这样就向Zygote进程发起了请求。这里的ZygoteState类中的

 

6、Zygote收到AMS的请求,创建并启动进程

       在代码4.1中,我们讲过,其中while(true)循环一直监听AMS的请求,直到收到请求。

 1 //===========ZygoteConnection.java=======
 2 Runnable processOneCommand(ZygoteServer zygoteServer) {
 3       ......
 4       //⑥fork方式创建应用程序进程
 5       pid = Zygote.forkAndSpecialize(...);
 6       ......
 7       //pid为0表示当前的代码逻辑运行在新创建的子进程(即应用程序进程)中
 8       if (pid == 0) {
 9                 // in child
10                  ......
11                  //处理应用程序进程
12                  return handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd,
13                          parsedArgs.startChildZygote);
14              } else {
15                  ......
16              }
17  }
18 
19  private Runnable handleChildProc(...){
20         ......
21         return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs,null /* classLoader */);
22  }
23  //=====ZygoteInit.java========
24  public static final Runnable zygoteInit(...) {
25        ......
26        //创建Binder线程池,此后新的子进程就能够使用Binder进行IPC了
27        ZygoteInit.nativeZygoteInit();
28        return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
29  }
30 
31 //============Zygote.java==========(补充注释⑥处)
32 public static int forkAndSpecialize(...) {
33     ........
34     int pid = nativeForkAndSpecialize(...);
35     ......
36     return pid;
37 }
38 native private static int nativeForkAndSpecialize(...);

流程走到第26行就比较清晰了,和代码2.2中启动SystemServer进程一致了,只不过这里启动的是ActivityThread的main方法。

 1 //=======ActivityThread.java=====
 2 static volatile Handler sMainThreadHandler;
 3 
 4 public static void main(String[] args) {
 5       ......
 6       Looper.prepareMainLooper();
 7       ......
 8       ActivityThread thread = new ActivityThread();
 9       ......
10       if (sMainThreadHandler == null) {
11             sMainThreadHandler = thread.getHandler();
12        }
13       ......
14        Looper.loop();
15 }
16 
17 final Handler getHandler() {
18         return mH;
19     }
20 
21 final H mH = new H();
22 
23 class H extends Handler {
24       ......
25 }

       ActivityThread类是主线程的管理类,其main方法中会创建消息循环,其中Looper.loop()方法中通过无限循环的方式,保持主线程一直运行。同时还会创建主线程的H类,这是一个包含主线程looper的Handler,四大组件启动过程中都需要通过这个H类对象来从Binder线程中切换到主线程中。

       这里总结一下普通应用程序进程创建时的关键工作:

    (1)通过fork得到一个虚拟机实例副本;

    (2)创建Binder线程池,应用程序进程就可以通过Binder来实现IPC;

    (3)创建消息循环,创建主线程的H类。

 

7、疑问

    (1)为什么AMS(SystemServer进程)与Zygote进程通讯采用Socket而不是Binder?

       答:因为fork不允许存在多线程,而Binder通信偏偏就是多线程。(不知道该答案是否准确,目前还没找到权威答案)。

       可以参考:https://blog.csdn.net/qq_39037047/article/details/88066589

 

 参考及推荐阅读:

       https://www.cnblogs.com/andy-songwei/p/11429421.html

       https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/11023098.html

       https://www.jianshu.com/p/ab9b83a77af6

       https://blog.csdn.net/qq_39037047/article/details/88066589

       刘望舒《Android进阶解密》

posted @ 2020-09-16 09:50  宋者为王  阅读(103)  评论(0编辑  收藏