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android源碼分析—Zygote和SystemServer啟動

RyanHoo / 1243人閱讀

摘要：注此次分析以源碼為例。孵化器受精卵名字是受精卵，其實就是幫助或其他進程啟動的一個玩意兒。啟動系統服務是系統的大核心之一，和一并重要，專管所有的系統服務。每個進程都走這一步這個分支到此先不往下跟蹤了，和啟動的過程關系不大了。

注：此次分析以6.0源碼為例。

android系統是從linux改過來的，因此這里從init進程開始進行分析。

init初始化過程

讓我們進入init.cpp來看看，首先看main:
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/system/core/init/init.cpp

int main(int argc, char** argv) {
    // 判斷是否是啟動的第一階段，根據參數來判斷
    bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);
    
    if (is_first_stage) {
        // 如果是第一階段
        mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");    // 掛載tmpfs文件系統(快速的臨時文件系統，建立在內存上，不可持久)
        mkdir("/dev/pts", 0755);
        mkdir("/dev/socket", 0755);
        mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL); // 掛載devpts文件系統
        mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);    // 掛載proc文件系統
        mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);   // 掛載sysfs文件系統(設備結構)
    }
    
    ......
    
    if (!is_first_stage) {
        // Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.
        close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));


        property_init();    // 初始化屬性域 system/core/init/Property_service.cpp

        // If arguments are passed both on the command line and in DT,
        // properties set in DT always have priority over the command-line ones.
        process_kernel_dt();
        process_kernel_cmdline();

        // Propogate the kernel variables to internal variables
        // used by init as well as the current required properties.
        export_kernel_boot_props();
    }
    
    ......
    
    if (is_first_stage) {
        if (restorecon("/init") == -1) {
            ERROR("restorecon failed: %s
", strerror(errno));
            security_failure();
        }
        
        // 重入main，進入第二階段
        char* path = argv[0];
        char* args[] = { path, const_cast("--second-stage"), nullptr };
        if (execv(path, args) == -1) {
            ERROR("execv("%s") failed: %s
", path, strerror(errno));
            security_failure();
        }
    }
    
    ......
    
    epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);    // 創建epoll
    ......
    signal_handler_init();  // 初始化子進程處理器，防止僵尸進程。這里使用信號來監控子進程退出
    ......
    start_property_service();   // 啟動屬性服務
    init_parse_config_file("/init.rc"); // 解析init.rc文件
    ......
    // 不斷監聽執行上面rc解析出來的指令
    while (true) {
        if (!waiting_for_exec) {
            execute_one_command();  // 執行指令
            restart_processes();
        }

        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;
        }

        bootchart_sample(&timeout);

        epoll_event ev;
        int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
        if (nr == -1) {
            ERROR("epoll_wait failed: %s
", strerror(errno));
        } else if (nr == 1) {
            ((void (*)()) ev.data.ptr)();
        }
    }
}

整個init階段分為2個階段，第一階段主要是掛載文件系統等工作，然后這里會有個重入main的動作，這次重入后開始執行第二階段，第二階段主要處理各種屬性域，epoll，啟動屬性服務，防止僵尸進程等瑣碎的事情。然后開始執行init.rc中配置的指令。下面看看這個rc文件：

/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/system/core/rootdir/init.rc

import /init.environ.rc
import /init.usb.rc
import /init.${ro.hardware}.rc
import /init.usb.configfs.rc
import /init.${ro.zygote}.rc
import /init.trace.rc

可以看到這里引用了/init.${ro.zygote}.rc，對應的是類似init.zygote64.rc這些文件：

service zygote /system/bin/app_process64 -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
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

這里實際執行的是app_main.cpp的main:
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

    // 根據參數設置類名
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
            startSystemServer = true;
        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
            application = true;
        } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
            niceName.setTo(arg + 12);
        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
            className.setTo(arg);
            break;
        } else {
            --i;
            break;
        }
    }
    ......
    if (zygote) {
        // 這里執行到ZygoteInit類中
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.
");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
        return 10;
    }

根據參數判斷，如果是zygote則在后面執行runtime.start，給定的參數是ZygoteInit這個類。
runtime實際執行的是AndroidRuntime.cpp中的代碼：
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/jni

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector& options, bool zygote)
    ......
    jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in "%s"
", className);
            /* keep going */
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

#if 0
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);
#endif
        }
        ......
}

實際執行的就是env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);這句話，調用的就是ZygoteInit.java中的main。至此，從init進入到Zygote中了。

Zygote孵化器（受精卵）

zygote名字是受精卵，其實就是幫助app或其他進程啟動的一個玩意兒。內部就是走的fork分裂出一個進程來。

/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    try {
        ......
        for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
            if ("start-system-server".equals(argv[i])) {    // 這里傳遞的就是這個
                startSystemServer = 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]);
            }
        }
        ......
        registerZygoteSocket(socketName);   // 注冊并啟動socket服務端，為zygote
        ......
        if (startSystemServer) {
            startSystemServer(abiList, socketName); // 啟動systemserver
        }
        ......
        runSelectLoop(abiList); // 進入looper，等待啟動app的請求
    } 
    // 注意這里，是個關鍵點。異常發生的時候調用了MethodAndArgsCaller這個runnable的run
    catch (MethodAndArgsCaller caller) {      
        caller.run();
    }
    
}

基本就這些了，總結一下：
1.zygote使用本地socket進行通訊，并接受請求從而進行分裂的處理；
2.啟動systemserver這個大戶；
3.zygote永不退出，生命周期在系統啟動一直到結束，并且從runSelectLoop開始徹底成為孵化器服務進程；
4.一旦發生MethodAndArgsCaller caller異常，調用MethodAndArgsCaller的call處理，后面我們會說到這個；

按照順序，我們首先來看看startSystemServer。

1. startSystemServer啟動系統服務

SystemServer是系統的2大核心之一，和Zygote一并重要，專管所有的系統服務。需要多帶帶開篇來闡述。這里我們只說啟動的過程。

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
            throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
    ......
    // fork SystemServer進程
    pid = Zygote.forkSystemServer(
        parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
        parsedArgs.gids,
        parsedArgs.debugFlags,
        null,
        parsedArgs.permittedCapabilities,
        parsedArgs.effectiveCapabilities);
    ......
    // 如果是子進程，就是SystemServer本身，執行
    if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }

        // 如果是子進程，即systemserver，調用handleSystemServerProcess進行后面的收尾工作
        handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }  
}

好吧，我們繼續看handleSystemServerProcess：

private static void handleSystemServerProcess(
            ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
......
RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
......
                
}

其實重要的就這一句話調用。繼續往下跟蹤：
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java

public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    ......
    // 常規初始化,設置跟蹤，設置網絡代理
    commonInit();
    // AndroidRuntime.cpp c層函數
    nativeZygoteInit();
    // 應用程序初始化
    applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
                
}

基本上就是上面這3個調用最重要，我們依次看下：
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    gCurRuntime->onZygoteInit();
}

看到了吧，回到了app_main.cpp AppRuntime的onZygoteInit中：

virtual void onZygoteInit()
{
    sp proc = ProcessState::self();
    ALOGV("App process: starting thread pool.
");
    // 啟動線程池，用于與binder通訊。每個進程都走這一步
    proc->startThreadPool();
}

這個分支到此先不往下跟蹤了，和啟動的過程關系不大了。
下面我們回到RuntimeInit.java看下applicationInit：

private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
        // 設置關閉引用程序是是否調用AppRuntime.onExit()，默認調用
        nativeSetExitWithoutCleanup(true);

        ......

        // 傳遞參數，并調用類的main方法
        invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
    }

關鍵方法是invokeStaticMain，執行類的main方法，這個類在前面的startSystemServer里面有參數傳遞，具體是這樣的：

String args[] = {
            "--setuid=1000",
            "--setgid=1000",
            "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--nice-name=system_server",
            "--runtime-args",
            "com.android.server.SystemServer",
        };

所以這個類就是SystemServer，調用的就是他的main方法。
下面看看invokeStaticMain內部：

private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
    throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    Class cl;

    // 通過反射獲取類名
    try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing class when invoking static main " + className,
                ex);
    }

    // 獲取該類的main方法
    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
    } catch (NoSuchMethodException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing static main on " + className, ex);
    } catch (SecurityException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Problem getting static main on " + className, ex);
    }

    int modifiers = m.getModifiers();
    if (! (Modifier.isStatic(modifiers) && Modifier.isPublic(modifiers))) {
        throw new RuntimeException(
                "Main method is not public and static on " + className);
    }

    /*
     * This throw gets caught in ZygoteInit.main(), which responds
     * by invoking the exception"s run() method. This arrangement
     * clears up all the stack frames that were required in setting
     * up the process.
     */
     // 拋出異常
    throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

看到這里一定會奇怪，為何在此處拋出一個異常：throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);，這里我們需要往前回溯看看，到底在哪里捕獲的異常。結果是發現在ZygoteInit.java的main中進行的捕獲：

try {
    ......
    if (startSystemServer) {
        startSystemServer(abiList, socketName);
    }
    ......
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
     caller.run();
}

調用的起始也是從這里開始的，好吧，我們看看捕獲到異常之后做了什么。調用了caller.run()。拋出異常的時候已經new了一個throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);這個對象了，并且參數給出的就是SystemServer類的main方法，那么繼續看ZygoteInit.MethodAndArgsCaller：

    public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
            implements Runnable {
        /** method to call */
        private final Method mMethod;

        /** argument array */
        private final String[] mArgs;

        public MethodAndArgsCaller(Method method, String[] args) {
            mMethod = method;
            mArgs = args;
        }

        public void run() {
            try {
                mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
            } catch (IllegalAccessException ex) {
                throw new RuntimeException(ex);
            } catch (InvocationTargetException ex) {
                Throwable cause = ex.getCause();
                if (cause instanceof RuntimeException) {
                    throw (RuntimeException) cause;
                } else if (cause instanceof Error) {
                    throw (Error) cause;
                }
                throw new RuntimeException(ex);
            }
        }
    }

run方法就是調用了一下這個方法，也就是調用了SystemServer的main方法，直接跳到main方法執行了。但是為何這么做呢？這里有個疑問。其實仔細想想也挺有意思。這一串調用從startSystemServer開始執行了比較深了，每次執行函數方法的時候都會伴隨著出現局部變量，那么就會直接開辟在棧上，之后的SystemServer又是個常駐不退出的進程，那么棧上面的這些空間也就意味著并不會釋放，而啟動過程只會執行一次，后面沒用了，這些東西沒有清理就一直存在。這里直接拋出異常后，在startSystemServer這個最初的位置捕獲，會導致異常發生后直接跳到捕獲的地方，之前所有的棧全部被清空。這下子明白了吧。google很聰明的利用了異常的做法回溯了棧，釋放不用的內存。真是非常聰明！

至此本文結束。

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