Android漫游記(6)---APP啟動之旅（I）

Android基於Linux2.6+內核，我們看一張圖，以對Android系統的架構有個感性的認識。

我們從Kernel層簡單說明：

1、Kernel層：基於Linux2.6+內核，同時做了一些嵌入式環境做了一些針對性的優化調整。

2、Libraries層：包括Bionic C庫，以及HAL（硬件驅動接口抽象）等API。

3、Android Runtime（ART）層：包含核心應用庫和Dalvik虛擬機。

4、Application FramewZ喎?/kf/ware/vc/" target="_blank" class="keylink">vcmuy46O6tL9KQVZBtcRBUEm/8rzco6yw/MCoQWN0aXZpdHkgTWFuYWdlcrrNV2luZG93cyBNYW5hZ2VytcihozwvcD4KPHA+ICAgIDWhokFwcGxpY2F0aW9usuOjurnLw/vLvNLlo6zTptPDsuOjrMjn1KTXsLXEtee7sKGitszQxaOs087Pt0FQULXIoaM8L3A+CjxwPiAgICA8L3A+CjxwPiAgICDPwsPmo6zO0sPHytfPyL+0z8LSu7j2teTQzbXEQW5kcm9pZM+1zbNBUFC9+LPM07PP8aO6PC9wPgo8cD7D/MHu0NDK5MjrUFOjrLLpv7S1scewvfizzMHQse2jujwvcD4KPHA+PGltZyBzcmM9"/uploadfile/Collfiles/20140716/2014071608491840.png" alt="\">

我們看看紅圈標注的進程，其中10002為PID，137為父進程ID。

可以看到進程號137的進程即為神秘的“zygote”進程，而zygote的父進程為init進程。init進程為Android一切進程的祖先進程，而zygote則為APP應用的祖先進程。

至此，我們對Android的應用啟動的初始過程有了一個大致的認識，下面，我們結合AOSP（Android Open Source Project）來做更深入的分析。

Android開源代碼庫：點擊打開鏈接

首先我們從app_main.cpp開始（點擊打開鏈接），這個就是/system/bin/app_process的C++源碼，也就是所有APP的父進程。我們直接對照源碼進程閱讀，我添加了注釋：

int main(int argc, char* const argv[])
{
    if (prctl(PR_SET_NO_NEW_PRIVS, 1, 0, 0, 0) < 0) {
        // Older kernels don't understand PR_SET_NO_NEW_PRIVS and return
        // EINVAL. Don't die on such kernels.
        if (errno != EINVAL) {
            LOG_ALWAYS_FATAL("PR_SET_NO_NEW_PRIVS failed: %s", strerror(errno));
            return 12;
        }
    }

    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
    // Process command line arguments
    // ignore argv[0]
    argc--;
    argv++;

    // Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vm.
    //
    // The first argument after the VM args is the "parent dir", which
    // is currently unused.
    //
    // After the parent dir, we expect one or more the following internal
    // arguments :
    //
    // --zygote : Start in zygote mode
    // --start-system-server : Start the system server.
    // --application : Start in application (stand alone, non zygote) mode.
    // --nice-name : The nice name for this process.
    //
    // For non zygote starts, these arguments will be followed by
    // the main class name. All remaining arguments are passed to
    // the main method of this class.
    //
    // For zygote starts, all remaining arguments are passed to the zygote.
    // main function.


    int i = runtime.addVmArguments(argc, argv);

    // Parse runtime arguments.  Stop at first unrecognized option.
    bool zygote = false;
    bool startSystemServer = false;
    bool application = false;
    const char* niceName = NULL;
    String8 className;

    ++i;  // Skip unused "parent dir" argument.
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
		/*******************
		啟動參數包含--zygote
		niceName即進程名，在ARM32下，ZYGOTE_NICE_NAME = zygote（ARM64則為zygote64）
		*******************/
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        }
        /*******************
		啟動參數包含--start-system-server
		置startSystemServer為true，以同時啟動system-server
		*******************/		
		else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
            startSystemServer = true;
        }
        /*******************
		啟動參數包含--application
		置application為true，傳遞參數給dalvik
		*******************/		
		else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
            application = true;
        } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
            niceName = arg + 12;
        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
            className.setTo(arg);
            break;
        } else {
            --i;
            break;
        }
    }

    Vector args;
    if (!className.isEmpty()) {
        // 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.
		/*******************
		非Zygote模式處理
		*******************/	
        args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
        runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);
    } else {
        // We're in zygote mode.
		/*******************
		Zygote模式啟動處理
		*******************/	
        maybeCreateDalvikCache();

        if (startSystemServer) {
            args.add(String8("start-system-server"));
        }

        char prop[PROP_VALUE_MAX];
        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=");
        abiFlag.append(prop);
        args.add(abiFlag);

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

    if (niceName && *niceName) {
        runtime.setArgv0(niceName);
        set_process_name(niceName);
    }

    if (zygote) {
	    /*******************
		Zygote Init，Dalvik啟動
	    *******************/	
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
        return 10;
    }
}

上面代碼的幾個關鍵地方，我都做了注釋，我們看下Android根目錄下的init.rc這個初始化腳本，可以找到如下的行：

其作用就是初始化zygote進程。

zygote啟動過程可以大致描述如下：執行app_process，並修改進程名為zygote，同時根據傳入的start-system-server參數，啟動system-server服務，同時初始化dalvik虛擬機。我們看看AndroidRuntime這個類的源碼（點擊打開鏈接），其中start函數的作用有兩個，一是啟動dalvik VM，一是執行com.android.internal.os.ZygoteInit的main函數，並傳遞相關參數，實現zygote初始化工作。

我們再看看com.android.internal.os.ZygoteInit這個JAVA類的源碼（點擊打開鏈接），看看究竟都做了什麼。

public static void main(String argv[]) {
        try {
            // Start profiling the zygote initialization.
            SamplingProfilerIntegration.start();

            boolean startSystemServer = false;
            String socketName = "zygote";
            String abiList = null;
            for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
                if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
				/*准備啟動system_server*/
                    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)) {
				/*Zygote監聽的socketname，默認為/dev/socket/zygote   */
                    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.");
            }

			/**注冊socket*/
            registerZygoteSocket(socketName);
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                SystemClock.uptimeMillis());
            preload();
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                SystemClock.uptimeMillis());

            // Finish profiling the zygote initialization.
            SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();

            // Do an initial gc to clean up after startup
            gc();

            // Disable tracing so that forked processes do not inherit stale tracing tags from
            // Zygote.
            Trace.setTracingEnabled(false);

            if (startSystemServer) {
                startSystemServer(abiList, socketName);
            }

            Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
            runSelectLoop(abiList);

            closeServerSocket();
        } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
            caller.run();
        } catch (RuntimeException ex) {
            Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
            closeServerSocket();
            throw ex;
        }
    }

ZygoteInit完成實際的system_server啟動，同時初始化Zygote的socket監聽（/dev/socket/zygote這個偽設備文件），至此終於完成了APP啟動的所有准備工作，注意，這只是准備工作，真正的啟動過程如下圖：

1、Launcher（Android的“發射進程”，你能看到的桌面，應用列表等都是Launcher的內容）進程監聽到應用啟動事件，如你點擊了APP圖標；

2、通過Binder（Android跨進程通信框架IPC），跨進程通知Activity Manager服務來啟動Activity。ActivityManager調用Zygote.forkAndSpecialize來fork一個新的APP子進程並返回PID，然後調用APP的啟動Activity的OnStart和OnCreate方法，完成啟動！

我們看看Fork這個函數(點擊打開鏈接)：Fork的作用是“克隆”一個和當前進程結構一致的全新子進程（當然，並不是完整的照搬）！這是Android的一個聰明的做法，依據Linux的COW（Copy On Write）理論，新生成的進程會“共享”父進程的所有庫鏈接信息，同時會加載自己應有特定的一些LIB，例如Bionic libc庫是所有APP共享的，由於它是只讀的，因此所有的APP共享一份“物理存儲”的LIBC庫，而不是每個APP一份拷貝。

我們看看Zygote進程的內存maps片段：

/system/lib下面的這些C庫被所有APP進程共享，雖然在不同的APP進程中可能位於不同的虛擬地址，但“共享”一份物理存儲！其他的APP啟動後的內存映像都是從這個zygote完整“拷貝”過來的！

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