Android Framework启动流程浅析
2019-11-06 本文已影响0人
北斗星_And
前言
对于Android开发，干上几年后，都要进阶，或者直接转行了。如果你还在干Android，想要进阶 对Framework的了解是必不可少的过程，下面就开始进入今天的主题吧。
我们知道，对于任何程序语言而言，入口一般都是main函数。
那Android的程序入口在哪呢？ 他的main函数是怎么启动起来的呢？
可能熟悉Android的同学，知道一个应用程序的入口在ActivityThread中，那有个问题，ActivityThread中的main函数是何时被谁被调用的呢？
将从本文中找到以上答案，如果已经熟悉了此过程的同学，可以在温习一下。
Android架构
Android 平台的基础是 Linux 内核。Android Runtime (ART/Dalvik) 依靠 Linux 内核来执行底层功能，例如线程和低层内存管理等。
而在Android Runtime之上就是我们经常接触的Java API Framework层， 如下图是Android的系统架构图
image
今天的主题不是此架构图的各个部分解释，而是离应用层更近的Framework层启动过程分析。
Android Framework概述
如果我们这里抛开Android架构图，那狭义的Framewrok主要包含那些内容呢？
按我的理解，可以分为三个部分 服务端，客户端，和依赖Linux底层能力的驱动部分。
服务端
主要是ActivityManagerService（AMS）， WindowManagerService（WMS），PackageM anerService（PMS）
- AMS 主要用于管理所有应用程序的Activity
- WMS 管理各个窗口，隐藏，显示等
- PMS 用来管理跟踪所有应用APK，安装，解析，控制权限等.
还有用来处理触摸消息的两个类KeyInputQueue和InputDispatchThread，一个用来读消息，一个用来分发消息.
客户端
主要包括ActivityThread，Activity，DecodeView及父类View，PhoneWindow，ViewRootImpl及内部类W等
- ActivityThread主要用来和AMS通讯的客户端，Activity是我们编写应用比较熟悉的类
- 后面几个类的介绍，可以参考我的另一篇博客 Android 绘制原理浅析【干货】
依赖Linux底层能力的驱动
主要是SurfaceFlingger（SF）和Binder驱动
- 每一个窗口都对应一个Surface，SF驱动的作用就是把每一个Surface显示到同一个屏幕上
- Binder 内核驱动的作用，就是为上面的服务端和客户端(或者服务端和服务端之间)，提供IPC通讯用的。
Zygote
系统中运行的第一个Dalvik虚拟机程序叫做zygote，该名称的意义是“一个卵”，，因为接下来的所有 Dalvik虚拟机进程都是通过这个“卵” 孵化出来的。
zygote进程中包含两个主要模块，分别如下：
- Socket服务端。该 Socket服务端用于接收启动新的Dalvik进程的命令。
- Framework共享类及共享资源。当zygote进程启动后，会装载一些共享的类及资源，其中共享类是在preload-classes文件中被定义，共享资源是在preload-resources中被定义。因为zygote进程用于孵化出其他Dalvik进程，因此，这些类和资源装载后，新的Dalvik进程就不需要再装载这些类和资源了，这也就是所谓的共享。
zygote进程对应的具体程序是app_rocess,该程序存在于system/bin目录下，启动该程序的指令是
在 init.rc中进行配置的。
Zygote 有️两个优秀的特点
- 每fork出的一个进程都是一个Dalvik虚拟机，独立的进程可以防止一个程序的崩溃导致所有程序都崩溃，这种虚拟机类似Java虚拟机，对于程序员来说，可以直接使用Java开发应用
- zygote进程预先会装载共享类和共享资源，这些类及资源实际上就是SDK中定义的大部分类和资源。因此，当通过zygote孵化出新的进程后，新的APK进程只需要去装载A PK 自身包含的类和资源即可，这就有效地解决了多个APK共享Framework资源的问题。
SystemServer
zygote孵化出的第一个Dalvik进程叫做SystemServer，SystemServer仅仅是该进程的别名，而该进程具体对应的程序依然是app_process，因为SystemServer是从app_process中孵化出来的。
SystemServer中创建了一个Socket客户端，并有AmS负责管理该客户端，之后所有的Dalvik进程都将通过该Socket客户端间接被启动。当需要启动新的APK进程时，AmS中会通过该Socket客户端向 zygote进程的Socket服务端发送一个启动命令，然 后 zygote会孵化出新的进程。 上面提到的服务端，AMS，PMS，WMS等都是在SystemServer中启动的.
Android Framework 源头
操作系统的一般启动流程，分为三个步骤
- 开机通电后，加载bootloader程序
- 操作系统内核初始化
- 执行第一个应用程序
Android 系统是基于Linux 内核Kernel，前面Linux bootloader这里不做介绍，直接介绍操作系统内核初始化，在这个时候，它会加载init.rc文件.
init.rc文件
在Android根目录下面，可以直接找到init.rc
generic_x86:/ # ls
acct bin cache config data dev init init.rc init.usb.rc lost+found mnt oem product sdcard sys ueventd.rc
adb_keys bugreports charger d default.prop etc init.environ.rc init.usb.configfs.rc init.zygote32.rc metadata odm proc sbin storage system vendor
打开init.rc
generic_x86:/ # cat init.rc
# ..... 省略其他
# Now we can start zygote for devices with file based encryption
trigger zygote-start
# 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
# A/B update verifier that marks a successful boot.
exec_start update_verifier_nonencrypted
start netd
start zygote
start zygote_secondary
on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
stop surfaceflinger
# 启动SF
start surfaceflinger
# ..... 省略其他 media(媒体) network（网络）等启动
也就是在 init.rc时，启动Android 内核。
app_process
Android 内核也是main方法开始，他的main方法在 frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp下
int main(int argc, char* const argv[])
{
...
//初始化AndroidRuntime
AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
bool zygote = false;
bool startSystemServer = false;
bool application = false;
String8 niceName;
String8 className;
// 根据参数具体判断启动那个服务
++i; // Skip unused "parent dir" argument.
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 (!className.isEmpty()) {
args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);
}else{
....
//启动SystemServer
if (startSystemServer) {
args.add(String8("start-system-server"));
}
}
....
if (zygote) {
//启动Zygote
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.\n");
app_usage();
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
}
}
在这个Main方法中，先初始化了AppRuntime，他的父类是AndroidRuntime。然后我们看到了启动了Java类ZygoteInit。
那c++代码里怎么启动Java类呢，我们继续看 start方法
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
...
//启动Java虚拟机
if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote, primary_zygote) != 0) {
return;
}
...
//找到Java 里面的Main方法
jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
if (startMeth == NULL) {
ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
/* keep going */
} else {
//执行Main方法
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
}
....
}
可以看到最后先创建了Java虚拟机，调用了Java的main方法，是不是感觉有些熟悉感了。
ZygoteInit
上面介绍到，会启动Java的ZygoteInit类，那他里面干了些什么呢？ 我们来看一下关键代码，还是从Main方法开始
//ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();
//创建socket
zygoteServer.createZygoteSocket(socketName);
Zygote.createBlastulaSocket(blastulaSocketName);
if (!enableLazyPreload) {
bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
SystemClock.uptimeMillis());
//预加载系统资源
preload(bootTimingsTraceLog);
EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
SystemClock.uptimeMillis());
bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
} else {
Zygote.resetNicePriority();
}
//fork SystemServer进程
if (startSystemServer) {
Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
// child (system_server) process.
if (r != null) {
r.run();
return;
}
}
//等待Socket的接入
if (caller == null) {
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);
}
注释写了大概Zygote 启动里面的初始化内容
- 创建Socket
- 加载系统资源
- 启动SystemServer
- runSelectLoop 等待socket接入，开始执行fork新的进程.
SystemServer
下面继续看SystemServer 启动的过程，从Main方法开始
//SystemServer.java
/**
* The main entry point from zygote.
*/
public static void main(String[] args) {
new SystemServer().run();
}
很简单，创建一个自己的对象，并执行run方法,看一下run方法
private void run() {
...
if (System.currentTimeMillis() < EARLIEST_SUPPORTED_TIME) {
Slog.w(TAG, "System clock is before 1970; setting to 1970.");
SystemClock.setCurrentTimeMillis(EARLIEST_SUPPORTED_TIME);
}
VMRuntime.getRuntime().clearGrowthLimit();
// The system server has to run all of the time, so it needs to be
// as efficient as possible with its memory usage.
VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.8f);
android.os.Process.setThreadPriority(
android.os.Process.THREAD_PRIORITY_FOREGROUND);
android.os.Process.setCanSelfBackground(false);
Looper.prepareMainLooper();
// Create the system service manager.
mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
mSystemServiceManager.setStartInfo(mRuntimeRestart,
mRuntimeStartElapsedTime, mRuntimeStartUptime);
LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);
try {
traceBeginAndSlog("StartServices");
startBootstrapServices();
startCoreServices();
startOtherServices();
SystemServerInitThreadPool.shutdown();
} catch (Throwable ex) {
Slog.e("System", "******************************************");
Slog.e("System", "************ Failure starting system services", ex);
throw ex;
} finally {
traceEnd();
}
Looper.loop();
throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}
run方法里面主要进行了设置手机时间，设置虚拟机内存大小，创建消息循环Looper,创建SystemServiceManager等，最主要的是启动了各类服务，我们接着看一下startBootstrapServices ，startCoreServices，startOtherServices方法
private void startBootstrapServices() {
Installer installer = mSystemServiceManager.startService(Installer.class);
mSystemServiceManager.startService(DeviceIdentifiersPolicyService.class);
mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(
ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();
mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
mActivityManagerService.setInstaller(installer);
....
}
private void startCoreServices() {
...
mSystemServiceManager.startService(BatteryService.class);
...
}
private void startOtherServices() {
final Context context = mSystemContext;
VibratorService vibrator = null;
DynamicAndroidService dynamicAndroid = null;
IStorageManager storageManager = null;
NetworkManagementService networkManagement = null;
IpSecService ipSecService = null;
NetworkStatsService networkStats = null;
NetworkPolicyManagerService networkPolicy = null;
ConnectivityService connectivity = null;
NsdService serviceDiscovery= null;
WindowManagerService wm = null;
SerialService serial = null;
NetworkTimeUpdateService networkTimeUpdater = null;
InputManagerService inputManager = null;
TelephonyRegistry telephonyRegistry = null;
ConsumerIrService consumerIr = null;
MmsServiceBroker mmsService = null;
HardwarePropertiesManagerService hardwarePropertiesService = null;
....
}
在这些方法中启动了，我们的核心服务，和常用服务。 代码中也可以看到AMS，PMS，WMS等相关服务.
Launcher启动介绍
一般服务启动完成后，就会想继调用systemReady()方法。
在SysytemServer startOtherServices中看到一个监听回调
mActivityManagerService.systemReady(() -> {
try {
startSystemUi(context, windowManagerF);
} catch (Throwable e) {
reportWtf("starting System UI", e);
}
}
}
static final void startSystemUi(Context context, WindowManagerService windowManager) {
Intent intent = new Intent();
intent.setComponent(new ComponentName("com.android.systemui",
"com.android.systemui.SystemUIService"));
intent.addFlags(Intent.FLAG_DEBUG_TRIAGED_MISSING);
//Slog.d(TAG, "Starting service: " + intent);
context.startServiceAsUser(intent, UserHandle.SYSTEM);
windowManager.onSystemUiStarted();
}
而Ams启动完成后，显示Launcher
//AMS.java
public void systemReady(final Runnable goingCallback, TimingsTraceLog traceLog) {
...
startHomeActivityLocked(currentUserId, "systemReady");
//
mStackSupervisor.resumeFocusedStackTopActivityLocked();
...
}
其实到这里大致流程就介绍完了，但是文章开始的ActivityThread的main方法是何时被调用的，还没回答，这里不详细展开，简略回答一些.
ActivityThread的main方法如何被调用的？
AMS是管理Activity的启动结束等，查看AMS代码，当当前启动的APP没有创建进程时，会最终调用到ZygoteProcess，然后向 Zygote发送一个socket请求。
resumeTopActivityLocked -> startProcessLocked -> Process.start() -> ZygoteProcess.start() -> ZygoteProcess.startViaZygote() —> ZygoteProcess.zygoteSendArgsAndGetResult()
接下来，看一下大致代码
//AMS.java
private final boolean startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
String hostingNameStr, boolean disableHiddenApiChecks, String abiOverride) {
//这里entryPoint为ActivityThread
final String entryPoint = "android.app.ActivityThread";
return startProcessLocked(hostingType, hostingNameStr, entryPoint, app, uid, gids,
runtimeFlags, mountExternal, seInfo, requiredAbi, instructionSet, invokeWith,
startTime);
}
//ZygoteProcess.java
private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass,... ){
ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();
argsForZygote.add("--runtime-args");
argsForZygote.add("--setuid=" + uid);
argsForZygote.add("--setgid=" + gid);
argsForZygote.add("--runtime-flags=" + runtimeFlags);
argsForZygote.add("--target-sdk-version=" + targetSdkVersion);
if (startChildZygote) {
argsForZygote.add("--start-child-zygote");
}
argsForZygote.add(processClass);
synchronized(mLock) {
return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi),
useBlastulaPool,
argsForZygote);
}
}
//发起Socket请求，给Zygote
private static Process.ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult(
ArrayList<String> args,..){
blastulaSessionSocket = zygoteState.getBlastulaSessionSocket();
final BufferedWriter blastulaWriter = new BufferedWriter(
new OutputStreamWriter(blastulaSessionSocket.getOutputStream()),
Zygote.SOCKET_BUFFER_SIZE);
final DataInputStream blastulaReader =
new DataInputStream(blastulaSessionSocket.getInputStream());
blastulaWriter.write(msgStr);
blastulaWriter.flush();
...
}
最终 Zygote收到请求调用ZygoteInit中zygoteinit方法
//ZygoteInit.java
public static final Runnable zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
ClassLoader classLoader) {
if (RuntimeInit.DEBUG) {
Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
}
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
RuntimeInit.redirectLogStreams();
RuntimeInit.commonInit();
ZygoteInit.nativeZygoteInit();
return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}
在 RuntimeInit中findStaticMain，最后在ZygoteInit中执行最终返回的这个Runnable,达到调用main方法的目的.
protected static Runnable applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
ClassLoader classLoader) {
nativeSetExitWithoutCleanup(true);
VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);
final Arguments args = new Arguments(argv);
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}
protected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
ClassLoader classLoader) {
..
m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
return new MethodAndArgsCaller(m, argv);
}
总结
如果你都看到这了，希望帮忙点个赞，谢谢啦。
因为本人水平有限，各路大佬如看到文中有错误，欢迎指出，在此表示感谢。
推荐阅读
参考书籍
《Android 内核剖析》 柯元旦
