Android系统启动-Init进程
Android开机启动流程
如图1所示，是Android开机启动大致流程，其中流程大致为加载BootLoader -> 启动Linux系统内核-> 创建Init进程(native层-> framework -> app)。
图1 来自Gityuan.com
本文章将重点讲解Init进程的启动流程，其中Init进程的终点则是创建解析文件的子进程，并且守护这个子进程(进行重启)。先从整体在布局分析
图2 开机启动流程
Android开机启动Linux内核
如上面的图1所思，在Android开机时，先ROM加载程序预定的程序BootLoader,然后BootLoader会去检查RAM、初始化硬件参数等就会启动Linux内核。
当Linux Kernel内核启动后，就会初始化各种硬件环境、加载驱动程序等。当Linux内核加载完成后，就会启动用户空间的第一个进程Init进程。这里的Linux内核层称为内核空间，native层以上则称为用户空间。所以Init进程是所有用户进程的父进程。
Init进程的启动过程
本篇代码基于Android6.0源码分析(只要会一个版本，其他版本的基本也能看懂)，线上源码阅读地址：http://androidxref.com/, Init进程代码目录主要在:
/system/core/init/Init.cpp
/system/core/rootdir/init.rc
/system/core/init/init_parser.cpp
/system/core/init/builtins.cpp
/system/core/init/signal_handler.cpp
Init进程是用户进程的第一个进程，其pid = 1，其主要用来初始化和启动属性服务，创建子进程如Zygote进程等。在Linux内核加载完成后，第一件事就是创建Init进程，我们先看Init进程的创建后执行的第一个main()函数
/system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char**argv) {
if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
return ueventd_main(argc, argv);
}
if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
return watchdogd_main(argc, argv);
}
//清理umask
umask(0);
if (is_first_stage) {
// 创建和挂载启动所需的文件目录
mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
mkdir("/dev/pts", 0755);
mkdir("/dev/socket", 0755);
mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
}
// 初始化Kernel的Log,可以获取Kernel的Log
klog_init();
if (!is_first_stage) {
// 1.对属性服务进行初始化，分配空间
property_init();
}
// 2. 处理异常退出的子进程，会把子进程的信号全部清除，并重启该子进程定义的重启服务
signal_handler_init();
// 3. 启动属性服务
start_property_service();
// 4. 解析init.rc配置文件
init_parse_config_file("/init.rc");
while (true) {
if (!waiting_for_exec) {
execute_one_command();
// 5. 重启死去的子进程
restart_processes();
}
}
return 0;
}
在main()函数通过精简代码中，首先创建和挂载所需要的文件目录，这些都是系统运行时的目录。然后则是我们重点分析的场景：
- 注释1中调用property_init进行属性服务的初始化，在注释3中调用start_property_service来启动属性服务。
- 在注释2中通过signal_handler_init进行子进程的信号处理；
- 在注释4中解析init.rc的配置脚本文件，在这个脚本文件中说明了要创建启动什么进程；
- 在注释5中，restart_processes则循环查看重启守护子进程。
1. 子进程异常处理
调用signal_handler_init进行子进程信号量的处理，子进程在暂停或退出时会发出一个终止的SIGCHLD信号，而signal_handler_init函数则对这个信号进行监听，并对这个子进程的信息进行删除重置，并执行子进程在脚本文件的配置的onrestart的服务。
signal_handler_init函数的实现主要在：/system/core/init/signal_handler.cpp
void signal_handler_init() {
int s[ 2];
// 创建 socket pair
if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC, 0, s) == -
ERROR("socketpair failed: %s\n", strerror(errno));
exit(1);
}
signal_write_fd = s[0];
signal_read_fd = s[1];
//如果捕获到SIGCHLD信号则写入signal_write_fd
struct sigaction act;
memset( & act, 0, sizeof(act));
act.sa_handler = SIGCHLD_handler;
// SA_NOCLDSTOP事Init进程在子进程终止时才捕获SIGCHLD
act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;
sigaction(SIGCHLD, & act, 0);
// 判断并对终止的进程做处理
reap_any_outstanding_children();
// 注册signal_read_fd状态进行回调执行handle_signal函数，handle_signal本质还是执行上面的reap_any_outstanding_children()方法
register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);
}
/system/core/init/init.cpp
void register_epoll_handler(int fd, void (*fn)())
{
epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.ptr = reinterpret_cast < void*>(fn);
// 将fd的可读事件加入到epoll_fd的监听队列中，并回调相应函数
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, & ev) ==-1){
ERROR("epoll_ctl failed: %s\n", strerror(errno));
}
}
接下来，我们看看handle_signal回调函数，对于发出终止信号的子进程怎么处理？
static void handle_signal() {
// Clear outstanding requests.
// 把signal_read_fd写入buf
char buf[ 32];
read(signal_read_fd, buf, sizeof(buf));
// 重点执行此函数
reap_any_outstanding_children();
}
static void reap_any_outstanding_children() {
// 通过wait_for_one_process()函数，遍历寻找终止的子进程
while (wait_for_one_process()) {
}
}
// 查看是否为退出进程，如果是则移除属性，并启动配置文件的onrestart的服务。
static bool wait_for_one_process() {
int status;
// 根据pid判断是否为退出进程，没退出则pid=0
pid_t pid = TEMP_FAILURE_RETRY(waitpid(-1, & status, WNOHANG));
if (pid == 0) {
return false;
} else if (pid == -1) {
ERROR("waitpid failed: %s\n", strerror(errno));
return false;
}
// 执行到这里说明是退出进程
// 根据pid找到相应的service配置脚本文件
service * svc = service_find_by_pid(pid);
std::string name;
// 如果没有配置文件则直接退出
if (!svc) {
return true;
}
//当flags为RESTART，且不是ONESHOT时，先kill进程组内所有的子进程或子线程
if (!(svc -> flags & SVC_ONESHOT) || (svc -> flags & SVC_RESTART)) {
NOTICE("Service '%s' (pid %d) killing any children in process group\n", svc -> name, pi
kill(-pid, SIGKILL);
}
//移除当前服务svc中的所有创建过的socket
for (socketinfo * si = svc -> sockets; si; si = si -> next) {
char tmp[ 128];
snprintf(tmp, sizeof(tmp), ANDROID_SOCKET_DIR"/%s", si -> name);
unlink(tmp);
}
//当flags为EXEC时，释放相应的服务
if (svc -> flags & SVC_EXEC) {
INFO("SVC_EXEC pid %d finished...\n", svc -> pid);
waiting_for_exec = false;
list_remove( & svc -> slist);
free(svc -> name);
free(svc);
return true;
}
//执行serive配置文件的onrestart启动相应的服务
struct listnode*node;
list_for_each(node, & svc -> onrestart.commands){
command * cmd = node_to_item(node, struct command, clist);
cmd -> func(cmd -> nargs, cmd -> args);
}
svc -> NotifyStateChange("restarting");
return true;
}
signal_handler_init对子进程的信号处理就完成了，可以就是对终止子进程的进行注册回调，并移除相关的属性，并启动revice文件的onrestart的配置服务。
2. 解析Init.rc
init.rc是非常重要的配置文件，位于/system/core/rootdir/目录中。它是由Android初始化语言编写的脚本，Android初始化语言的学习可以参考这篇文章，Android的初始化语言大致分为：： Action、Command、Service、Option、Import五种类型，但Init.rc主要分为import的导入、service启动服务、on命令。
// import导入
import /init.environ.rc
import /init.usb.rc
...
on early-init
write /proc/1/oom_score_adj -1000
restorecon /adb_keys
start ueventd
...
on nonencrypted
class_start main // 启动classname为mian的服务
class_start late_start
...
service servicemanager /system/bin/servicemanager
class core
user system
group system
critical
onrestart restart healthd
onrestart restart zygote
onrestart restart media
onrestart restart surfaceflinger
onrestart restart drm
service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
service media /system/bin/mediaserver
service installd /system/bin/installd
在on中有class_start main其意思是启动classname为mian的服务，在Init进程中会启动一个很重要的Zygote子进程，接下来分析一些Zygote服务脚本的定义，Zygote的service服务脚本并不在Init.rc中，而是自己定义了独自的Zygote服务脚本文件，位于/system/core/rootdir/init.zygote64.rc
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
这里的脚本是启动一个名叫zygote的进程，并且执行的路径是/system/bin/app_process64，后面则是参数。class main：是这个进程的classname叫做main，onrestart是在上面的子进程信号处理时会进行重启的进程。所以在Init.rc文件中会启动zygote进程。
在Init.rc文件中，除了启动zygote进程之外，还会启动一些如servicemanager、surfaceflinger 、media、installd等重要的进程。
那么这些进程创建的过程又是如何的呢？，请看下一节的启动解析的服务。
3. 启动解析的服务
在配置的脚本文件中通过class_start main去启动一个ClassName为main的服务，其中class_start中对应的启动函数为do_class_start,位于/system/core/init/builtins.cpp目录中。
int do_class_start(int nargs, char **args)
{
service_for_each_class(args[1], service_start_if_not_disabled);
return 0;
}
// 遍历寻找相同名字的classname，然后执行参数函数，也就是执行上面的service_start_if_not_disabled
void service_for_each_class(const char *classname,
void (*func)(struct service *svc))
{
struct listnode * node;
struct service * svc;
list_for_each(node, & service_list) {
svc = node_to_item(node, struct service, slist);
if (!strcmp(svc->classname, classname)) {
func(svc);
}
}
}
static void service_start_if_not_disabled(struct service *svc)
{
if (!(svc->flags & SVC_DISABLED)) {
// 只要没有设置 disabled 选项 就执行此函数创建进程
service_start(svc, NULL);
} else { svc ->
flags | = SVC_DISABLED_START;
}
}
void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
{
...
// fork 创建了一个子进程
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 代表子进程，子进程会继承父进程的所有资源，可简单理解为读时共享写事复制
...
// 启动子进程
execve(svc->args[0], (char**) arg_ptrs, (char**) ENV);
}
}
所以通过配置的service的文件，通过fork()去创建一个子进程，并且子进程的pid=0，如果不是则是父进程。并调用execve()函数启动子进程。
4. 初始化和启动属性服务
属性服务类似一个注册表，填入到这个注册表的属性，在系统或软件重启时，还会对这个注册表的属性进行初始化的加载。
在init.cpp文件中main()函数，就通过这两个函数分别进行初始化和启动
property_init()
start_property_service()
property_init
void property_init()
{
if (property_area_initialized) {
return;
}
property_area_initialized = true;
if (__system_property_area_init()) {
return;
}
pa_workspace.size = 0;
pa_workspace.fd = open(PROP_FILENAME, O_RDONLY | O_NOFOLLOW | O_CLOEXEC);
if (pa_workspace.fd == -1) {
ERROR("Failed to open %s: %s\n", PROP_FILENAME, strerror(errno));
return;
}
}
property_init()函数主要做的事情就是通过__system_property_area_init方法进行内存的创建。
start_property_service
void start_property_service()
{
// 创建socket
property_set_fd =
create_socket(PROP_SERVICE_NAME, SOCK_STREAM | SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK,
0666, 0, 0, NULL);
if (property_set_fd == -1) {
ERROR("start_property_service socket creation failed: %s\n", strerror(errno));
exit(1);
}
listen(property_set_fd, 8);
// 对property_set_fd进行监听，并调用handle_property_set_fd回调函数
register_epoll_handler(property_set_fd, handle_property_set_fd);
}
5. 守护解析的服务
最后，通过while循环，当有子进程终止时，让让可以重新启动的子进程重新启动
while (true)
{
if (!waiting_for_exec) {
execute_one_command();
restart_processes();
}
}
static void restart_processes()
{
process_needs_restart = 0;
service_for_each_flags(
SVC_RESTARTING,
restart_service_if_needed
);
}
// 遍历寻找，并回调函数参数
void service_for_each_flags(unsigned matchflags,
void (*func)(struct service *svc))
{
struct listnode * node;
struct service * svc;
list_for_each(node, & service_list) {
svc = node_to_item(node, struct service, slist);
if (svc->flags & matchflags) {
func(svc);
}
}
}
static void restart_service_if_needed(struct service *svc)
{
time_t next_start_time = svc->time_started+5;
if (next_start_time <= gettime()) { svc ->
flags & = (~SVC_RESTARTING);
// 重新启动进程
service_start(svc, NULL);
return;
}
if ((next_start_time < process_needs_restart) ||
(process_needs_restart == 0)
) {
process_needs_restart = next_start_time;
}
}
总结
Init进程的创建过程，主要就是通过解析Init.rc文件去创建一些重要的子进程比如Zagote、surfaceflinger进程，它的启动是用fork、exec去启动子进程，然后就是对子进程的终止进行监听回调，对于一些可以重启的服务进行重启和创建进程。
