Android系统启动-init篇

Posted by Gityuan on February 5, 2016

基于Android 6.0的源码剖析, 分析Android启动过程进程号为1的init进程的工作内容

/system/core/init/
  - init.cpp
  - init_parser.cpp
  - signal_handler.cpp

一、概述

init是Linux系统中用户空间的第一个进程,进程号为1。Kernel启动后,在用户空间,启动init进程,并调用init中的main()方法执行init进程的职责。对于init进程的功能分为4部分:

  • 分析和运行所有的init.rc文件;
  • 生成设备驱动节点; (通过rc文件创建)
  • 处理子进程的终止(signal方式);
  • 提供属性服务。

接下来从main()方法说起。

1.1 main

[-> init.cpp]

int main(int argc, char** argv) {
    ...
    umask(0); //设置文件属性0777
    
    klog_init();  //初始化kernel log,位于设备节点/dev/kmsg【见小节1.2】
    klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL); //设置输出的log级别
    // 输出init启动阶段的log
    NOTICE("init%s started!\n", is_first_stage ? "" : " second stage");
    
    property_init(); //创建一块共享的内存空间,用于属性服务
    signal_handler_init();  //初始化子进程退出的信号处理过程【见小节2.1】

    property_load_boot_defaults(); //加载default.prop文件
    start_property_service();   //启动属性服务器(通过socket通信)【5.1】
    init_parse_config_file("/init.rc"); //解析init.rc文件

    //执行rc文件中触发器为 on early-init的语句
    action_for_each_trigger("early-init", action_add_queue_tail);
    //等冷插拔设备初始化完成
    queue_builtin_action(wait_for_coldboot_done_action, "wait_for_coldboot_done");
    queue_builtin_action(mix_hwrng_into_linux_rng_action, "mix_hwrng_into_linux_rng");
    //设备组合键的初始化操作
    queue_builtin_action(keychord_init_action, "keychord_init");
    // 屏幕上显示Android静态Logo 【见小节1.3】
    queue_builtin_action(console_init_action, "console_init");
    
    //执行rc文件中触发器为 on init的语句
    action_for_each_trigger("init", action_add_queue_tail);
    queue_builtin_action(mix_hwrng_into_linux_rng_action, "mix_hwrng_into_linux_rng");
    
    char bootmode[PROP_VALUE_MAX];
    //当处于充电模式,则charger加入执行队列;否则late-init加入队列。
    if (property_get("ro.bootmode", bootmode) > 0 && strcmp(bootmode, "charger") == 0) {
       action_for_each_trigger("charger", action_add_queue_tail);
    } else {
       action_for_each_trigger("late-init", action_add_queue_tail);
    }
    //触发器为属性是否设置
    queue_builtin_action(queue_property_triggers_action, "queue_property_triggers");
     
    while (true) {
        if (!waiting_for_exec) {
            execute_one_command();
            restart_processes(); //【见小节1.4】
        }
        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;
        }

        epoll_event ev;
        //循环 等待事件发生
        int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
        if (nr == -1) {
            ERROR("epoll_wait failed: %s\n", strerror(errno));
        } else if (nr == 1) {
            ((void (*)()) ev.data.ptr)();
        }
    }
    return 0;
}

1.2 log系统

此时android的log系统还没有启动,采用kernel的log系统,打开的设备节点/dev/kmsg, 那么可通过cat /dev/kmsg来获取内核log。

接下来,设置log的输出级别为KLOG_NOTICE_LEVEL(5),当log级别小于5时则会输出到kernel log, 默认值为3.

#define KLOG_ERROR_LEVEL   3
#define KLOG_WARNING_LEVEL 4
#define KLOG_NOTICE_LEVEL  5
#define KLOG_INFO_LEVEL    6
#define KLOG_DEBUG_LEVEL   7
#define KLOG_DEFAULT_LEVEL  3 //默认为3

1.3 console_init_action

[-> init.cpp]

static int console_init_action(int nargs, char **args)
{
    char console[PROP_VALUE_MAX];
    if (property_get("ro.boot.console", console) > 0) {
        snprintf(console_name, sizeof(console_name), "/dev/%s", console);
    }

    int fd = open(console_name, O_RDWR | O_CLOEXEC);
    if (fd >= 0)
        have_console = 1;
    close(fd);

    fd = open("/dev/tty0", O_WRONLY | O_CLOEXEC);
    if (fd >= 0) {
        const char *msg;
            msg = "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"  // console is 40 cols x 30 lines
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "\n"
        "             A N D R O I D ";
        write(fd, msg, strlen(msg));
        close(fd);
    }

    return 0;
}

这便是开机显示的底部带ANDROID字样的画面。

1.4 restart_processes

[-> init.cpp]

static void restart_processes()
{
    process_needs_restart = 0;
    service_for_each_flags(SVC_RESTARTING,
                           restart_service_if_needed);
}

检查service_list中的所有服务,对于带有SVC_RESTARTING标志的服务,则都会调用其相应的restart_service_if_needed。

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);
        service_start(svc, NULL); 
        return;
    }

    if ((next_start_time < process_needs_restart) ||
        (process_needs_restart == 0)) {
        process_needs_restart = next_start_time;
    }
}

之后再调用service_start来启动服务。

二、信号处理

在init.cpp的main()方法中,通过signal_handler_init()来初始化信号处理过程。

主要工作:

  • 初始化signal句柄;
  • 循环处理子进程;
  • 注册epoll句柄;
  • 处理子进程的终止;

2.1 signal_handler_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) == -1) {
        exit(1);
    }
    signal_write_fd = s[0];
    signal_read_fd = s[1];
    //当捕获信号SIGCHLD,则写入signal_write_fd
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_handler = SIGCHLD_handler;
    //SA_NOCLDSTOP使init进程只有在其子进程终止时才会受到SIGCHLD信号
    act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;
    sigaction(SIGCHLD, &act, 0);
    reap_any_outstanding_children(); 【见小节2.2】
    register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);  //【见小节2.3】
}

每个进程在处理其他进程发送的signal信号时都需要先注册,当进程的运行状态改变或终止时会产生某种signal信号,init进程是所有用户空间进程的父进程,当其子进程终止时产生SIGCHLD信号,init进程调用信号安装函数sigaction(),传递参数给sigaction结构体,便完成信号处理的过程。

这里有两个重要的函数:SIGCHLD_handler和handle_signal,如下:

//写入数据
static void SIGCHLD_handler(int) {
    //向signal_write_fd写入1,直到成功为止
    if (TEMP_FAILURE_RETRY(write(signal_write_fd, "1", 1)) == -1) {
        ERROR("write(signal_write_fd) failed: %s\n", strerror(errno));
    }
}

//读取数据
static void handle_signal() {
    char buf[32];
    //读取signal_read_fd数据,放入buf
    read(signal_read_fd, buf, sizeof(buf));
    reap_any_outstanding_children(); 【见流程3-1】
}

2.2 reap_any_outstanding_children

[-> signal_handler.cpp]

static void reap_any_outstanding_children() {
    while (wait_for_one_process()) { }
}

static bool wait_for_one_process() {
    int status;
    //等待任意子进程,如果子进程没有退出则返回0,否则则返回该子进程pid。
    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;
    }
    service* svc = service_find_by_pid(pid); //根据pid查找到相应的service
    std::string name;

    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)) {
        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) {
        waiting_for_exec = false;
        list_remove(&svc->slist);
        free(svc->name);
        free(svc);
        return true;
    }
    svc->pid = 0;
    svc->flags &= (~SVC_RUNNING);

    //对于ONESHOT服务,使其进入disabled状态
    if ((svc->flags & SVC_ONESHOT) && !(svc->flags & SVC_RESTART)) {
        svc->flags |= SVC_DISABLED;
    }
    //禁用和重置的服务,都不再自动重启
    if (svc->flags & (SVC_DISABLED | SVC_RESET))  {
        svc->NotifyStateChange("stopped"); //设置相应的service状态为stopped
        return true;
    }

    //服务在4分钟内重启次数超过4次,则重启手机进入recovery模式
    time_t now = gettime();
    if ((svc->flags & SVC_CRITICAL) && !(svc->flags & SVC_RESTART)) {
        if (svc->time_crashed + CRITICAL_CRASH_WINDOW >= now) {
            if (++svc->nr_crashed > CRITICAL_CRASH_THRESHOLD) {
                android_reboot(ANDROID_RB_RESTART2, 0, "recovery");
                return true;
            }
        } else {
            svc->time_crashed = now;
            svc->nr_crashed = 1;
        }
    }
    svc->flags &= (~SVC_RESTART);
    svc->flags |= SVC_RESTARTING;

    //执行当前service中所有onrestart命令
    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);
    }
    //设置相应的service状态为restarting
    svc->NotifyStateChange("restarting");
    return true;
}

另外:通过getprop | grep init.svc 可查看所有的service运行状态。状态总共分为:running, stopped, restarting

2.3 register_epoll_handler

[-> signal_handler.cpp]

void register_epoll_handler(int fd, void (*fn)()) {
    epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN; //可读
    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
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {
        ERROR("epoll_ctl failed: %s\n", strerror(errno));
    }
}

三、rc文件语法

rc文件语法是以行尾单位,以空格间隔的语法,以#开始代表注释行。rc文件主要包含Action、Service、Command、Options,其中对于Action和Service的名称都是唯一的,对于重复的命名视为无效。

3.1 Action

Action: 通过trigger,即以 on开头的语句,决定何时执行相应的service。

  • on early-init; 在初始化早期阶段触发;
  • on init; 在初始化阶段触发;
  • on late-init; 在初始化晚期阶段触发;
  • on boot/charger: 当系统启动/充电时触发,还包含其他情况,此处不一一列举;
  • on property:<key>=<value>: 当属性值满足条件时触发;

3.2 Service

服务Service,以 service开头,由init进程启动,一般运行于另外一个init的子进程,所以启动service前需要判断对应的可执行文件是否存在。init生成的子进程,定义在rc文件,其中每一个service,在启动时会通过fork方式生成子进程。

例如: service servicemanager /system/bin/servicemanager代表的是服务名为servicemanager,服务的路径,也就是服务执行操作时运行/system/bin/servicemanager。

3.3 Command

下面列举常用的命令

  • class_start <service_class_name>: 启动属于同一个class的所有服务;
  • start <service_name>: 启动指定的服务,若已启动则跳过;
  • stop <service_name>: 停止正在运行的服务
  • setprop <name> <value>:设置属性值
  • mkdir <path>:创建指定目录
  • symlink <target> <sym_link>: 创建连接到<target>的<sym_link>符号链接;
  • write <path> <string>: 向文件path中写入字符串;
  • exec: fork并执行,会阻塞init进程直到程序完毕;
  • exprot <name> <name>:设定环境变量;
  • loglevel <level>:设置log级别

3.4 Options

Options是Services的可选项,与service配合使用

  • disabled: 不随class自动启动,只有根据service名才启动;
  • oneshot: service退出后不再重启;
  • user/group: 设置执行服务的用户/用户组,默认都是root;
  • class:设置所属的类名,当所属类启动/退出时,服务也启动/停止,默认为default;
  • onrestart:当服务重启时执行相应命令;
  • socket: 创建名为/dev/socket/<name>的socket
  • critical: 在规定时间内该service不断重启,则系统会重启并进入恢复模式

default: 意味着disabled=false,oneshot=false,critical=false。

四、启动服务

4.1 启动顺序

on early-init
on init
on late-init //挂载文件系统,启动核心服务
    trigger post-fs
    trigger load_system_props_action 
    trigger post-fs-data //挂载data
    trigger load_persist_props_action
    trigger firmware_mounts_complete
    trigger boot
    
on post-fs
    start logd
    mount rootfs rootfs / ro remount
    mount rootfs rootfs / shared rec 
    mount none /mnt/runtime/default /storage slave bind rec
    ...
     
on post-fs-data
    start logd
    start vold
    ...
    
on boot
    ...
    class_start core

由early-init -> init -> late-init -> on boot。接下里便开始启动core class.

on nonencrypted
    class_start main
    class_start late_start
    
on property:vold.decrypt=trigger_restart_min_framework
    class_start main

on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
    class_start main
    class_start late_start

on property:vold.decrypt=trigger_reset_main
    class_reset main
        
on property:vold.decrypt=trigger_shutdown_framework
    class_reset late_start
    class_reset main

vold.decrypt的以上4个值的设置过程位于system/vold/cryptfs.c文件。

4.2 服务启动(Zygote)

在init.zygote.rc文件中,zygote服务定义如下:

service zygote /system/bin/app_process -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

通过init_parser.cpp完成整个service解析工作,此处就不详细展开讲解析过程,该过程主要是创建一个名”zygote”的service结构体,一个socketinfo结构体(用于socket通信),以及一个包含4个onrestart的action结构体。

Zygote服务会随着main class的启动而启动,退出后会由init重启zygote,即使多次重启也不会进入recovery模式。zygote所对应的可执行文件是/system/bin/app_process,通过调用pid =fork()创建子进程,通过execve(svc->args[0], (char**)svc->args, (char**) ENV),进入App_main.cpp的main()函数。故zygote是通过fork和execv共同创建的。

流程如下:

zygote_init

而关于Zygote重启在前面的信号处理过程中讲过,是处理SIGCHLD信号,init进程重启zygote进程,更多关于Zygote内容见Zygote篇

4.3 服务重启

init_oneshot

当init子进程退出时,会产生SIGCHLD信号,并发送给init进程,通过socket套接字传递数据,调用到wait_for_one_process()方法,根据是否是oneshot,来决定是重启子进程,还是放弃启动。

所有的Service里面只有servicemanager ,zygote ,surfaceflinger这3个服务有onrestart关键字来触发其他service启动过程。

//zygote可触发media、netd重启
service zygote /system/bin/app_process -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

//servicemanager可触发healthd、zygote、media、surfaceflinger、drm重启
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

//surfaceflinger可触发zygote重启
service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
    class core
    user system
    group graphics drmrpc
    onrestart restart zygote

由上可知:

  • zygote:触发media、netd以及子进程重启;
  • surfaceflinger:触发zygote重启;
  • servicemanager: 触发healthd、zygote、media、surfaceflinger、drm重启

所以,surfaceflinger,servicemanager,zygote自身以及system_server进程被杀都会触发Zygote重启。

五、属性服务

当某个进程A,通过property_set()修改属性值后,init进程会检查访问权限,当权限满足要求后,则更改相应的属性值,属性值一旦改变则会触发相应的触发器(即rc文件中的on开头的语句),在Android Shared Memmory(共享内存区域)中有一个_system_property_area_区域,里面记录着所有的属性值。对于进程A通过property_get()方法,获取的也是该共享内存区域的属性值。

5.1 初始化

[-> property_service.cpp]

void property_init() {
    //用于保证只初始化_system_property_area_区域一次
    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;
    }
}

在properyty_init函数中,先调用init_property_area函数,创建一块用于存储属性的共享内存,而共享内存是可以跨进程的。

关于加载的prop文件

通过load_all_load_all_propsprops()方法,加载以下:

  1. /system/build.prop;
  2. /vendor/build.prop;
  3. /factory/factory.prop;
  4. /data/local.prop;
  5. /data/property路径下的persist属性

5.2 属性类别

  1. 属性名以ctl.开头,则表示是控制消息,控制消息用来执行一些命令。例如:
    • setprop ctl.start bootanim 查看开机动画;
    • setprop ctl.stop bootanim 关闭开机动画;
    • setprop ctl.start pre-recovery 进入recovery模式。
  2. 属性名以ro.开头,则表示是只读的,不能设置,所以直接返回。
  3. 属性名以persist.开头,则需要把这些值写到对应文件中去。

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