基于Android 6.0的源码剖析， 分析Android启动过程的Zygote进程
/frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp
/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/
- ZygoteInit.java
- Zygote.java
- ZygoteConnection.java
/frameworks/base/core/java/android/net/LocalServerSocket.java
/system/core/libutils/Threads.cpp
一. 概述
Zygote是由init进程通过解析init.zygote.rc文件而创建的，zygote所对应的可执行程序app_process，所对应的源文件是App_main.cpp，进程名为zygote。
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
Zygote进程能够重启的地方:
- servicemanager进程被杀; (onresart)
- surfaceflinger进程被杀; (onresart)
- Zygote进程自己被杀; (oneshot=false)
- system_server进程被杀; (waitpid)
从App_main()开始，Zygote启动过程的函数调用类大致流程如下：
二、Zygote启动过程
2.1 App_main.main
[-> App_main.cpp]
int main(int argc, char* const argv[])
{
//传到的参数argv为“-Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server”
AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
argc--; argv++; //忽略第一个参数
int i;
for (i = 0; i < argc; i++) {
if (argv[i][0] != '-') {
break;
}
if (argv[i][1] == '-' && argv[i][2] == 0) {
++i;
break;
}
runtime.addOption(strdup(argv[i]));
}
//参数解析
bool zygote = false;
bool startSystemServer = false;
bool application = false;
String8 niceName;
String8 className;
++i;
while (i < argc) {
const char* arg = argv[i++];
if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
zygote = true;
//对于64位系统nice_name为zygote64; 32位系统为zygote
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;
}
}
Vector<String8> args;
if (!className.isEmpty()) {
// 运行application或tool程序
args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));
runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);
} else {
//进入zygote模式，创建 /data/dalvik-cache路径
maybeCreateDalvikCache();
if (startSystemServer) {
args.add(String8("start-system-server"));
}
char prop[PROP_VALUE_MAX];
if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) {
return 11;
}
String8 abiFlag("--abi-list=");
abiFlag.append(prop);
args.add(abiFlag);
for (; i < argc; ++i) {
args.add(String8(argv[i]));
}
}
//设置进程名
if (!niceName.isEmpty()) {
runtime.setArgv0(niceName.string());
set_process_name(niceName.string());
}
if (zygote) {
// 启动AppRuntime 【见小节2.2】
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
} else if (className) {
runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
} else {
//没有指定类名或zygote，参数错误
return 10;
}
}
2.2 start
[-> AndroidRuntime.cpp]
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
static const String8 startSystemServer("start-system-server");
for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
if (options[i] == startSystemServer) {
const int LOG_BOOT_PROGRESS_START = 3000;
}
}
const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT");
if (rootDir == NULL) {
rootDir = "/system";
if (!hasDir("/system")) {
return;
}
setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1);
}
JniInvocation jni_invocation;
jni_invocation.Init(NULL);
JNIEnv* env;
// 虚拟机创建【见小节2.3】
if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
return;
}
onVmCreated(env);
// JNI方法注册【见小节2.4】
if (startReg(env) < 0) {
return;
}
jclass stringClass;
jobjectArray strArray;
jstring classNameStr;
//等价 strArray= new String[options.size() + 1];
stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
//等价 strArray[0] = "com.android.internal.os.ZygoteInit"
classNameStr = env->NewStringUTF(className);
env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
//等价 strArray[1] = "start-system-server"；
// strArray[2] = "--abi-list=xxx"；
//其中xxx为系统响应的cpu架构类型，比如arm64-v8a.
for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());
env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);
}
//将"com.android.internal.os.ZygoteInit"转换为"com/android/internal/os/ZygoteInit"
char* slashClassName = toSlashClassName(className);
jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
if (startClass == NULL) {
...
} else {
jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
// 调用ZygoteInit.main()方法【见小节3.1】
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
}
//释放相应对象的内存空间
free(slashClassName);
mJavaVM->DetachCurrentThread();
mJavaVM->DestroyJavaVM();
}
2.3 startVm
[–> AndroidRuntime.cpp]
创建Java虚拟机方法的主要篇幅是关于虚拟机参数的设置，下面只列举部分在调试优化过程中常用参数。
int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
// JNI检测功能，用于native层调用jni函数时进行常规检测，比较弱字符串格式是否符合要求，资源是否正确释放。该功能一般用于早期系统调试或手机Eng版，对于User版往往不会开启，引用该功能比较消耗系统CPU资源，降低系统性能。
bool checkJni = false;
property_get("dalvik.vm.checkjni", propBuf, "");
if (strcmp(propBuf, "true") == 0) {
checkJni = true;
} else if (strcmp(propBuf, "false") != 0) {
property_get("ro.kernel.android.checkjni", propBuf, "");
if (propBuf[0] == '1') {
checkJni = true;
}
}
if (checkJni) {
addOption("-Xcheck:jni");
}
//虚拟机产生的trace文件，主要用于分析系统问题，路径默认为/data/anr/traces.txt
parseRuntimeOption("dalvik.vm.stack-trace-file", stackTraceFileBuf, "-Xstacktracefile:");
//对于不同的软硬件环境，这些参数往往需要调整、优化，从而使系统达到最佳性能
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapstartsize", heapstartsizeOptsBuf, "-Xms", "4m");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapsize", heapsizeOptsBuf, "-Xmx", "16m");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapgrowthlimit", heapgrowthlimitOptsBuf, "-XX:HeapGrowthLimit=");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapminfree", heapminfreeOptsBuf, "-XX:HeapMinFree=");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapmaxfree", heapmaxfreeOptsBuf, "-XX:HeapMaxFree=");
parseRuntimeOption("dalvik.vm.heaptargetutilization",
heaptargetutilizationOptsBuf, "-XX:HeapTargetUtilization=");
...
//preloaded-classes文件内容是由WritePreloadedClassFile.java生成的，
//在ZygoteInit类中会预加载工作将其中的classes提前加载到内存，以提高系统性能
if (!hasFile("/system/etc/preloaded-classes")) {
return -1;
}
//初始化虚拟机
if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
return -1;
}
}
2.4 startReg
[–> AndroidRuntime.cpp]
int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
//设置线程创建方法为javaCreateThreadEtc 【见小节2.4.1】
androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
env->PushLocalFrame(200);
//进程NI方法的注册【见小节2.4.2】
if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
env->PopLocalFrame(NULL);
return -1;
}
env->PopLocalFrame(NULL);
return 0;
}
2.4.1 androidSetCreateThreadFunc
[-> Threads.cpp]
void androidSetCreateThreadFunc(android_create_thread_fn func)
{
gCreateThreadFn = func;
}
虚拟机启动后startReg()过程，会设置线程创建函数指针gCreateThreadFn指向javaCreateThreadEtc.
2.4.2 register_jni_procs
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
for (size_t i = 0; i < count; i++) {
//【见小节2.4.3】
if (array[i].mProc(env) < 0) {
return -1;
}
}
return 0;
}
2.4.3 gRegJNI.mProc
static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
REG_JNI(register_android_os_Binder)，
...
}；
array[i]是指gRegJNI数组, 该数组有100多个成员。其中每一项成员都是通过REG_JNI宏定义的：
#define REG_JNI(name) { name }
struct RegJNIRec {
int (*mProc)(JNIEnv*);
};
可见，调用mProc，就等价于调用其参数名所指向的函数。 例如REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit).mProc也就是指进入register_com_android_internal_os_RuntimeInit方法，接下来就继续以此为例来说明：
int register_com_android_internal_os_RuntimeInit(JNIEnv* env)
{
return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/RuntimeInit",
gMethods, NELEM(gMethods));
}
//gMethods：java层方法名与jni层的方法的一一映射关系
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{ "nativeFinishInit", "()V",
(void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit },
{ "nativeZygoteInit", "()V",
(void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit },
{ "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V",
(void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup },
};
三. 进入Java层
前面[小节2.2]AndroidRuntime.start()执行到最后通过反射调用到ZygoteInit.main(),见下文:
3.1 ZygoteInit.main
[–>ZygoteInit.java]
public static void main(String argv[]) {
try {
RuntimeInit.enableDdms(); //开启DDMS功能
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])) {
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); //为Zygote注册socket【见小节3.2】
preload(); // 预加载类和资源【见小节3.3】
SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();
gcAndFinalize(); //GC操作
if (startSystemServer) {
startSystemServer(abiList, socketName);//启动system_server【见小节3.4】
}
runSelectLoop(abiList); //进入循环模式【见小节3.5】
closeServerSocket();
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run(); //启动system_server中会讲到。
} catch (RuntimeException ex) {
closeServerSocket();
throw ex;
}
}
在异常捕获后调用的方法caller.run()，会在后续的system_server文章会讲到。
3.2 registerZygoteSocket
[–>ZygoteInit.java]
private static void registerZygoteSocket(String socketName) {
if (sServerSocket == null) {
int fileDesc;
final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
try {
String env = System.getenv(fullSocketName);
fileDesc = Integer.parseInt(env);
} catch (RuntimeException ex) {
...
}
try {
FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
fd.setInt$(fileDesc); //设置文件描述符
sServerSocket = new LocalServerSocket(fd); //创建Socket的本地服务端
} catch (IOException ex) {
...
}
}
}
3.3 preload
[–>ZygoteInit.java]
static void preload() {
//预加载位于/system/etc/preloaded-classes文件中的类
preloadClasses();
//预加载资源，包含drawable和color资源
preloadResources();
//预加载OpenGL
preloadOpenGL();
//通过System.loadLibrary()方法，
//预加载"android","compiler_rt","jnigraphics"这3个共享库
preloadSharedLibraries();
//预加载 文本连接符资源
preloadTextResources();
//仅用于zygote进程，用于内存共享的进程
WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
}
执行Zygote进程的初始化,对于类加载，采用反射机制Class.forName()方法来加载。对于资源加载，主要是 com.android.internal.R.array.preloaded_drawables和com.android.internal.R.array.preloaded_color_state_lists，在应用程序中以com.android.internal.R.xxx开头的资源，便是此时由Zygote加载到内存的。
zygote进程内加载了preload()方法中的所有资源，当需要fork新进程时，采用copy on write技术，如下：
3.4 startSystemServer
[–>ZygoteInit.java]
private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(
OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND,
OsConstants.CAP_KILL,
OsConstants.CAP_NET_ADMIN,
OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,
OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,
OsConstants.CAP_NET_RAW,
OsConstants.CAP_SYS_MODULE,
OsConstants.CAP_SYS_NICE,
OsConstants.CAP_SYS_RESOURCE,
OsConstants.CAP_SYS_TIME,
OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG
);
//参数准备
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",
};
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
int pid;
try {
//用于解析参数，生成目标格式
parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);
// fork子进程，用于运行system_server
pid = Zygote.forkSystemServer(
parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags,
null,
parsedArgs.permittedCapabilities,
parsedArgs.effectiveCapabilities);
} catch (IllegalArgumentException ex) {
throw new RuntimeException(ex);
}
//进入子进程system_server
if (pid == 0) {
if (hasSecondZygote(abiList)) {
waitForSecondaryZygote(socketName);
}
// 完成system_server进程剩余的工作
handleSystemServerProcess(parsedArgs);
}
return true;
}
准备参数并fork新进程，从上面可以看出system server进程参数信息为uid=1000,gid=1000,进程名为sytem_server，从zygote进程fork新进程后，需要关闭zygote原有的socket。另外，对于有两个zygote进程情况，需等待第2个zygote创建完成。更多详情见Android系统启动-systemServer上篇。
3.5 runSelectLoop
[–>ZygoteInit.java]
private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
//sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0]
fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
peers.add(null);
while (true) {
StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
pollFds[i] = new StructPollfd();
pollFds[i].fd = fds.get(i);
pollFds[i].events = (short) POLLIN;
}
try {
//处理轮询状态，当pollFds有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里
Os.poll(pollFds, -1);
} catch (ErrnoException ex) {
...
}
for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
//采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行；
// 否则进入continue，跳出本次循环。
if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
continue;
}
if (i == 0) {
//即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求；
// 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。
ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
peers.add(newPeer);
fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds.
} else {
//i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作【见小节3.6】
boolean done = peers.get(i).runOnce();
if (done) {
peers.remove(i);
fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符
}
}
}
}
}
Zygote采用高效的I/O多路复用机制，保证在没有客户端连接请求或数据处理时休眠，否则响应客户端的请求。
3.6 runOnce
[-> ZygoteConnection.java]
boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
String args[];
Arguments parsedArgs = null;
FileDescriptor[] descriptors;
try {
//读取socket客户端发送过来的参数列表
args = readArgumentList();
descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
} catch (IOException ex) {
...
return true;
}
...
try {
//将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式
parsedArgs = new Arguments(args);
...
//【见小节7】
pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,
parsedArgs.appDataDir);
} catch (Exception e) {
...
}
try {
if (pid == 0) {
//子进程执行
IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
serverPipeFd = null;
//进入子进程流程
handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
return true;
} else {
//父进程执行
IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
childPipeFd = null;
return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
}
} finally {
IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
}
}
更多内容，见理解Android进程创建流程
四、总结
Zygote启动过程的调用流程图：
- 解析init.zygote.rc中的参数，创建AppRuntime并调用AppRuntime.start()方法；
- 调用AndroidRuntime的startVM()方法创建虚拟机，再调用startReg()注册JNI函数；
- 通过JNI方式调用ZygoteInit.main()，第一次进入Java世界；
- registerZygoteSocket()建立socket通道，zygote作为通信的服务端，用于响应客户端请求；
- preload()预加载通用类、drawable和color资源、openGL以及共享库以及WebView，用于提高app启动效率；
- zygote完毕大部分工作，接下来再通过startSystemServer()，fork得力帮手system_server进程，也是上层framework的运行载体。
- zygote功成身退，调用runSelectLoop()，随时待命，当接收到请求创建新进程请求时立即唤醒并执行相应工作。
最后，介绍给通过cmd命令，来fork新进程来执行类中main方法的方式：(启动后进入RuntimeInit.main)
app_process [可选参数] 命令所在路径 启动的类名 [可选参数]
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