Android存储系统之架构篇

基于Android 6.0的源码，剖析存储架构的设计

一、概述

本文讲述Android存储系统的架构与设计，涉及到最为核心的便是MountService和Vold这两个模块以及之间的交互。上一篇文章Android存储系统之源码篇从源码角度介绍相关模块的创建与启动过程，那么本文主要从全局角度把握和剖析Android的存储系统。

MountService：Android Binder服务端，运行在system_server进程，用于跟Vold进行消息通信，比如MountService向Vold发送挂载SD卡的命令,或者接收到来自Vold的外设热插拔事件。MountService作为Binder服务端，那么相应的Binder客户端便是StorageManager，通过binder IPC与MountService交互。

Vold：全称为Volume Daemon，用于管理外部存储设备的Native daemon进程，这是一个非常重要的守护进程，主要由NetlinkManager，VolumeManager，CommandListener这3部分组成。

1.1 模块架构

从模块地角度划分Android整个存储架构：

图解：

• Linux Kernel：通过uevent向Vold的NetlinkManager发送Uevent事件；
• NetlinkManager：接收来自Kernel的Uevent事件，再转发给VolumeManager；
• VolumeManager：接收来自NetlinkManager的事件，再转发给CommandListener进行处理；
• CommandListener：接收来自VolumeManager的事件，通过socket通信方式发送给MountService；
• MountService：接收来自CommandListener的事件。

涉及主要的问题:

• Framework层主要看MountService.java和NativeDaemonConnector.java;
• Native层主要看NetlinkManager.cpp, NetlinkHandler.cpp, VolumeManager.cpp, CommandListener.cpp

1.2 进程架构

(1)先看看Java framework层的线程：

root@gityuan:/ # ps -t | grep 1212
system    1212  557   2334024 160340 SyS_epoll_ 7faedddbe4 S system_server
system    2662  1212  2334024 160340 SyS_epoll_ 7faedddbe4 S MountService
system    2663  1212  2334024 160340 unix_strea 7faedde73c S VoldConnector
system    2664  1212  2334024 160340 unix_strea 7faedde73c S CryptdConnector
...

MountService运行在system_server进程，这里查询的便是system_server进程的所有子线程，system_server进程承载整个framework所有核心服务，子线程数有很多，这里只列举与MountService模块相关的子线程。

(2)再看看Native层的线程：

root@gityuan:/ # ps -t | grep " 387 "
USER      PID   PPID  VSIZE  RSS   WCHAN              PC  NAME
root      387   1     13572  2912  hrtimer_na 7fa34755d4 S /system/bin/vold
root      397   387   13572  2912  poll_sched 7fa3474d1c S vold
root      399   387   13572  2912  poll_sched 7fa3474d1c S vold
root      400   387   13572  2912  poll_sched 7fa3474d1c S vold
media_rw  2702  387   7140   2036  inotify_re 7f84b1d6ac S /system/bin/sdcard

Vold作为native守护进程，进程名为”/system/bin/vold”，pid=387，通过ps -t可查询到该进程下所有的子进程/线程。

小技巧：有读者可能会好奇，为什么/system/bin/sdcard是子进程，而非子线程呢？要回答这个问题，有两个方法，其一就是直接看撸源码，会发现这是通过fork方式创建的，而其他子线程都是通过pthread_create方式创建的。当然其实还有个更快捷的小技巧，就是直接看上图中的第4列，这一列的含义是VSIZE，代表的是进程虚拟地址空间大小，是否共享地址空间，这是进程与线程最大的区别，再来看看/sdcard的VSIZE大小跟父进程不一样，基本可以确实/sdcard是子进程。

(3) 从进程/线程视角来看Android存储架构:

• Java层：采用 1个主线程(system_server) + 3个子线程(VoldConnector, MountService, CryptdConnector)；
• Native层：采用 1个主线程(/system/bin/vold) + 3个子线程(vold) + 1子进程(/system/bin/sdcard)；

注：图中红色字代表的进程/线程名，vold进程通过pthread_create的方式创建的3个子线程名都为vold，图中只是为了便于区别才标注为vold1, vold2, vold3，其实名称都为vold。

Android还可划分为内核空间(Kernel Space)和用户空间(User space)，从上图可看出，Android存储系统在User space总共采用9个进程/线程的架构模型。当然，除了这9个进/线程,另外还会在handler消息处理过程中使用到system_server的两个子线程:android.fg和android.io。

Tips: 同一个模块可以运行在各个不同的进程/线程， 同一个进程可以运行不同模块的代码,所以从进程角度和模块角度划分看到的有所不同的.

1.3 类关系图

上图中4个蓝色块便是前面谈到的核心模块。

二、 通信架构

Android存储系统中涉及各个进程间通信，这个架构采用的socket，并没有采用Android binder IPC机制。这样的架构代码大量更少，整体架构逻辑也相对简单，在介绍通信过程前，先来看看MountService对象的实例化过程，那么也就基本明白进程架构中system_sever进程为了MountService服务而单独创建与共享使用到线程情况。

public MountService(Context context) {
    sSelf = this;

    mContext = context;
    //FgThread线程名为“"android.fg"，创建IMountServiceListener回调方法
    mCallbacks = new Callbacks(FgThread.get().getLooper());
    //获取PKMS的Client端对象
    mPms = (PackageManagerService) ServiceManager.getService("package");
    //创建“MountService”线程
    HandlerThread hthread = new HandlerThread(TAG);
    hthread.start();

    mHandler = new MountServiceHandler(hthread.getLooper());
    //IoThread线程名为"android.io"，创建OBB操作的handler
    mObbActionHandler = new ObbActionHandler(IoThread.get().getLooper());

    File dataDir = Environment.getDataDirectory();
    File systemDir = new File(dataDir, "system");
    mLastMaintenanceFile = new File(systemDir, LAST_FSTRIM_FILE);
    //判断/data/system/last-fstrim文件，不存在则创建，存在则更新最后修改时间
    if (!mLastMaintenanceFile.exists()) {
        (new FileOutputStream(mLastMaintenanceFile)).close();
        ...
    } else {
        mLastMaintenance = mLastMaintenanceFile.lastModified();
    }
    ...
    //将MountServiceInternalImpl登记到sLocalServiceObjects
    LocalServices.addService(MountServiceInternal.class, mMountServiceInternal);
    //创建用于VoldConnector的NDC对象
    mConnector = new NativeDaemonConnector(this, "vold", MAX_CONTAINERS * 2, VOLD_TAG, 25,
            null);
    mConnector.setDebug(true);
    //创建线程名为"VoldConnector"的线程，用于跟vold通信
    Thread thread = new Thread(mConnector, VOLD_TAG);
    thread.start();

    //创建用于CryptdConnector工作的NDC对象
    mCryptConnector = new NativeDaemonConnector(this, "cryptd",
            MAX_CONTAINERS * 2, CRYPTD_TAG, 25, null);
    mCryptConnector.setDebug(true);
    //创建线程名为"CryptdConnector"的线程，用于加密
    Thread crypt_thread = new Thread(mCryptConnector, CRYPTD_TAG);
    crypt_thread.start();

    //注册监听用户添加、删除的广播
    final IntentFilter userFilter = new IntentFilter();
    userFilter.addAction(Intent.ACTION_USER_ADDED);
    userFilter.addAction(Intent.ACTION_USER_REMOVED);
    mContext.registerReceiver(mUserReceiver, userFilter, null, mHandler);

    //内部私有volume的路径为/data，该volume通过dumpsys mount是不会显示的
    addInternalVolume();

    //默认为false
    if (WATCHDOG_ENABLE) {
        Watchdog.getInstance().addMonitor(this);
    }
}

其主要功能依次是：

1. 创建ICallbacks回调方法,FgThread线程名为”android.fg”，此处用到的Looper便是线程”android.fg”中的Looper;
2. 创建并启动线程名为”MountService”的handlerThread；
3. 创建OBB操作的handler,IoThread线程名为”android.io”，此处用到的的Looper便是线程”android.io”中的Looper;
4. 创建NativeDaemonConnector对象
5. 创建并启动线程名为”VoldConnector”的线程；
6. 创建并启动线程名为”CryptdConnector”的线程；
7. 注册监听用户添加、删除的广播；

从这里便可知道共创建了3个线程：MountService,VoldConnector,CryptdConnector，另外还会使用到系统进程中的两个线程android.fg和android.io. 这便是在文章开头进程架构图中Java framework层进程的创建情况.

接下来，我们分别从MountService向vold发送消息和接收消息两个方面，以及Kernel向vold上报事件3个方面展开。

2.1 MountService发送消息

system_server进程与vold守护进程间采用socket进行通信，这个通信过程是由MountService线程向vold线程发送消息。这里以执行mount调用为例：

2.1.1 MS.mount

class MountService extends IMountService.Stub
        implements INativeDaemonConnectorCallbacks, Watchdog.Monitor {

    public void mount(String volId) {
        ...
        try {
            //【见小节2.1.2】
            mConnector.execute("volume", "mount", vol.id, vol.mountFlags, vol.mountUserId);
        } catch (NativeDaemonConnectorException e) {
            throw e.rethrowAsParcelableException();
        }
    }
}

2.1.2 NDC.execute

[-> NativeDaemonConnector.java]

public NativeDaemonEvent execute(String cmd, Object... args)
    throws NativeDaemonConnectorException {
    return execute(DEFAULT_TIMEOUT, cmd, args);
}

其中DEFAULT_TIMEOUT=1min，即命令执行超时时长为1分钟。经过层层调用到executeForList()

public NativeDaemonEvent[] executeForList(long timeoutMs, String cmd, Object... args)
        throws NativeDaemonConnectorException {
    final long startTime = SystemClock.elapsedRealtime();

    final ArrayList<NativeDaemonEvent> events = Lists.newArrayList();

    final StringBuilder rawBuilder = new StringBuilder();
    final StringBuilder logBuilder = new StringBuilder();

    //mSequenceNumber初始化值为0，每执行一次该方法则进行加1操作
    final int sequenceNumber = mSequenceNumber.incrementAndGet();

    makeCommand(rawBuilder, logBuilder, sequenceNumber, cmd, args);

    //例如：“3 volume reset”
    final String rawCmd = rawBuilder.toString();
    final String logCmd = logBuilder.toString();

    log("SND -> {" + logCmd + "}");

    synchronized (mDaemonLock) {
        //将cmd写入到socket的输出流
        mOutputStream.write(rawCmd.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        ...
    }

    NativeDaemonEvent event = null;
    do {
        //阻塞等待，直到收到相应指令的响应码
        event = mResponseQueue.remove(sequenceNumber, timeoutMs, logCmd);
        events.add(event);
    //当收到的事件响应码属于[100,200)区间，则继续等待后续事件上报
    } while (event.isClassContinue());

    final long endTime = SystemClock.elapsedRealtime();
    //对于执行时间超过500ms则会记录到log
    if (endTime - startTime > WARN_EXECUTE_DELAY_MS) {
        loge("NDC Command {" + logCmd + "} took too long (" + (endTime - startTime) + "ms)");
    }
    ...
    return events.toArray(new NativeDaemonEvent[events.size()]);
}

• 首先，将带执行的命令mSequenceNumber执行加1操作；
• 再将cmd(例如3 volume reset)写入到socket的输出流；
• 通过循环与poll机制阻塞等待底层响应该操作完成的结果；
• 有两个情况会跳出循环：
  • 当超过1分钟未收到vold相应事件的响应码，则跳出阻塞等待；
  • 当收到底层的响应码，且响应码不属于[100,200)区间，则跳出循环。
• 对于执行时间超过500ms的时间，则额外输出以NDC Command开头的log信息，提示可能存在优化之处。

2.1.3 FL.onDataAvailable

MountService线程通过socket发送cmd事件给vold，对于vold守护进程在启动的过程，初始化CommandListener时通过pthread_create创建子线程vold来专门监听MountService发送过来的消息，当该线程接收到socket消息时，便会调用onDataAvailable()方法

[-> FrameworkListener.cpp]

bool FrameworkListener::onDataAvailable(SocketClient *c) {
    char buffer[CMD_BUF_SIZE];
    int len;
    // 多次尝试从socket管道读取数据
    len = TEMP_FAILURE_RETRY(read(c->getSocket(), buffer, sizeof(buffer)));
    ...

    for (i = 0; i < len; i++) {
        if (buffer[i] == '\0') {
            //分发该命令【见小节2.1.4】
            dispatchCommand(c, buffer + offset);
            ...
        }
    }
    return true;
}

2.1.4 FL.dispatchCommand

[-> FrameworkListener.cpp]

void FrameworkListener::dispatchCommand(SocketClient *cli, char *data) {
    ...
    for (i = mCommands->begin(); i != mCommands->end(); ++i) {
        FrameworkCommand *c = *i;

        if (!strcmp(argv[0], c->getCommand())) {
            //找到相应的类处理该命令
            if (c->runCommand(cli, argc, argv)) {
                SLOGW("Handler '%s' error (%s)", c->getCommand(), strerror(errno));
            }
            goto out;
        }
    }
    ...
}

这是用于分发从MountService发送过来的命令，针对不同的命令调用不同的类，总共有以下6类：

• DumpCmd
• VolumeCmd
• AsecCmd
• ObbCmd
• StorageCmd
• FstrimCmd

另外，在处理过程中遇到下面情况，则会直接发送响应吗500的应答消息给MountService

• 当无法找到匹配的类，则会直接向MountService返回响应码500，内容”Command not recognized”的应答消息；
• 命令参数过长导致socket管道溢出，则会发送响应码500，内容”Command too long”的应答消息。

2.1.5 CL.runCommand

例如前面发送过来的是volume mount，则会调用到CommandListener的内部类VolumeCmd的runCommand来处理该消息，并进入mount分支。

int CommandListener::VolumeCmd::runCommand(SocketClient *cli,
                                           int argc, char **argv) {
    VolumeManager *vm = VolumeManager::Instance();
    std::lock_guard<std::mutex> lock(vm->getLock());
    ...
    std::string cmd(argv[1]);
    if (cmd == "reset") {
           return sendGenericOkFail(cli, vm->reset());
    }else if (cmd == "mount" && argc > 2) {
        // mount [volId] [flags] [user]
        std::string id(argv[2]);
        auto vol = vm->findVolume(id);
        if (vol == nullptr) {
            return cli->sendMsg(ResponseCode::CommandSyntaxError, "Unknown volume", false);
        }

        int mountFlags = (argc > 3) ? atoi(argv[3]) : 0;
        userid_t mountUserId = (argc > 4) ? atoi(argv[4]) : -1;

        vol->setMountFlags(mountFlags);
        vol->setMountUserId(mountUserId);
        //真正的挂载操作【见2.1.6】
        int res = vol->mount();
        if (mountFlags & android::vold::VolumeBase::MountFlags::kPrimary) {
            vm->setPrimary(vol);
        }
        //发送应答消息给MountService【见2.2.1】
        return sendGenericOkFail(cli, res);
    }
    // 省略其他的else if
    ...
}

2.1.6 mount

这里便进入了VolumeManager模块，执行volume设备真正的挂载操作。对于挂载内置存储和外置存储流程是有所不同的，这里就不再细说，简单的调用流程：

VolumeCmd.runCommand
    VolumeBase.mount
        EmulatedVolume.doMount(内置)
        PublicVolume.doMount(外置)
            vfat::Check
            vfat::Mount
            fork (/sdcard)

2.1.7 小节

简称表:

• MS: MountService.java
• NDC: NativeDaemonConnector.java
• SL: SocketListener.cpp
• FL: FrameworkListener.cpp
• CL: CommandListener.cpp
• SC: SocketClient.cpp

MountService向vold发送消息后，便阻塞在图中的MountService线程的NDC.execute()方法，那么何时才会退出呢？

那就是在MonutService接收到消息，且消息响应吗不属于区间[600,700)则添加事件到ResponseQueue，从而唤醒阻塞的MountService继续执行。接下来再来说说MS接收消息的流程.

2.2 MountService接收消息

当Vold在处理完完MountService发送过来的消息后，会通过sendGenericOkFail发送应答消息给上层的MountService。

2.2.1 响应码

[-> CommandListener.cpp]

int CommandListener::sendGenericOkFail(SocketClient *cli, int cond) {
    if (!cond) {
        //【见小节2.2.2】
        return cli->sendMsg(ResponseCode::CommandOkay, "Command succeeded", false);
    } else {
        return cli->sendMsg(ResponseCode::OperationFailed, "Command failed", false);
    }
}

• 当执行成功，则发送响应码为200的成功应答消息；
• 当执行失败，则发送响应码为400的失败应答消息。

不同的响应码(VoldResponseCode)，代表着系统不同的处理结果，例如当操作执行成功，VoldConnector线程能收到类似`RCV <- {200 3 Command succeeded}的响应事件。 再比如[600,700)响应码是由Vold进程”不请自来”的事件，主要是针对disk，volume的一系列操作，比如设备创建，状态、路径改变，以及文件类型、uid、标签改变等事件都是底层直接触发。更多响应码含义见本文最后的附录.

2.2.2 SC.sendMsg

[-> SocketClient.cpp]

int SocketClient::sendMsg(int code, const char *msg, bool addErrno) {
    return sendMsg(code, msg, addErrno, mUseCmdNum);
}

sendMsg经过层层调用，进入sendDataLockedv方法

int SocketClient::sendDataLockedv(struct iovec *iov, int iovcnt) {
    ...
    struct sigaction new_action, old_action;
    memset(&new_action, 0, sizeof(new_action));
    new_action.sa_handler = SIG_IGN;
    sigaction(SIGPIPE, &new_action, &old_action);

    //将应答消息写入socket管道
    for (;;) {
        ssize_t rc = TEMP_FAILURE_RETRY(
            writev(mSocket, iov + current, iovcnt - current));

        if (rc > 0) {
            size_t written = rc;
            while ((current < iovcnt) && (written >= iov[current].iov_len)) {
                written -= iov[current].iov_len;
                current++;
            }
            if (current == iovcnt) {
                break;
            }
            iov[current].iov_base = (char *)iov[current].iov_base + written;
            iov[current].iov_len -= written;
            continue;
        }
        ...
        break;
    }

    sigaction(SIGPIPE, &old_action, &new_action);
    ...
    return ret;
}

2.2.3 NDC.listenToSocket

应答消息写入socket管道后，在MountService的另个线程”VoldConnector”中建立了名为vold的socket的客户端，通过循环方式不断监听Vold服务端发送过来的消息。

[-> NativeDaemonConnector.java]

private void listenToSocket() throws IOException {
    LocalSocket socket = null;
    try {
        socket = new LocalSocket();
        LocalSocketAddress address = determineSocketAddress();
        //建立与"/dev/socket/vold"的socket连接
        socket.connect(address);
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        synchronized (mDaemonLock) {
            mOutputStream = socket.getOutputStream();
        }
        ...
        while (true) {
            int count = inputStream.read(buffer, start, BUFFER_SIZE - start);
            ...
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                if (buffer[i] == 0) {
                    final String rawEvent = new String(
                            buffer, start, i - start, StandardCharsets.UTF_8);
                    //解析socket服务端发送的event
                    final NativeDaemonEvent event = NativeDaemonEvent.parseRawEvent(
                            rawEvent);
                    log("RCV <- {" + event + "}");

                    if (event.isClassUnsolicited()) {
                        ...
                        //当响应码区间为[600,700)，则发送消息交由mCallbackHandler处理
                        if (mCallbackHandler.sendMessage(mCallbackHandler.obtainMessage(
                                event.getCode(), event.getRawEvent()))) {
                            releaseWl = false;
                        }
                    } else {
                        //对于其他响应码则添加到mResponseQueue队列
                        mResponseQueue.add(event.getCmdNumber(), event);
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        //收尾清理类工作
        ...
    }
}

监听也是阻塞的过程，当收到不同的消息相应码，采用不同的行为：

• 当响应吗不属于区间[600,700)：则将该事件添加到mResponseQueue，并且触发响应事件所对应的请求事件不再阻塞到ResponseQueue.poll，那么线程继续往下执行，即前面小节[2.1.2] NDC.execute的过程。
• 当响应码区间为[600,700)：则发送消息交由mCallbackHandler处理，向线程android.fg发送Handler消息，该线程收到后回调NativeDaemonConnector的handleMessage来处理。

2.2.4 小节

2.3 Kernel上报事件

介绍完MonutService与vold之间的交互通信，那么再来看看Kernel是如何上报事件到vold的流程。再介绍这个之前，先简单看看vold启动时都创建了哪些对象。

[-> system/vold/Main.cpp]

int main(int argc, char** argv) {
    setenv("ANDROID_LOG_TAGS", "*:v", 1);
    android::base::InitLogging(argv, android::base::LogdLogger(android::base::SYSTEM));

    VolumeManager *vm;
    CommandListener *cl;
    CryptCommandListener *ccl;
    NetlinkManager *nm;

    mkdir("/dev/block/vold", 0755);

    //用于cryptfs检查，并mount加密的文件系统
    klog_set_level(6);

    //创建单例对象VolumeManager
    if (!(vm = VolumeManager::Instance())) {
        exit(1);
    }

    //创建单例对象NetlinkManager
    if (!(nm = NetlinkManager::Instance())) {
        exit(1);
    }

    if (property_get_bool("vold.debug", false)) {
        vm->setDebug(true);
    }

    // 创建CommandListener对象
    cl = new CommandListener();
    // 创建CryptCommandListener对象
    ccl = new CryptCommandListener();

    //给vm设置socket监听对象
    vm->setBroadcaster((SocketListener *) cl);
    //给nm设置socket监听对象
    nm->setBroadcaster((SocketListener *) cl);

    if (vm->start()) { //启动vm
        exit(1);
    }

    process_config(vm)； //解析config参数

    if (nm->start()) {  //启动nm
        exit(1);
    }

    coldboot("/sys/block");

    //启动响应命令的监听器
    if (cl->startListener()) {
        exit(1);
    }

    if (ccl->startListener()) {
        exit(1);
    }

    //Vold成为监听线程
    while(1) {
        sleep(1000);
    }

    exit(0);
}

该方法的主要功能是创建并启动：VolumeManager，NetlinkManager ，NetlinkHandler，CommandListener，CryptCommandListener。

2.3.1 Uevent && Netlink

Kernel上报事件给用户空间采用了Netlink方式，Netlink是一种特殊的socket，它是Linux所特有的。传送的消息是暂存在socket接收缓存中，并不被接收者立即处理，所以netlink是一种异步通信机制。而对于syscall和ioctl则都是同步通信机制。

Linux系统中大量采用Netlink机制来进行用户空间程序与kernel的通信。例如设备热插件，这会产生Uevent(User Space event，用户空间事件)是Linux系统中用户空间与内核空间之间通信的消息内容，主要用于设备驱动的事件通知。Uevent是Kobject的一部分，当Kobject状态改变时通知用户空间程序。对于kobject_action包括KOBJ_ADD，KOBJ_REMOVE，KOBJ_CHANGE，KOBJ_MOVE，KOBJ_ONLINE，KOBJ_OFFLINE，当发送任何一种action都会引发Kernel发送Uevent消息。

vold早已准备就绪等待着Kernel上报Uevent事件，接下来看看vold是如何接收Uevent事件，这就从NetlinkManager启动开始说起。

2.3.2 NM.start

[-> NetlinkManager.java]

int NetlinkManager::start() {
    struct sockaddr_nl nladdr;
    int sz = 64 * 1024;
    int on = 1;

    memset(&nladdr, 0, sizeof(nladdr));
    nladdr.nl_family = AF_NETLINK;
    nladdr.nl_pid = getpid(); //记录当前进程的pid
    nladdr.nl_groups = 0xffffffff;

    //PF_NETLINK代表创建的是Netlink通信的socket
    if ((mSock = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM | SOCK_CLOEXEC,
            NETLINK_KOBJECT_UEVENT)) < 0) {
        return -1;
    }

    //设置uevent的SO_RCVBUFFORCE选项
    if (setsockopt(mSock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUFFORCE, &sz, sizeof(sz)) < 0) {
        goto out;
    }

    //设置uevent的SO_PASSCRED选项
    if (setsockopt(mSock, SOL_SOCKET, SO_PASSCRED, &on, sizeof(on)) < 0) {
        goto out;
    }
    //绑定uevent socket
    if (bind(mSock, (struct sockaddr *) &nladdr, sizeof(nladdr)) < 0) {
        goto out;
    }

    //创建NetlinkHandler
    mHandler = new NetlinkHandler(mSock);
    //启动NetlinkHandler
    if (mHandler->start()) {
        goto out;
    }
    return 0;

out:
    close(mSock);
    return -1;
}

NetlinkManager启动的过程中，会创建并启动NetlinkHandler，在该过程会通过pthrea_create创建子线程专门用于接收Kernel发送过程的Uevent事件，当收到数据时会调用NetlinkListener的onDataAvailable方法。

2.3.3 NL.onDataAvailable

[-> NetlinkListener.cpp]

bool NetlinkListener::onDataAvailable(SocketClient *cli)
{
    int socket = cli->getSocket();
    ...
    //多次尝试获取socket数据
    count = TEMP_FAILURE_RETRY(uevent_kernel_recv(socket,
            mBuffer, sizeof(mBuffer), require_group, &uid));
    ...

    NetlinkEvent *evt = new NetlinkEvent();
    //解析消息并封装成NetlinkEvent
    if (evt->decode(mBuffer, count, mFormat)) {
        //事件处理【见小节2.3.4】
        onEvent(evt);
    } else if (mFormat != NETLINK_FORMAT_BINARY) {
        ...
    }

    delete evt;
    return true;
}

2.3.4 NH.onEvent

[-> NetlinkHandler.cpp]

void NetlinkHandler::onEvent(NetlinkEvent *evt) {
    VolumeManager *vm = VolumeManager::Instance();
    const char *subsys = evt->getSubsystem();

    if (!strcmp(subsys, "block")) {
        //对于块设备的处理过程
        vm->handleBlockEvent(evt);
    }
}

驱动设备分为字符设备、块设备、网络设备。对于字符设备按照字符流的方式被有序访问，字符设备也称为裸设备，可以直接读取物理磁盘，不经过系统缓存，例如键盘直接产生中断。而块设备是指系统中能够随机（不需要按顺序）访问固定大小数据片（chunks）的设备，例如硬盘；块设备则是通过系统缓存进行读取。

2.3.5 VM.handleBlockEvent

[-> VolumeManager.cpp]

void VolumeManager::handleBlockEvent(NetlinkEvent *evt) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mLock);

    std::string eventPath(evt->findParam("DEVPATH")?evt->findParam("DEVPATH"):"");
    std::string devType(evt->findParam("DEVTYPE")?evt->findParam("DEVTYPE"):"");
    if (devType != "disk") return;

    int major = atoi(evt->findParam("MAJOR"));
    int minor = atoi(evt->findParam("MINOR"));
    dev_t device = makedev(major, minor);

    switch (evt->getAction()) {
    case NetlinkEvent::Action::kAdd: {
        for (auto source : mDiskSources) {
            if (source->matches(eventPath)) {
                int flags = source->getFlags();
                if (major == kMajorBlockMmc) {
                    flags |= android::vold::Disk::Flags::kSd;
                } else {
                    flags |= android::vold::Disk::Flags::kUsb;
                }

                auto disk = new android::vold::Disk(eventPath, device,
                        source->getNickname(), flags);
                //创建
                disk->create();
                mDisks.push_back(std::shared_ptr<android::vold::Disk>(disk));
                break;
            }
        }
        break;
    }
    case NetlinkEvent::Action::kChange: {
        ...
        break;
    }
    case NetlinkEvent::Action::kRemove: {
        ...
        break;
    }
    ...
    }
}

2.3.6 小节

此处，我们以设备插入为例，来描绘一下整个流程图：

2.4 不请自来的广播

线程VoldConnector通过socket不断监听来自vold发送过来的响应消息：

• 情况一：响应码不属于区间[600, 700)，则直接将响应消息添加到响应队列ResponseQueue，当响应队列有数据到来，便会唤醒另个线程MountService阻塞操作poll轮询操作。
• 情况二：响应码属于区间[600, 700)，则便是Unsolicited broadcasts，即不请自来的广播，当收到这类事件，则处理流程较第一种情况更复杂。

接下来说说第二种情况，对于不清自来的广播，这里的广播并非四大组件的广播，而是vold通过socket发送过来的消息。还记得还文章的开头讲到进程架构时，提到会涉及system_server的线程android.fg，那么这个过程就会讲到该线程的作用。回到NDC的监听socket过程。

2.4.1 NDC.listenToSocket

[-> NativeDaemonConnector.java]

private void listenToSocket() throws IOException {
    LocalSocket socket = null;
    try {
        socket = new LocalSocket();
        LocalSocketAddress address = determineSocketAddress();
        //建立与"/dev/socket/vold"的socket连接
        socket.connect(address);
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        synchronized (mDaemonLock) {
            mOutputStream = socket.getOutputStream();
        }
        ...
        while (true) {
            int count = inputStream.read(buffer, start, BUFFER_SIZE - start);
            ...
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                if (buffer[i] == 0) {
                    final String rawEvent = new String(
                            buffer, start, i - start, StandardCharsets.UTF_8);
                    //解析socket服务端发送的event
                    final NativeDaemonEvent event = NativeDaemonEvent.parseRawEvent(
                            rawEvent);
                    log("RCV <- {" + event + "}");

                    if (event.isClassUnsolicited()) {
                        ...
                        //当响应码区间为[600,700)，则发送消息交由mCallbackHandler处理【2.4.2】
                        if (mCallbackHandler.sendMessage(mCallbackHandler.obtainMessage(
                                event.getCode(), event.getRawEvent()))) {
                            releaseWl = false;
                        }
                    } else {
                        //对于其他响应码则添加到mResponseQueue队列
                        mResponseQueue.add(event.getCmdNumber(), event);
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        //收尾清理类工作
        ...
    }
}

通过handler消息机制，由mCallbackHandler处理，先来看看其初始化过程：

mCallbackHandler = new Handler(mLooper, this);
Looper=`FgThread.get().getLooper();

可以看出Looper采用的是线程android.fg的Looper，消息回调处理方法为NativeDaemonConnector的handleMessage来处理。那么这个过程就等价于向线程android.fg发送Handler消息，该线程收到消息后回调NativeDaemonConnector的handleMessage来处理。

2.4.2 NDC.handleMessage

[-> NativeDaemonConnector.java]

public boolean handleMessage(Message msg) {
    String event = (String) msg.obj;
    ...
    mCallbacks.onEvent(msg.what, event, NativeDaemonEvent.unescapeArgs(event))
            log(String.format("Unhandled event '%s'", event));
    ...
    return true;
}

此处的mCallbacks，是由实例化NativeDaemonConnector对象时传递进来的，在这里是指MountService。转了一圈，又回到MountService。

2.4.3 MS.onEvent

[-> MountService.java]

public boolean onEvent(int code, String raw, String[] cooked) {
    synchronized (mLock) {
        return onEventLocked(code, raw, cooked);
    }
}

onEventLocked增加同步锁，用于多线程并发访问的控制。根据vold发送过来的不同响应码将采取不同的处理流程。

2.4.4 MS.onEventLocked

这里以收到vold发送过来的RCV <- {650 public ...}为例，即挂载外置存储(比如sdcard或者otg)的流程：

[-> MountService.java]

private boolean onEventLocked(int code, String raw, String[] cooked) {
    switch (code) {
        case VoldResponseCode.VOLUME_CREATED: {
            final String id = cooked[1];
            final int type = Integer.parseInt(cooked[2]);
            final String diskId = TextUtils.nullIfEmpty(cooked[3]);
            final String partGuid = TextUtils.nullIfEmpty(cooked[4]);

            final DiskInfo disk = mDisks.get(diskId);
            final VolumeInfo vol = new VolumeInfo(id, type, disk, partGuid);
            mVolumes.put(id, vol);
            //【见小节2.4.5】
            onVolumeCreatedLocked(vol);
            break;
        }
        ...
    }
    return true;
}

2.4.5 MS.onVolumeCreatedLocked

[-> MountService.java]

private void onVolumeCreatedLocked(VolumeInfo vol) {
    if (vol.type == VolumeInfo.TYPE_EMULATED) {
        ...

    } else if (vol.type == VolumeInfo.TYPE_PUBLIC) {
        if (Objects.equals(StorageManager.UUID_PRIMARY_PHYSICAL, mPrimaryStorageUuid)
                && vol.disk.isDefaultPrimary()) {
            vol.mountFlags |= VolumeInfo.MOUNT_FLAG_PRIMARY;
            vol.mountFlags |= VolumeInfo.MOUNT_FLAG_VISIBLE;
        }

        if (vol.disk.isAdoptable()) {
            vol.mountFlags |= VolumeInfo.MOUNT_FLAG_VISIBLE;
        }

        vol.mountUserId = UserHandle.USER_OWNER;
        //【见小节2.4.6】
        mHandler.obtainMessage(H_VOLUME_MOUNT, vol).sendToTarget();

    }
}

这里又遇到一个Handler类型的对象mHandler,再来看看其定义：

private static final String TAG = "MountService";
HandlerThread hthread = new HandlerThread(TAG);
hthread.start();
mHandler = new MountServiceHandler(hthread.getLooper());

该Handler用到Looper便是线程MountService中的Looper，回调方法handleMessage位于MountServiceHandler类：

2.4.6 MSH.handleMessage

[-> MountService]

class MountServiceHandler extends Handler {
    public void handleMessage(Message msg) {
       switch (msg.what) {
           case H_VOLUME_MOUNT: {
               final VolumeInfo vol = (VolumeInfo) msg.obj;
               try {
                   //发送mount操作
                   mConnector.execute("volume", "mount", vol.id, vol.mountFlags,
                           vol.mountUserId);
               } catch (NativeDaemonConnectorException ignored) {
               }
               break;
            }
            ...
        }
    }
}

当收到H_VOLUME_MOUNT消息后，线程MountService便开始向vold发送mount操作事件，再接下来的流程在前面小节【2.1】已经介绍过

2.4.7 小结

三、总结

3.1 概括

本文首先从模块化和进程的视角来整体上描述了Android存储系统的架构，并分别展开对MountService, vold, kernel这三者之间的通信流程的剖析。

{1}Java framework层：采用 1个主线程(system_server) + 3个子线程(VoldConnector, MountService, CryptdConnector)；MountService线程不断向vold下发存储相关的命令，比如mount, mkdirs等操作；而线程VoldConnector一直处于等待接收vold发送过来的应答事件；CryptdConnector通信原理和VoldConnector大抵相同，有兴趣地读者可自行阅读。

(2)Native层：采用 1个主线程(/system/bin/vold) + 3个子线程(vold) + 1子进程(/system/bin/sdcard)；vold进程中会通过pthread_create方式来生成3个vold子线程，其中两个vold线程分别跟上层system_server进程中的线程VoldConnector和CryptdConnector通信，第3个vold线程用于与kernel进行netlink方式通信。

本文更多的是以系统的角度来分析存储系统，那么对于app来说，那么地方会直接用到的呢？其实用到的地方很多，例如存储设备挂载成功会发送广播让app知晓当前存储挂载情况；其次当app需要创建目录时，比如getExternalFilesDirs, getExternalCacheDirs等当目录不存在时都需向存储系统发出mkdirs的命令。另外，MountService作为Binder服务端，那自然而然会有Binder客户端，那就是StorageManager，这个比较简单就不再细说了。

3.2 架构的思考

以Google原生的Android存储系统的架构设计主要采用Socket阻塞式通信方式，虽然vold的native层面有多个子线程干活，但各司其职，真正处理上层发送过来的命令，仍然是单通道的模式。

目前外置存储设备比如sdcard或者otg的硬件质量参差不齐，且随使用时间碎片化程度也越来越严重，对于存储设备挂载的过程中往往会有磁盘检测fsck_msdos或者整理fstrim的动作，那么势必会阻塞多线程并发访问，影响系统稳定性，从而造成系统ANR。

例如系统刚启动过程中reset操作需要重新挂载外置存储设备，而紧接着system_server主线程需要执行的volume user_started操作便会被阻塞，阻塞超过20s则系统会抛出Service Timeout的ANR。

四. 响应码附录

关于响应吗, Java层定义在MountService.java中的内部类VoldResponseCode,与Native层定义在文件/system/vold/ResponseCode.h中的响应码是相互对应.

不同的响应码(VoldResponseCode)，代表着系统不同的处理结果，主要分为下面几大类：

100系列

请求操作已初始化, 收到部分响应. 在处理下一个新命令前,期待收到另一个响应消息

200系列

请求操作成功完成

400系列

命令已接收,但请求操作并没有执行

500系列

命令没有接收,请求操作也没有执行

600系列

不请自来的广播, 是指由底层触发的事件, 主要是针对disk，volume的一系列操作，比如设备创建，状态、路径改变，以及文件类型、uid、标签改变等事件都是底层直接触发。

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