Android系统的启动

本文用于记录Android系统相关知识点。主要是文字总结～

一、Android系统架构

Android系统架构分为五层：
① 应用层（APP）
② 应用框架层（Framework）
③系统运行库层（native C/C++，比如OpenGL ES；Android runtime以及Android基础库）
④ 硬件抽象层（内核与硬件电路之间的接口层）
⑤ Linux内核层（内存管理，进程管理）

二、Android系统启动

① init进程

init进程是Android系统中用户空间的第一个进程，被赋予了很多重要的职责，比如创建Zygote和属性服务等。

介绍init之前，先了解系统的启动：

• 当电源按下时引导芯片代码从预定的地方（固化在ROM）开始执行。加载引导程序BootLoader到RAM中，然后执行。BootLoader是Android系统运行前的一个小程序，负责把系统OS拉起来并运行。
• 当内核启动时，设置缓存，被保护存储器，计划列表，加载驱动。在内核完成系统设置后，会在系统文件中寻找init.rc文件，并启动init进程。
• init进程用来初始化和启动属性服务，也用来启动Zygote进程。

简单说就是，顺序就是：

引导程序 ➡️➡️➡️  Linux内核  ➡️➡️➡️  init进程

从init进程的main函数可以看出，它主要是做了以下三件事：

• 创建和挂在启动所需的文件目录
• 初始化和启动属性服务。（属性服务类似注册表管理器，用键值对记录用户和软件的一些使用信息，在系统或软件重启时，能根据这些记录，进行相应的初始化）
• 解析init.rc 配置文件并启动Zygote进程。

② Zygote进程

Zygote之所以叫孵化器，是因为DVM和ART，应用程序进程以及运行系统的关键服务的SystemServer进程都是由Zygote进程所创建的。
Zygote进程在启动时会创建DVM或者ART，通过fork而创建的APP进程以及SystemServer进程可以在内部获取一个DVM或者ART的实例副本。

在init.rc（使用的是Android Init Language）中决定要启动哪一个Zygote脚本（使用的是Android Init Language）。

init启动Zygote，会找到要启动的Zygote脚本，判断进程是否启动，如果没有就fork函数创建子进程，并返回pid值。如果进程被启动，就会进入Zygote的main函数，也就是app_main.cpp的main函数中，并调用runtime的start函数启动ZygoteInit。

Zygote进程都是通过fork创建子进程，所以它们都可以进入app_main.cpp的main函数。main函数的参数可以判断该进程是什么进程（是Zygote还是SystemServer还是其他）。
如果是Zygote进程，会调用AppRuntime的start函数。该函数会先创建java虚拟机，为虚拟机注册JNI方法。通过参数（ZygoteInit的名字）找到ZygoteInit的main方法，并通过JNI调用该main的方法。也就是这里从Native层进入Java框架层。

ZygoteInit的main函数主要做了四件事：

• ZygoteServer创建一个Server端的Scoket（ScoketName为zygote，用来等待AMS请求Zygote进程赉 创建新的应用程序进程）
• 预加载类和资源
• 启动SystemServer进程（Zygote通过fork，进程名为system_server）
• 等待AMS请求创建新的应用程序进程（ZygoteServer的runSelectLoop，无限循环等待AMS的请求）

所以从上面来看，程序运行的顺序如下：

app_main  ➡️➡️➡️  AndroidRuntime ➡️➡️➡️ ZygoteInit ➡️➡️➡️ ZygoteServer

Zygote进程启动总结：

• 创建AppRuntime并调用其start方法，启动Zygote进程。
• 创建java虚拟机并为java虚拟机注册JNI方法。
• 通过JINI调用ZygoteInit的main函数进入Zygote的java框架层。
• 通过registerZygoteSocket方法创建服务器端Scoket，并通过runSelectLoop方法等待AMS的请求来创建新的应用程序。
• 启动SystemServer进程。

③ SystemServer进程

SystemServer进程用于创建系统服务（AMS，WMS和PMS等）。
SystemServer是在ZygoteInit的startSystemServer方法中启动的，SystemServer进程是Zygote的fork，需要关闭对其进程没用的Socket。
除了startSystemServer还要执行handleSystemServerProcess，即处理SystemServer进程，主要的处理呢有启动Binder线程池(nativeZygoteInit)和进入SystemServer的main方法。

ZygoteInit  ➡️➡️➡️  SystemServer

nativeZygoteInit是一个JNI方法，底层是AppRuntime的onZygoteInit。onZygoteInit主要是启动线程池。

进入SystemServer是通过RuntimeInit的applicationInit，接着调用invokeStaticMain，通过反射得到SystemServer类，找到SystemServer类的main方法，通过Zygote中的静态类MethodAndArgsCaller动态调用（这个有点不理解？）。

接下来就直行道SystemServer的main函数，main函数主要有以下作用：

• 创建消息Looper
• 加载动态库
• 创建SystemServiceManager（会对系统服务进行创建、启动和生命周期管理）
• 启动服务（引导服务、核心服务、其他服务），启动比较简单，直接通过startServer，并添加在mServices中。

所以，SystemServer的启动流程主要经过了以下的过程：

Zygote ➡️➡️➡️ AndroidRuntime ➡️➡️➡️  RuntimeInit ➡️➡️➡️ MethodAndArgsCaller ➡️➡️➡️ systemServer

SystemServer的主要工作：

• 启动Binder线程池，这样就可以与其他进程进行通信。
• 创建SystemServiceManager，用于对系统服务的创建、启动和生命周期管理
• 启动各种系统服务

④ Launcher进程

Launcher是Android系统的桌面，也是一个应用程序，用来启动应用程序和管理应用程序的图标。Launcher在启动过程中会请求PMS返回安装的应用程序的信息，从而才能展示。
SystemService进程启动过程中会启动PMS，PMS启动后会将系统中的应用程序安装完成。然后已经启动的AMS会把Launcher启动起来。

在SystemServer的startOtherServices中，AMS会调用systemReady。systemReady里面
ActivityStackSupervisor（监督者）去resumeXXX，底层是让ActivityStack去resumeXXX，饶了一圈，最终会调用AMS的startHomeActivityLocked。
其中的调用流程如下图：

SystemServer ➡️➡️➡️ AMS ➡️➡️➡️ ActivityStackSupervisor ➡️➡️➡️ ActivityStack 
➡️➡️➡️ ActivityStackSupervisor ➡️➡️➡️  AMS

AMS的startHomeActivityLocked是最终启动的关键，创建了Launcher启动所需的Intent，Launcher是一个程序，所以有对应的AndroidManifest.xml，通过AndroidManifest.xml的action和category可以有符合的应用程序已经启动，没有的话调用ActivityStarterde startHomeActivityLocked来启动Launcher。在 startHomeActivityLocked``中，会启动Launcher，并进入Launcher的onCreate```。

Launcher启动后还会做很多工作，比如显示应用程序图标。这些都是在onCreate中完成。

那应用程序图标是怎么显示的呢？

在onCreate中，主要涉及到以下这些类：

Launcher ➡️➡️➡️ LauncherAppState  ➡️➡️➡️  LauncherModel

最终会在LauncherModel的startLoader里面创建具有消息循环的线程HandlerThread对象，创建Handler，传入HandlerThread的Looper。也就需要子线程来处理某个任务，这个任务就是LauncherModel的内部类LoaderTask，LoaderTask主要用来加载工作区信息和绑定工作区信息（Launcher是用工作区的形式来显示系统安装的应用程序的图标的），以及加载系统已经安装的应用程序信息loadAllApps，但是loadAllApps是用了mHandler的post方法，所以加载app信息这块实际上跳到主线程去执行，loadAllApps实际上又调用了Launcher的bindAllApplications，而bindAllApplications其实就是设置UI（mAppView）。mAppView是一个AllAppsContainerView，将app信息数组传递给mAppView的setApps方法，mAppView在其onFinishInflate利用recycleView实现app信息的展示。

这样图标的显示流程就结束了。

⑤ APP进程

要启动APP，AMS要先检查APP所需的APP进程是否存在，不存在就会请求Zygote进程启动需要的APP进程。Zygote创建的Scoket就是用来等待AMS请求Zygote来创建新的APP进程。Zygote进程通过Fork自身创建APP进程，APP进程就会获得Zygote在启动时创建的虚拟机实例，也创建了Binder线程池和消息循环。

所以，APP进程的启动通过分割可以分为两个步骤：

• AMS发送启动APP进程请求
• Zygote接受请求并创建APP进程

AMS发送启动APP进程请求

AMS通过调用startProcessLocked方法向Zygote进程发送请求。在startProcessLocked主要处理数据（用户ID，线程名等），然后调用Process（线程类）的start，又跳转到ZygoteProcess的start→startViaZygote，在startViaZygote中，会讲应用进程的启动参数保存在argsForZygote中，方法的最后会调用zygoteSendArgsAndGetResult。zygoteSendArgsAndGetResult需要两个参数ZygoteState和argsForZygote，ZygoteState是ZygoteProcessopenZygoteSocketIfNeeded返回的，在openZygoteSocketIfNeeded中，与Zygote进程建立Scoket连接，并返回ZygoteState。这边有点绕，ZygoteProcess不是Zygote进程的角色，是用来保持与Zygote进程的通信状态，ZygoteState是ZygoteProcess的静态内部类，用来表示与Zygote进程通信的状态。

走到这步，ZygoteProcess与Zygote进程算是连接成功了，zygoteSendArgsAndGetResult会将argsForZygote写入到ZygoteState，Zygote进程会通过ZygoteState收到一个创建新的APP进程的请求。

所以，大概的流程如下：

AMS  ➡️➡️➡️  Process  ➡️➡️➡️   ZygoteProcess  ➡️➡️➡️  ZygoteState

ZygoteState是一个最终的桥梁。

Zygote接受请求并创建APP进程

在之前讲到的中，ZygoteInit的main中，zygoteServer会创建Scoket，runSelectLoop来等待AMS请求。那runSelectLoop又做了哪些事？runSelectLoop开启了一个死循环，用来等待ZygoteConnection的runOnce执行，```runOnce``做了以下的事情

• 获取应用程序进程的启动参数
• 封装成新的参数
• 创建应用程序进程
• 关闭Socket（不需要Socket）
• 处理应用程序进程（ZygoteInit的zygoteInit）

其他几条好理解，处理应用程序进程是执行ZygoteInit的zygoteInit，又让RuntimeInit和ZygoteInit做了一些事，概括起来就是创建Binder线程池，通过反射获取到ActivityThread类和main方法，最终执行其main方法，至此就是完成APP进程的创建并运行了主线程的管理类ActivityThread。

大概的流程如下：

Zygote  ➡️➡️➡️  ZygoteServer  ➡️➡️➡️   ZygoteConnection  ➡️➡️➡️  RuntimeInit   ➡️➡️➡️  ActivityThread

还有一个需要补充的点， Binder线程池的启动过程

Binder线程池的启动在ZygoteInit的zygoteInit方法中，是调用ZygoteInit的nativeZygoteInit，这是一个JNI方法，对应的CPP实现是AndroidRuntime的方法，AppRuntime继承自AndroidRuntime，最终又是调用AppRuntime的onZygoteInit（实现在app_main.cpp），通过ProcessState的startThreadPool来启动Binder线程池。
支持Binder通信的进程中都有一个ProcessState类，其中有个mThreadPoolStarted属性来保证被启动一次。没有启动的情况会调用spawnPooledThread来创建线程池的第一个线程，也就是线程池的主线程。
Binder线程是PoolThread类型（继承Thread），在创建的时候会将当前线程注册到Binder驱动程序中，这样该线程也加入了Binder线程池中，新创建的APP进程也就支持Binder进程间通信了。
我们只需创建当前进程的Binder对象，并将它注册到ServiceManager中就可以实现Binder进程间通信，而不必关心进程间是如何通过Binder进行通信的。