Android 系统启动 - SystemServer 进程

作者: Whyn | 来源:发表于2019-03-15 00:48 被阅读0次

前言

SystemServer 是 Android 系统非常重要和核心的服务，其进程名为 system_server，它会在创建后启动系统中的其他服务，然后成为所有服务的管理者，向应用程序和其他服务提供服务。

SystemServer 启动过程

在 Android 系统启动 - Zygote 进程中，我们提到，Zygote 进程在创建虚拟机，注册 JNI 本地方法，预加载类和资源等操作后，会启动 SystemServer 进程：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    try {
        ···
        if (startSystemServer) {
            // 启动 SystemServer 进程
            startSystemServer(abiList, socketName);
        }
    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run(); // 真正启动 SystemServer
    } 
    ···
}

SystemServer 进程的启动是由 startSystemServer 负责：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
            throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
        ···
        /* Hardcoded command line to start the system server */
        // 启动SystemServer进程的参数
        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 {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
            ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
            ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

            /* Request to fork the system server process */
            // 请求创建SystemServer进程
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

        /* For child process */
        // 进入SystemServer进程
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }
            // 处理SystemServer进程剩余工作
            handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return true;
    }

从该函数中可以看到，startSystemServer 最终通过 Zygote.forkSystemServer 方法创建了 SystemServer 进程，并且从传递启动 SystemServer 进程的参数可以得知：SystemServer 进程的 uid=pid=1000；进程名为 system_server；启动的类名为com.android.server.SystemServer。

对于 Zygote.forkSystemServer 方法，其内部其实是通过 JNI 方法调用 C++ 层代码，最终通过调用 fork 函数创建子进程，也即：SystemServer 进程。由于我们这边侧重于对流程的解析，所以我们就不深入分析 Zygote.forkSystemServer 的具体过程。感兴趣者可以查看：Android系统启动-SystemServer上篇

startSystemServer 通过 Zygote.forkSystemServer 成功创建完 SystemServer 进程后，就会进入 handleSystemServerProcess 函数，对 SystemServer 进程做进一步操作：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static void handleSystemServerProcess(
        ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

    //关闭复制父进程zygote的Socket
    closeServerSocket();

    // set umask to 0077 so new files and directories will default to owner-only permissions.
    Os.umask(S_IRWXG | S_IRWXO);

    if (parsedArgs.niceName != null) {
        Process.setArgV0(parsedArgs.niceName); //设置当前进程名为"system_server"
    }

    final String systemServerClasspath = Os.getenv("SYSTEMSERVERCLASSPATH");
    if (systemServerClasspath != null) {
        // 进行dex优化
        performSystemServerDexOpt(systemServerClasspath);
    }

    if (parsedArgs.invokeWith != null) {
        String[] args = parsedArgs.remainingArgs;
        // If we have a non-null system server class path, we'll have to duplicate the
        // existing arguments and append the classpath to it. ART will handle the classpath
        // correctly when we exec a new process.
        if (systemServerClasspath != null) {
            String[] amendedArgs = new String[args.length + 2];
            amendedArgs[0] = "-cp";
            amendedArgs[1] = systemServerClasspath;
            System.arraycopy(parsedArgs.remainingArgs, 0, amendedArgs, 2, parsedArgs.remainingArgs.length);
        }
        // 启动应用进程
        WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
                parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
                VMRuntime.getCurrentInstructionSet(), null, args);
    } else {
        ClassLoader cl = null;
        if (systemServerClasspath != null) {
            // 创建类加载器，并赋予当前线程
            cl = new PathClassLoader(systemServerClasspath, ClassLoader.getSystemClassLoader());
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
        }

        /*
         * Pass the remaining arguments to SystemServer.
         */
        // 传递剩余参数给到SystemServer进程，做进一步处理
        RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
    }

    /* should never reach here */
}

该函数其实主要做了三件事：

关闭从父进程 Zygote 复制而来的 Socket：closeServerSocket
设置当前进程名为 system_server：Process.setArgV0
进行 dex 优化：performSystemServerDexOpt
对 SystemServer 进程做进一步处理：RuntimeInit.zygoteInit

我们主要来看下 RuntimeInit.zygoteInit：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java

public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    if (DEBUG) Slog.d(TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");

    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "RuntimeInit");
    // 将 System.out,System.err 重定向到 Android Log
    redirectLogStreams();
    // 进行一些通用操作的初始化
    commonInit();
    // JNI 调用本地方法启动Binder线程池
    nativeZygoteInit();
    // 应用初始化
    applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}

zygoteInit 函数主要做了四件事：

重定向系统输出流/错误流到 Android Log 输出：redirectLogStreams
进行一些通用操作的初始化：设置默认的未捕获异常处理，时区设置，设置默认 HTTP User-Agent 头部等等：commonInit
使用 JNI 调用本地方法启动 Binder 线程池：nativeZygoteInit
对 SystemServer 的进一步初始化：applicationInit

我们主要来看下：nativeZygoteInit 和 applicationInit。

先查看下 nativeZygoteInit 源码实现：见名知意，该方法调用的是一个本地方法，其对应的 JNI 文件为：frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

/*
 * JNI registration.
 */
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 },
};

因此，nativeZygoteInit 对应的本地方法（C++）为：com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit：

···
static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;
···
static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
  //gCurRuntime为AppRuntime，是在AndroidRuntime.cpp中定义的
    gCurRuntime->onZygoteInit();
}

此处的 gCurRuntime 是 AndroidRuntime 类型，但其真实类型为 AndroidRuntime 的子类型：AppRuntime。所以 nativeZygoteInit 最终调用的是 AppRuntime.onZygoteInit：
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

virtual void onZygoteInit()
{
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    ALOGV("App process: starting thread pool.\n");
    proc->startThreadPool(); // 启动 Binder 线程池
}

可以看到，nativeZygoteInit 最终通过 ProcessState.startThreadPool 启动了一个 Binder 线程池。到此，SystemServer 进程就具备了与其他进程通过 Binder 进程通信的功能了。

所以，nativeZygoteInit 的作用就是启动 Binder 线程池。

接下来我们来看下：applicationInit
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java

private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    //true代表应用程序退出时不调用AppRuntime.onExit()，否则会在退出前调用
    nativeSetExitWithoutCleanup(true);

    // 设置虚拟机的内存利用率参数值为0.75
    VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
    VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);

    final Arguments args;
    try {
        // 解析参数
        args = new Arguments(argv);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        Slog.e(TAG, ex.getMessage());
        // let the process exit
        return;
    }

    // The end of of the RuntimeInit event (see #zygoteInit).
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);

    // Remaining arguments are passed to the start class's static main
    // 调用类"com.android.server.SystemServer" 的 main 方法
    invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}

applicationInit 最终调用了 invokeStaticMain 方法，此处：args.startClass 为 "com.android.server.SystemServer"，我们进入 invokeStaticMain 方法查看下：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java

private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    Class<?> cl;

    try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        ···
    }

    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
    } catch (NoSuchMethodException ex) {
        ···
    }
    ···
    /*
     * This throw gets caught in ZygoteInit.main(), which responds
     * by invoking the exception's run() method. This arrangement
     * clears up all the stack frames that were required in setting
     * up the process.
     */
    throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

这里其实就是通过反射找到类 com.android.server.SystemServer 的 main 方法，然后通过主动抛出一个 ZygoteInit.MethodAndArgsCaller 异常，该异常会被 ZygoteInit.main() 函数捕获，然后再捕获该异常处会通过 MethodAndArgsCaller.run 最终反射调用 SystemServer.main 函数，具体源码如下：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    try {
        ···
    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run();
    } catch (RuntimeException ex) {
        ···
    }
}

public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
        implements Runnable {
    ···
    public void run() {
        try {
            mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            ···
        }
    }
}

到这里，SystemServer.main 函数就启动了，接下来的操作才是 SystemServer 真正发挥 Android 核心服务的体现。

那接下来我们就来分析下 SystemServer.main 函数，看下其做了哪些事情。

SystemServer 核心操作过程

先来看下 SystemServer.main 函数：
frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

public static void main(String[] args) {
        new SystemServer().run();
    }

直接创建一个 SystemServer 实例，并调用其 run 方法：

private void run() {
    ···
    // Ensure binder calls into the system always run at foreground priority.
    // 确保当前进程的 binder 调用总是运行在前台优先级
    BinderInternal.disableBackgroundScheduling(true);
    ···
    // 创建主线程 Looper
    Looper.prepareMainLooper();

    // Initialize native services.
    // 加载android_servers.so库，该库包含的源码在frameworks/base/services/目录下
    System.loadLibrary("android_servers");
    ···
    // Initialize the system context.
    // 初始化系统上下文
    createSystemContext();

    // Create the system service manager.
    //创建系统服务管理
    mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
    // 将mSystemServiceManager添加到本地服务的成员sLocalServiceObjects
    LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);

    // Start services.
    //  启动各种系统服务
    try {
        startBootstrapServices(); // 启动引导服务
        startCoreServices();      // 启动核心服务
        startOtherServices();     // 启动其他服务
    } catch (Throwable ex) {
        ···
    }
    ···
    // Loop forever.
    // 启动 Looper 循环
    Looper.loop();
    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}

SystemServer.run 方法做了很多事情，其中最主要的就是：

创建并启动主线程 Looper，使能线程间通讯：Looper.prepareMainLooper，Looper.loop
加载 android_servers.so 库：System.loadLibrary("android_servers")
初始化系统上下文：createSystemContext
创建系统服务管理 ServiceManager：new SystemServiceManager
启动各种服务：startBootstrapServices，startCoreServices，startOtherServices

我们主要来看下启动各种服务的大概过程：

首先看下 引导服务 启动过程：startBootstrapServices：
frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

private void startBootstrapServices() {
    // Wait for installd to finish starting up so that it has a chance to
    // create critical directories such as /data/user with the appropriate
    // permissions.  We need this to complete before we initialize other services.
    // 阻塞等待与installd建立socket通道
    Installer installer = mSystemServiceManager.startService(Installer.class);

    // Activity manager runs the show.
    // 启动服务ActivityManagerService
    mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService(
            ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService();
    mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
    mActivityManagerService.setInstaller(installer);

    // Power manager needs to be started early because other services need it.
    // Native daemons may be watching for it to be registered so it must be ready
    // to handle incoming binder calls immediately (including being able to verify
    // the permissions for those calls).
    // 启动服务PowerManagerService
    mPowerManagerService = mSystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class);
    ···
    // Manages LEDs and display backlight so we need it to bring up the display.
    // 启动服务LightsService
    mSystemServiceManager.startService(LightsService.class);

    // Display manager is needed to provide display metrics before package manager
    // starts up.
    // 启动服务DisplayManagerService
    mDisplayManagerService = mSystemServiceManager.startService(DisplayManagerService.class);

    // We need the default display before we can initialize the package manager.
    // Phase100：在初始化package manager之前，需要默认的显示
    mSystemServiceManager.startBootPhase(SystemService.PHASE_WAIT_FOR_DEFAULT_DISPLAY);
    ···
    // Start the package manager.
    // 启动服务PackageManagerService
    mPackageManagerService = PackageManagerService.main(mSystemContext, installer,
            mFactoryTestMode != FactoryTest.FACTORY_TEST_OFF, mOnlyCore);
    mFirstBoot = mPackageManagerService.isFirstBoot();
    mPackageManager = mSystemContext.getPackageManager();

    // 启动服务UserManagerService，新建目录/data/user/
    ServiceManager.addService(Context.USER_SERVICE, UserManagerService.getInstance());
    ···
    // Set up the Application instance for the system process and get started.
    // 设置 AMS
    mActivityManagerService.setSystemProcess();

    // The sensor service needs access to package manager service, app ops
    // service, and permissions service, therefore we start it after them.
    // 启动传感器服务
    startSensorService();
}

startBootstrapServices 主要做的就是启动各种引导服务（共 7 个）：
ActivityManagerService，PowerManagerService，LightsService，DisplayManagerService，PackageManagerService，UserManagerService，SensorService。

接下来看下 核心服务 启动过程：startCoreServices
frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

private void startCoreServices() {
    // Tracks the battery level.  Requires LightService.
    // 启动服务BatteryService，用于统计电量
    mSystemServiceManager.startService(BatteryService.class);

    // Tracks application usage stats.
    // 启动服务UsageStatsService，用于统计应用使用情况
    mSystemServiceManager.startService(UsageStatsService.class);
    mActivityManagerService.setUsageStatsManager(
            LocalServices.getService(UsageStatsManagerInternal.class));
    // Update after UsageStatsService is available, needed before performBootDexOpt.
    mPackageManagerService.getUsageStatsIfNoPackageUsageInfo();

    // Tracks whether the updatable WebView is in a ready state and watches for update installs.
    // 启动服务WebViewUpdateService
    mSystemServiceManager.startService(WebViewUpdateService.class);
}

startCoreServices 就是用来启动 BatteryService，UsageStatsService，WebViewUpdateService 这些核心服务。

最后来看下 其他服务 启动情况：startOtherServices
frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

 private void startOtherServices() {
        ...
        SystemConfig.getInstance();
        mContentResolver = context.getContentResolver(); // resolver
        ...
        mActivityManagerService.installSystemProviders(); //provider
        mSystemServiceManager.startService(AlarmManagerService.class); // alarm
        // watchdog
        watchdog.init(context, mActivityManagerService); 
        inputManager = new InputManagerService(context); // input
        wm = WindowManagerService.main(...); // window
        inputManager.start();  //启动input
        mDisplayManagerService.windowManagerAndInputReady();
        ...
        mSystemServiceManager.startService(MOUNT_SERVICE_CLASS); // mount
        mPackageManagerService.performBootDexOpt();  // dexopt操作
        ActivityManagerNative.getDefault().showBootMessage(...); //显示启动界面
        ...
        statusBar = new StatusBarManagerService(context, wm); //statusBar
        //dropbox
        ServiceManager.addService(Context.DROPBOX_SERVICE,
                    new DropBoxManagerService(context, new File("/data/system/dropbox")));
         mSystemServiceManager.startService(JobSchedulerService.class); //JobScheduler
         lockSettings.systemReady(); //lockSettings

        //phase480 和phase500
        mSystemServiceManager.startBootPhase(SystemService.PHASE_LOCK_SETTINGS_READY);
        mSystemServiceManager.startBootPhase(SystemService.PHASE_SYSTEM_SERVICES_READY);
        ...
        // 准备好window, power, package, display服务
        wm.systemReady();
        mPowerManagerService.systemReady(...);
        mPackageManagerService.systemReady();
        mDisplayManagerService.systemReady(...);
        
        //重头戏[见小节2.1]
        mActivityManagerService.systemReady(new Runnable() {
            public void run() {
              ...
            }
        });
    }

startOtherServices 的源码很长，但其主要做的就是启动一系列的服务（共 70 余个），如：AlarmManagerService，VibratorService 等。

SystemServer 启动完成各种服务后，最后就会开启 SystemServer 进程主线程消息循环 Looper.loop，使能 SystemServer 进程线程间通讯。

到此，SystemServer 进程已分析完毕。

总结

SystemServer 进程是由 Zygote 进程孵化（fork）出来的，具体为：Zygote 进程会通过 JNI 调用本地方法，fork 出一个子进程，也即 SystemServer 进程，然后 SystemServer 进程会通过一些列的操作，最终调用到 SystemServer.main函数，在此完成了 SystemServer 最主要的一些操作，让其成为 Android 承载核心业务的服务。

简单来讲，SystemServer 进程其主要做了以下几件事：

创建自身的 Binder 线程池，使能进程间通讯
创建系统服务管理：SystemServiceManager，用于管理系统中的所有服务
启动各种服务
启动线程间通讯

Android 系统启动 - SystemServer 进程

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SystemServer 启动过程

SystemServer 核心操作过程

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