Android应用进程启动流程
注意，这里讲的是应用进程的启动流程，不是应用的启动流程
本文承接部分Android系统启动流程的内容，建议有欲望的童鞋先看看：传送门
一：简介
想要启动一个应用程序，首先要保证这个应用所需要的应用程序进程已经启动。
AMS在启动应用程序时会检查这个应用所需要的应用程序进程是否存在，如果不存在就会请求Zygote进程启动一个新的应用程序进程。这个流程用到的通讯方式，就是我们在Android系统启动流程中提到过的，Zygote Server端的 Socket(这个socketName就是zygote)。
Android系统启动流程一文中提到过，Zygote在注册好了Socket之后，会调用一个方法：zygoteServer.runSelectLoop(),这样就会进入一个循环，等待AMS请求Zygote来创建新的应用程序进程。Zygote进程通过 fork自身创建应用程序进程，这样的应用程序进程就会获得Zygote进程在启动时创建的java虚拟机实例。当然，在应用程序进程创建过程中除了获取虚拟机实例外，还会创建 Binder线程池以及 Looper消息队列循环，这样运行在应用进程中的应用程序就可以方便地使用Binder进行进程间通信以及处理消息了。
二：应用程序进程的启动过程
1.AMS发送指令
AMS想要启动应用程序进程，就需要向Zygote进程发送创建应用进程的请求，AMS会通过调用
startProcessLocked方法向Zygote发送进程请求。
frameworks/base/services/core/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java:
private final void startProcessLocked(ProcessRecord app,String hostingType,String hostingNameStr,String abiOverride,String entryPoint,String entryPointArgs){
...
//获取要创建的应用程序进程的用户ID
int uid=app.uid;
...
//判断是否隔离
if(!app.isolated){
...
//对gids进行创建和赋值
if(ArrayUtils.isEmpty(permGids)){
gids=new int[3];
}else{
gids=new int[permGids.length+3];
System.arraycopy(permGids,0,gids,3,permGids.length);
}
gids[0]=UserHandle.getSharedAppGid(UserHandle.getAppId(uid));
gids[1]=UserHandle.getCacheAppGid(UserHandle.getAppId(uid));
gids[2]=UserHandle.getUserGid(UserHandle.getUserId(uid));
}
...
//准备反射ActivityThread
if(entryPoint==null) entryPoint="android.app.ActivityThread";
...
//启动应用程序进程,参数过长请忽略
startResult=Process.start(entryPoint,app.processName,uid,uid,gids,debugFlags,mountExternal,app.info.targetSdkVersion,seInfo,requiredAbi,instructionSet,app.info.dataDir,invokeWith,entryPointArgs);
...
}
该方法主要做了三件事，取得了uid，创建并赋值了gids，调用Process的start方法并传入ActivityThread等启动参数，准备启动进程。
接下来看看Process的start方法。
frameworks/base/core/java/android/os/ZygoteProcess.java:
//参数过长请忽略那些不太重要的
public final Process.ProcessStartResult start(final String processClass,final String niceName,int uid,int gid,int[] gids,int debugFlags,int mountExternal,int targetSdkVersion,String seInfo,String abi,String instructionSet,String appDataDir,String invokeWith,String[] zygoteArgs){
try{
//调用了startViaZygote方法
return startViaZygote(processClass,niceName,uid,gid,gids,debugFlags,mountExternal,targetSdkVersion,seInfo,abi,instructionSet,appDataDir,invokeWith,zygoteArgs);
}catch(ZygoteStartFailedEx ex){
...
throw new RuntimeException("Starting VM process through Zygote failed",ex)
}
}
...
//参数过长请忽略那些不太重要的
private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass,final String niceName,final int uid,final int gid,final int[] gids, int debugFlags,int mountExternal,int targetSdkVersion,String seInfo,String abi,String instructionSet,String appDataDir,String invokeWith,String[] extraArgs){
...
synchronized(mLock){
//这两个方法，zygoteSendArgsAndGetResult以及openZygoteSocketifNeeded才是重点
return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketifNeeded(abi),argsForZygote)
}
}
调来调去没有什么新鲜的，接下来就有两个方法，zygoteSendArgsAndGetResult方法，和openZygoteSocketifNeeded方法，这两个才是重点。
frameworks/base/core/java/android/os/ZygoteProcess.java:
private static Process.ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult(ZygoteState zygoteState,ArrayList<String> args){
try{
int sz=args.size();
for(int i=0;i<sz;i++){
if(args.get(i).indexOf('\n') >= 0){
throw new ZygoteStartFailedEx("embedded newlines not allowed");
}
}
final BufferedWriter writer = zygoteState.writer;
final DataInputStream inputStream = zygoteState.inputStream;
writer.write(Integer.toString(args.size()));
write.newLine();
for(int i = 0; i < sz; i++){
String arg=args.get(i);
writer.write(arg);
writer.newLine();
}
writer.flush();
Process.ProcessStartResult result=new Process.ProcessStartResult();
result.pid=inputStream.readInt();
result.usingWrapper=inputStream.readBoolean();
if(result.pid<0){
throw new ZygoteStartFailedEx("fork() failed");
}
return result；
}else{
zygoteState.close();
throw new ZygoteStartFailedEx(ex);
}
}
从上面的读写操作，我们仿佛已经看到了Socket通信的过程。接下来ZygoteProcess中应该就有与Zygote建立Socket链接的部分了。
frameworks/base/core/java/android/os/ZygoteProcess.java:
private ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi){
//如果与Zygote未建立连接或者连接已断开
if(primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()){
try{
//尝试与Zygote进程建立连接
primaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSocket);
}catch(IOException ioe){
throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to primary zygote",ioe);
}
}
//连接Zygote主模式返回的ZygoteState是否与启动应用程序进程所需要的ABI匹配
if(primaryZygoteState.matches(abi)){
return primaryZygoteState;
}
//如果不匹配，则尝试连接Zygote的辅模式
if(secondaryZygoteState == null || secondaryZygoteState.isClosed()){
try{
//尝试与Zygote进程再次建立连接
secondaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSecondarySocket);
}catch(IOException ioe){
throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to Secondary zygote",ioe);
}
}
//连接Zygote辅模式返回的ZygoteState是否与启动应用进程所需要的ABI匹配
if(secondaryZygoteState.matched(abi)){
return secondaryZygoteState;
}
throw new ZygoteStartFailedEx("Unsupported zygote ABI:"+abi);
}
的确，在这段代码中我们看到了AMS尝试与Zygote建立Socket通信的代码。
这里有两个概念：
1.ABI：abi全称Application binary interface(应用程序二进制接口),主要针对各种手机CPU架构不同，作出的一套适配规则。大家可以了解下详情：传送门。
2.Zygote辅模式：在上一篇文章《Android系统启动流程》介绍过，Zygote启动脚本分为4种：
1.init.zygote32.rc
2.init.zygote32_64.rc
3.init.zygote64.rc
4.init.zygote64_32.rc
对于采用的是init.zygote32_64.rc或者init.zygote64_32.rc的Zygote，Socket的name为“zygote”的为主模式，name为“zygote_secondary”为辅模式。
到此为止，AMS进程试图与Zygote建立连接的代码已经展示完成。
2.Zygote 接收请求
在Socket连接成功并匹配ABI后会返回ZygoteState类型对象，应用进程的启动参数会写入ZygoteState中，这样Zygote进程就会收到一个创建新的应用程序的进程请求。我们回到ZygoteInit的main方法中。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]){
...
//创建一个Server端的Socket，socketName的值为“zygote”
zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
...
if(startSystemServer){
//启动SystemServer进程
startSystemServer(abiList,socketName,zygoteServer);
}
...
//等待AMS请求
zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
...
}
我们又回到了Android系统启动流程中，当Zygote启动后，会注册一个Server端的Socket，并且调用runSelectLoop方法来等待AMS的请求。下面来看看runSelectLoop方法。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java：
void runSelectLoop(String abiList){
...
ArrayList<ZygoteConnection> peers=new ArrayList<ZygoteConnection>();
fds.add(mServerSocket.getFileDescriptor());
peers.add(null);
while(true){
...
for(int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i){
if((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0){
continue;
}
if(i == 0){
ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
peers.add(newPeer);
fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
}else{
//AMS的请求过来，最终会走到这里
boolean done = peers.get(i).runOnce(this);
if(done){
peers.remove(i);
fds.remove(i);
}
}
}
}
}
当AMS的请求过来，最终会调用ZygoteConnection的runOnce方法来处理请求数据。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteConnection.java：
boolean runOnce(ZygoteServer zygoteServer){
...
//获取应用程序进程的启动参数
args = readArgumentList();
...
//对启动参数的封装
parsedArgs = new Argument(args);
...
//关键代码，Zygote fork出来子进程
pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid,parsedArgs.gid,parsedArgs.gids,parsedArgs.debugFlags,rlimits,parsedArgs.mountExternal,parsedArgs.seInfo,parsedArgs.appDataDir);
try{
//注意：当前代码逻辑运行在新创建的子进程中了
if(pid==0){
//第一步当然是关闭Zygote与AMS通信的Socket，这对于子进程无意义
zygoteServer.closeServerSocket();
IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
//处理应用程序进程
handleChildProc(parsedArgs,descriptors,childPipeFd,newStderr);
return true;
}else{
...
}finally{
...
}
}
}
我们可以在代码中看见，最终在ZygoteConnection中的runOnce方法，Zygote 的forkAndSpecialize方法创建了一个子进程，当pid等于0时，证明当前代码逻辑运行于新创建的子进程也就是应用程序进程中了，然后调用了handleChildProc来进行下一步处理。
由于调用关系繁多，这里不做handleChildProc的代码展示了，最后在该方法中，会调用ZygoteInit的zygoteInit方法，如下图所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java:
public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion,String[] argv,ClassLoader classLoader){
...
RuntimeInit.redirectLogStreams();
RuntimeInit.commonInit();
//Zygote的nativeZygoteInit方法会启动Binder线程池
ZygoteInit.nativeZygoteInit();
//应用程序进程初始化
RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion,argv,classLoader);
}
ZygoteiInit的nativeZygoteInit方法最后会启动Binder线程池，这部分一会再说，先继续探究RuntimeInit的applicationInit方法。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java:
protected static void applicationInit(int targetSdkVersion,String[] argv,ClassLoader classLoader){
...
final Arguments args;
//包装参数
args=Arguments(argv);
...
//args.startClass 就是 android.app.ActivityThread
invokeStaticMain(args.startClass,args.startArgs,classLoader);
}
...
private static void invokeStaticMain(String className,String[] argv,ClassLoader classLoader){
Class<?> cl;
try{
//获得android.app.ActivityThread类
cl = Class.forName(className,true,classLoader);
}catch(ClassNotFoundException ex){
...
}
Method m;
try{
//获取ActivityThread的main方法
m = cl.getMethod("main",new Class[]{String[].class});
}catch(NoSuchMethodException ex){
...
}
...
//又来这套...
throw new Zygote.MethodAndArgsCaller(m,argv);
}
在invokeStaticMain方法中，通过反射的方式找到了ActivityThread类以及它的main方法。在最后抛出异常：throw new Zygote.MethodAndArgsCaller(m,arg),该异常会被Zygote的main方法捕获，至于这里为什么采用了抛出异常的方式而不是直接调用ActivityThread的main方法，原理和Zygote处理SystemServer进程是一毛一样。这种抛出异常的处理会清除所有的设置过程需要的堆栈帧，并让ActivityThread的main方法看起来像是应用程序进程的入口方法（其实不是，在main方法调用前已经做过很多的事情了，比如开启Binder线程池等等）。
既然启动SystemServer以及应用程序进程都用到了这种“奇葩”方式，我们来补齐这部分的代码知识。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java:
public static void main(String argv[]){
try{
...
closeServerSocket();
}catch(MethodAndArgsCaller caller){
//在这里捕获异常，并且调用MethodAndArgsCaller的run方法
caller.run();
}catch(RuntimeException ex){
...
}
}
MethodAndArgsCaller是Zygote的静态内部类。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/Zygote.java:
public static class MethodAndArgsCaller extends Exception implements Runnable{
private final Method mMethod;
private final String[] mArgs;
public MethodAndArgsCaller(Method method,String[] args){
mMethod=method;
mArgs=args;
}
//Runnable的run
public void run(){
try{
//最终反射调用main方法，因为是静态方法，所以第一个参数是null
mMethod.invoke(null,new Object[]{mArgs});
}catch(IllegalAccessException ex){
...
}
}
}
完事，最终调用ActivityThread的main方法。
三：Binder线程池启动
刚刚提到过，在ZygoteInit中，初始化应用程序进程之前，会调用nativeZygoteInit方法来初始化Binder线程池。很明显，nativeZygoteInit从名字上来看就是一个JNI方法。
private static final native void nativeZygoteInit();
它所对应的函数是com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit，如下。
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp:
const JNINativeMethod method[]={
{ "nativeZygoteInit", "()V", (void*) com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit } ,
};
...
static void com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env,jobject clazz){
//这个gCurRuntime就是AndroidRuntime类型的指针
gCurRuntime->onZygoteInit();
}
...
static AndoridRuntime* gCurRuntime = NULL;
...
AndroidRuntime:AndroidRuntime(char* argBlockStart,const size_t argBlockLength):mExitWithoutCleanup(false),mArgBlockStart(argBlockStart),mArgBlockLength(argBlockLength){
...
gCurRuntime = this;
}
AppRuntime 继承自 AndroidRuntime，AppRuntime在创建时就会调用AndroidRuntime的构造函数，gCurRuntime就会被初始化，它指向的是AppRuntime。接下来看看onZygoteInit函数，AppRuntime在app_main.cpp中的实现。
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp:
virtual void onZygoteInit(){
sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
proc->startThreadPoll();
}
最后调用了ProcessState的startThreadPoll函数来启动线程池。
frameworks/native/libs/binder/ProcessState.cpp：
AutoMutex _l(mLock);
//确保Binder线程池只会被启动一次
if(!mThreadPollStarted){
mThreadPollStarted = true;
//创建线程池中的第一个线程，也就是该线程池的主线程
spawnPolledThread(true);
}
...
void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain){
if(mThreadPollStarted){
String8 name = makeBinderThreadName();
...
sp<Thread> t = new PollThread(isMain);
//调用run方法来启动新线程
t->run(name.string())
}
}
...
class PollThread:public Thread{
...
protected:virtual bool threadLoop(){
IPCThreadState::self()->joinThreadPoll(mIsMain);
return false;
}
const bool mIsMain;
};
在最后，调用了IPCThreadState的joinThreadPool函数，将当前线程注册到BInder驱动程序中，这样我们创建的线程就加入了Binder线程池中，新创建的应用程序进程就支持Binder间的通信了。我们只需要创建当前进程的Binder对象，并将它注册到ServiceManager中就可以实现Binder进程间通信。
四：消息循环创建
在Zygote创建完毕应用程序进程，会通过抛异常的方式启动ActivityThread的main方式，而后ActivityThread在main方法中，会开启消息循环，也就是Looper。
fragmeworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
public static void main(String[] args){
//创建主线程Looper
Looper.prepareMainLooper();
...
//Looper开始工作
Looper.loop();
}
这也就是为什么，我们在主线程中，可以不用调用Looper的prepare方法，但是仍然可以使用Handler的原因了，ActivityThread已经帮我们在主线程做了这些事情。
对于Handler、Looper、MessageQueue的关系，感兴趣的童鞋可以参考：传送门
结尾
整个Android应用进程启动过程介绍完毕，内容不多但十分重要。开发人员了解自己所开发的应用的进程是如何创建的是十分必要的。
本文大量参考《Android 进阶解密》一书，同时建议对Android底层有兴趣的童鞋搞一本看看，里面讲解的必然比本文精辟不少。
本文纯手打，欢迎各位点亮爱心，给个小小的赞以资鼓励，谢谢
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