Android系统启动流程-Android的Init进程


一、Linux内核启动
1、启动电源以及系统启动
当电源按下时引导芯片代码开始从预定义的地方（固化在ROM）开始执行。加载引导程序Bootloader到RAM，然后执行。

2、引导程序Bootloader
Bootloader是在操作系统运行之前运行的一段程序，它是运行的第一个程序，因此它是针对特定的主板与芯片的。它不是Android操作系统的一部分，而是OEM厂商或者运营商加锁和限制的地方。它将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为运行操作系统做好准备。类似于电脑上的BIOS，其目的就是要把OS拉起来运行。Booloader有三种模式：
1）开机后按组合键启动到fastboot模式，即命令或SD卡烧写模式，不加载内核及文件系统，可以通过数据线与电脑连接，然后在电脑上执行一些命令，如刷系统镜像到手机上。
2）开机后按组合键启动到recovery模式，加载recovery.img，recovery.img包含内核、部分系统文件，可以读取sdcard中的update.zip进行刷机，也可以清楚cache和用户数据。
3）开机按Power正常启动系统，加载boot.img。boot.img包含内核、基本文件系统，用于正常启动手机。
Bootloader做的事情主要有：初始化CPU时钟、内存、串口等；设置Linux启动参数；加载Linux各种内核镜像到SDRAM中。

3、Linux内核启动
内核启动时，设置缓存、被保护存储器、计划列表，加载驱动。当内核完成系统设置，它首先在系统文件中寻找”init”文件，然后启动root进程或者系统的第一个进程。

4、init进程启动
Init进程是一个由内核启动的用户级进程，可以把它看做是root进程或者说所有进程的父进程。内核自行启动（已经被载入内存，开始运行，并已初始化所有的设备驱动程序和数据结构等）之后，就通过启动一个用户级程序init的方式，完成引导进程。init进程有两个责任，一是挂载目录，比如/sys，/dev，/proc，二是运行init.rc脚本。

二、Init进程
1、init入口函数：system/core/init/init.cpp main

int main(int argc, char** argv) {
// （1）首先检查启动程序的文件名
// 如果文件名为：ueventd，执行守护进程ueventd的主函数ueventd_main。
if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
return ueventd_main(argc, argv);
}
// 大致同上
if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
return watchdogd_main(argc, argv);
}
// （2）缺省情况下一个进程创建出的文件和文件夹属性是022，使用umask()函数能设置文件属性
// 的掩码。参数为0意味着进程创建的文件属性是0777。
// Clear the umask.
umask(0);

add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);


bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);


Get the basic filesystem setup we need put together in the initramdisk
// on / and then we'll let the rc file figure out the rest.
if (is_first_stage) {
// （3）创建一些基本的目录；同时把一些文件系统Mount到相应的目录。
mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");//基于内存的文件系统
mkdir("/dev/pts", 0755);
mkdir("/dev/socket", 0755);
mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);//虚拟终端文件系统
#define MAKE_STR(x) __STRING(x)
mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));//基于内存的虚拟文件系统，内部数据结构的接口
mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);//用于把系统的设备和总线按层次组织起来
}

// We must have some place other than / to create the device nodes for
// kmsg and null, otherwise we won't be able to remount / read-only
// later on. Now that tmpfs is mounted on /dev, we can actually talk
// to the outside world.
// （4）把标准输入、标准输出和标准错误重定向到空设备文件/dev/_null_    
open_devnull_stdio();
// （5）创建节点/dev/_msg_，这样init进程可以使用kernel的log系统来输出log
klog_init();
klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL);


NOTICE("init %s started!\n", is_first_stage ? "first stage" : "second stage");

if (!is_first_stage) {
// （6）在/dev目录下创建一个空文件.booting表示初始化正在进行，is_booting函数将依
// 靠.booting来判断进程是否处于初始化中
// Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.
close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));
// （7）初始化Android属性系统。创建一个共享区域来存储属性值。
property_init();


// If arguments are passed both on the command line and in DT,
// properties set in DT always have priority over the command-line ones.
process_kernel_dt();
// （8）解析kernel的启动参数，通常放在/proc/cmdline中，利用解析结果参数中的值设置几个属性值
process_kernel_cmdline();


// Propagate the kernel variables to internal variables
// used by init as well as the current required properties.
export_kernel_boot_props();
}

// Set up SELinux, including loading the SELinux policy if we're in the kernel domain.
// （9）初始化SElinux
selinux_initialize(is_first_stage);


// If we're in the kernel domain, re-exec init to transition to the init domain now
// that the SELinux policy has been loaded.
if (is_first_stage) {
if (restorecon("/init") == -1) { //按SELinux要求，重新设定/init文件属性
ERROR("restorecon failed: %s\n", strerror(errno));
security_failure();
}
char* path = argv[0];
char* args[] = { path, const_cast("--second-stage"), nullptr }; //设置参数--second-stage
if (execv(path, args) == -1) { // 执行init进程，重新进入main函数
ERROR("execv(\"%s\") failed: %s\n", path, strerror(errno));
security_failure();
}
}


// These directories were necessarily created before initial policy load
// and therefore need their security context restored to the proper value.
// This must happen before /dev is populated by ueventd.
// 这些目录必须在初始策略加载之前创建，因此需要将其安全上下文恢复到适当的值。 这必须在/ dev由ueventd填充之前发生。
NOTICE("Running restorecon...\n");
restorecon("/dev");
restorecon("/dev/socket");
restorecon("/dev/__properties__");
restorecon("/property_contexts");
restorecon_recursive("/sys");


epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);
if (epoll_fd == -1) {
ERROR("epoll_create1 failed: %s\n", strerror(errno));
exit(1);
}
// （10）装载子进程信号处理器
signal_handler_init();
// （11）解析设备根目录下的default.prop文件，把文件中定义的属性值都出来设置到属性系统中
property_load_boot_defaults();
export_oem_lock_status();
start_property_service(); //启动属性服务
#ifdef BOOT_TRACE
if (boot_trace) {
ERROR("enable boot systrace...");
property_set("debug.atrace.tags.enableflags", "0x3ffffe");
}
#endif
// （12）匹配命令和函数之间的对应关系
const BuiltinFunctionMap function_map;
Action::set_function_map(&function_map);
// （13）解析init.rc
Parser& parser = Parser::GetInstance();// 构造解析文件用的parser对象
// 增加ServiceParser为一个section，对应name为service
parser.AddSectionParser("service",std::make_unique());
// 增加ActionParser为一个section，对应name为on
parser.AddSectionParser("on", std::make_unique());
// 增加ImportParser为一个section，对应name为import
parser.AddSectionParser("import", std::make_unique());
// 开始解析，函数源码在system/core/init/ init_parser.cpp中
parser.ParseConfig("/init.rc");
// （14）向执行队列中添加action
// 获取ActionManager实例，需要通过ActionManager对命令执行顺序进行控制
ActionManager& am = ActionManager::GetInstance();
// init执行命令触发器
am.QueueEventTrigger("early-init"); // 添加触发器early-init，执行on early-init内容


// Queue an action that waits for coldboot done so we know ueventd has set up all of /dev...
am.QueueBuiltinAction(wait_for_coldboot_done_action, "wait_for_coldboot_done"); //等待冷插拔设备初始化完成
// ... so that we can start queuing up actions that require stuff from /dev.
am.QueueBuiltinAction(mix_hwrng_into_linux_rng_action, "mix_hwrng_into_linux_rng"); //从硬件RNG的设备文件/dev/hw_random中读取512字节并写到Linux RNG的设备文件/dev/urandom中。
am.QueueBuiltinAction(set_mmap_rnd_bits_action, "set_mmap_rnd_bits");
am.QueueBuiltinAction(keychord_init_action, "keychord_init"); //初始化组合键监听模块
am.QueueBuiltinAction(console_init_action, "console_init"); //在屏幕上显示Android字样的logo


// Trigger all the boot actions to get us started.
am.QueueEventTrigger("init"); // 添加触发器init，执行on init内容，主要包括创建/挂载一些目录，以及symlink等


// Repeat mix_hwrng_into_linux_rng in case /dev/hw_random or /dev/random
// wasn't ready immediately after wait_for_coldboot_done
am.QueueBuiltinAction(mix_hwrng_into_linux_rng_action, "mix_hwrng_into_linux_rng");//重复以防冷插拔设备初始化后/dev/hw_random或者/dev/random未就绪


// Don't mount filesystems or start core system services in charger mode.
std::string bootmode = property_get("ro.bootmode");
if (bootmode == "charger") { // 判断是否为充电模式
am.QueueEventTrigger("charger");
} else {
am.QueueEventTrigger("late-init"); // 非充电模式添加触发器late-init
}


// Run all property triggers based on current state of the properties.
am.QueueBuiltinAction(queue_property_triggers_action, "queue_property_triggers");//检查Action列表中通过修改属性来触发的Action，查看相关的属性值是否已经设置，如果已经设置，则将该Action加入到执行列表中。


/* 360OS begin */
get_cpu_id();
/* 360OS end */

// （15）处理添加到运行队列中的事件
while (true) {
if (!waiting_for_exec) {
am.ExecuteOneCommand(); //依次执行每个action中携带的命令
restart_processes(); //重启一些挂掉的进程
}


int timeout = -1;
if (process_needs_restart) { //还有服务进程需要重启
timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000; //把timeout值设为下次启动服务的时间
if (timeout < 0)
timeout = 0;
}


if (am.HasMoreCommands()) { //命令列表中还有命令
timeout = 0;
}


bootchart_sample(&timeout);


epoll_event ev;
int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
if (nr == -1) {
ERROR("epoll_wait failed: %s\n", strerror(errno));
} else if (nr == 1) {
((void (*)()) ev.data.ptr)();
}
}


return 0;
}


2、解析init.rc
init.cpp的main函数中，（13）步对init.rc做了解析，这是我们比较关注的东西。
init.rc（/system/core/rootdir/init.rc）是什么？
init.rc是一个配置文件，内部由Android初始化语言编写（Android Init Language）编写的脚本，在Android中有特定的格式以及规则。
Android初始化语言由四大类型的声明组成，即Actions（动作）、Commands（命令）、Services（服务）、以及Options（选项）。所有这些都以行为单位，各种符号则用空格隔开。

1）init.rc（/system/core/rootdir/init.rc）：

import /init.environ.rc
import /init.usb.rc
import /init.${ro.hardware}.rc
import /init.usb.configfs.rc
import /init.${ro.zygote}.rc
...

导入一些配置文件，zygote的.rc文件有多个。主要就是来区分不同的平台（32、64及64_32）。 init.rc文件进行了拆分，每个服务一个rc文件。

2）init.rc（/system/core/rootdir/init.rc）：
...
on early-init
# Set init and its forked children's oom_adj.
write /proc/1/oom_score_adj -1000


# Disable sysrq from keyboard
write /proc/sys/kernel/sysrq 0


# Set the security context of /adb_keys if present.
restorecon /adb_keys


# Shouldn't be necessary, but sdcard won't start without it. http://b/22568628.
mkdir /mnt 0775 root system


# Set the security context of /postinstall if present.
restorecon /postinstall


start ueventd
...

on early-init为action类型语句，其一般格式为：
on [&& ]*     //设置触发器  
  
      //动作触发之后要执行的命令  

3）init.zygote64.rc（/system/core/rootdir/init.zygote64.rc）：
service zygote /system/bin/app_process64 -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 audioserver
onrestart restart cameraserver
onrestart restart media
onrestart restart netd
writepid /dev/cpuset/foreground/tasks /dev/stune/foreground/tasks

service zygote ...为service类型语句，其一般格式为：
service [ ]*   //<执行程序路径><传递参数>  
       //option是service的修饰词，影响什么时候、如何启动services  

...
其中service用于通知init进程创建名为zygote的进程，这个zygote进程执行程序的路径为/system/bin/app_process64，后面的则是要传给app_process64的参数。class main指的是zygote的class name为main，后文会用到它。

4）init.rc（/system/core/rootdir/init.rc）：
...
on nonencrypted
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
exec - root -- /system/bin/update_verifier nonencrypted
class_start main
class_start late_start
...

class_start是一个COMMAND，对应的函数为do_class_start。而main指的是zygote，因此class_start main启动的是zygote。

system/core/init/builtins.cpp：
...
static int do_class_start(const std::vector& args) {
        /* Starting a class does not start services
         * which are explicitly disabled.  They must
         * be started individually.
         */
ServiceManager::GetInstance().
ForEachServiceInClass(args[1], [] (Service* s) { s->StartIfNotDisabled(); });
return 0;
}
...

system/core/init/service.cpp：
...
bool Service::StartIfNotDisabled() {
if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
return Start();
} else {
flags_ |= SVC_DISABLED_START;
}
return true;
}
...

init启动服务进程：
bool Service::Start() {
//（1）重置Service的标志
// Starting a service removes it from the disabled or reset state and
// immediately takes it out of the restarting state if it was in there.
flags_ &= (~(SVC_DISABLED|SVC_RESTARTING|SVC_RESET|SVC_RESTART|SVC_DISABLED_START)); //SVC_DISABLED、SVC_RESTARTING、SVC_RESET、SVC_RESTART四个标志都是和启动进程有关，需要先清除掉。
time_started_ = 0;


// Running processes require no additional work --- if they're in the
// process of exiting, we've ensured that they will immediately restart
// on exit, unless they are ONESHOT.
if (flags_ & SVC_RUNNING) { //服务带有SVC_RUNNING标志，说明服务进程已经运行，就不再重复启动。
#ifdef MTK_INIT
ERROR("service '%s' still running, return directly\n", name_.c_str());
#endif
return false;
}


//（2）服务是否需要有控制台
bool needs_console = (flags_ & SVC_CONSOLE); //判断服务是否需要有控制台
if (needs_console && !have_console) { //服务需要有控制台，但是还没有启动控制台。have_console是一个全局变量，如果打开设备文件/dev/console成功，它会被置为1。
ERROR("service '%s' requires console\n", name_.c_str());
flags_ |= SVC_DISABLED;
return false;
}


//（3）检查Service二进制文件是否存在
struct stat sb;
if (stat(args_[0].c_str(), &sb) == -1) {
ERROR("cannot find '%s' (%s), disabling '%s'\n", args_[0].c_str(), strerror(errno), name_.c_str());
flags_ |= SVC_DISABLED;
return false;
}

//（4）设置安全上下文
std::string scon;
if (!seclabel_.empty()) { //如果init.rc中已经指定了安全上下文。
scon = seclabel_; //复制一份
} else {
char* mycon = nullptr;
char* fcon = nullptr;


INFO("computing context for service '%s'\n", args_[0].c_str());
int rc = getcon(&mycon); //获得当前进程Init的安全上下文
if (rc < 0) {
ERROR("could not get context while starting '%s'\n", name_.c_str());
return false;
}

rc = getfilecon(args_[0].c_str(), &fcon); //获得可执行文件的安全上下文
if (rc < 0) {
ERROR("could not get context while starting '%s'\n", name_.c_str());
free(mycon);
return false;
}


char* ret_scon = nullptr;
rc = security_compute_create(mycon, fcon, string_to_security_class("process"), //计算守护进程的安全上下文
                                     &ret_scon);
if (rc == 0) { //结果处理
scon = ret_scon;
free(ret_scon);
}
if (rc == 0 && scon == mycon) {
ERROR("Service %s does not have a SELinux domain defined.\n", name_.c_str());
free(mycon);
free(fcon);
return false;
}
free(mycon); //释放内存
free(fcon);
if (rc < 0) {
ERROR("could not get context while starting '%s'\n", name_.c_str());
return false;
}
}


NOTICE("Starting service '%s'...\n", name_.c_str());


//（5）fork子进程
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) { //运行在子进程中
umask(077);


for (const auto& ei : envvars_) { //准备环境变量
add_environment(ei.name.c_str(), ei.value.c_str());
}


//（6）创建socket
for (const auto& si : sockets_) {
int socket_type = ((si.type == "stream" ? SOCK_STREAM :
                                ( si.type == "dgram" ? SOCK_DGRAM :
SOCK_SEQPACKET)));
const char* socketcon =
!si.socketcon.empty() ? si.socketcon.c_str() : scon.c_str();


int s = create_socket(si.name.c_str(), socket_type, si.perm,
si.uid, si.gid, socketcon);
if (s >= 0) {
PublishSocket(si.name, s);
}
}


std::string pid_str = StringPrintf("%d", getpid());
for (const auto& file : writepid_files_) {
if (!WriteStringToFile(pid_str, file)) {
ERROR("couldn't write %s to %s: %s\n",
pid_str.c_str(), file.c_str(), strerror(errno));
}
}


if (ioprio_class_ != IoSchedClass_NONE) {
if (android_set_ioprio(getpid(), ioprio_class_, ioprio_pri_)) {
ERROR("Failed to set pid %d ioprio = %d,%d: %s\n",
getpid(), ioprio_class_, ioprio_pri_, strerror(errno));
}
}


//（7）处理标准输入、输出、错误3个文件描述符
if (needs_console) { //如果需要使用控制台
setsid();
OpenConsole(); //打开设备文件“/dev/console”，然后把标准输入、输出、错误重定向到该设备文件
} else {
ZapStdio(); //否则把它们重定向到设备文件“/dev/null”
}


setpgid(0, getpid());


// As requested, set our gid, supplemental gids, and uid.
if (gid_) {
if (setgid(gid_) != 0) {
ERROR("setgid failed: %s service name %s\n", strerror(errno), name_.c_str());
_exit(127);
}
}
if (!supp_gids_.empty()) {
if (setgroups(supp_gids_.size(), &supp_gids_[0]) != 0) {
ERROR("setgroups failed: %s service name %s\n", strerror(errno), name_.c_str());
_exit(127);
}
}
if (uid_) {
if (setuid(uid_) != 0) {
ERROR("setuid failed: %s service name %s\n", strerror(errno), name_.c_str());
_exit(127);
}
}
if (!seclabel_.empty()) {
if (setexeccon(seclabel_.c_str()) < 0) {
ERROR("cannot setexeccon('%s'): %s service name %s\n",
seclabel_.c_str(), strerror(errno), name_.c_str());
_exit(127);
}
}


std::vector strs;
for (const auto& s : args_) {
strs.push_back(const_cast(s.c_str()));
}
//（8）通过execve执行程序
strs.push_back(nullptr);
if (execve(args_[0].c_str(), (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
ERROR("cannot execve('%s'): %s\n", args_[0].c_str(), strerror(errno));
}


_exit(127);
}


if (pid < 0) {
ERROR("failed to start '%s'\n", name_.c_str());
pid_ = 0;
return false;
}


time_started_ = gettime();
pid_ = pid;
flags_ |= SVC_RUNNING;


if ((flags_ & SVC_EXEC) != 0) {
INFO("SVC_EXEC pid %d (uid %d gid %d+%zu context %s) started; waiting...\n",
pid_, uid_, gid_, supp_gids_.size(),
!seclabel_.empty() ? seclabel_.c_str() : "default");
}


NotifyStateChange("running");
return true;
}
...

app_main.cpp（/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp）：
    ...
    if (zygote) {
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);//1
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
        return 10;
    }
...
调用runtime(AppRuntime)的start来启动zygote。

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