Android系统启动流程（一）解析init进程启动过程

相关文章
Android系统架构与系统源码目录

前言

作为“Android框架层”这个大系列中的第一个系列，我们首先要了解的是Android系统启动流程，在这个流程中会涉及到很多重要的知识点，这个系列我们就来一一讲解它们，这一篇我们就来学习init进程。

1.init简介

init进程是Android系统中用户空间的第一个进程，作为第一个进程，它被赋予了很多极其重要的工作职责，比如创建zygote(孵化器)和属性服务等。init进程是由多个源文件共同组成的，这些文件位于源码目录system/core/init。本文将基于Android7.0源码来分析Init进程。

2.引入init进程

说到init进程，首先要提到Android系统启动流程的前几步：
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
引导程序是在Android操作系统开始运行前的一个小程序，它的主要作用是把系统OS拉起来并运行。
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

讲到第四步就发现我们这一节要讲的init进程了。关于Android系统启动流程的所有步骤会在本系列的最后一篇做讲解。

3.init入口函数

init的入口函数为main，代码如下所示。
system/core/init/init.cpp

int main(int argc, char** argv) {    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {        return ueventd_main(argc, argv);    }    if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {        return watchdogd_main(argc, argv);    }    umask(0);    add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);    bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);    //创建文件并挂载    if (is_first_stage) {        mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");        mkdir("/dev/pts", 0755);        mkdir("/dev/socket", 0755);        mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);        #define MAKE_STR(x) __STRING(x)        mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));        mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);    }    open_devnull_stdio();    klog_init();    klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL);    NOTICE("init %s started!\n", is_first_stage ? "first stage" : "second stage");    if (!is_first_stage) {        // Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.        close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));        //初始化属性相关资源        property_init();//1        process_kernel_dt();        process_kernel_cmdline();        export_kernel_boot_props();    } ...    //启动属性服务    start_property_service();//2    const BuiltinFunctionMap function_map;    Action::set_function_map(&function_map);    Parser& parser = Parser::GetInstance();    parser.AddSectionParser("service",std::make_unique<ServiceParser>());    parser.AddSectionParser("on", std::make_unique<ActionParser>());    parser.AddSectionParser("import", std::make_unique<ImportParser>());    //解析init.rc配置文件    parser.ParseConfig("/init.rc");//3   ...          while (true) {        if (!waiting_for_exec) {            am.ExecuteOneCommand();            restart_processes();        }        int timeout = -1;        if (process_needs_restart) {            timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;            if (timeout < 0)                timeout = 0;        }        if (am.HasMoreCommands()) {            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;}

init的main方法做了很多事情，我们只需要关注主要的几点，在注释1处调用 property_init来对属性进行初始化并在注释2处的调用start_property_service启动属性服务，关于属性服务，后面会讲到。注释3处 parser.ParseConfig(“/init.rc”)用来解析init.rc。解析init.rc的文件为system/core/init/init_parse.cpp文件，接下来我们查看init.rc里做了什么。

4.init.rc

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，它主要包含五种类型语句：
Action、Commands、Services、Options和Import。init.rc的配置代码如下所示。
system/core/rootdir/init.rc

on init    sysclktz 0    # Mix device-specific information into the entropy pool    copy /proc/cmdline /dev/urandom    copy /default.prop /dev/urandom...on boot    # basic network init    ifup lo    hostname localhost    domainname localdomain    # set RLIMIT_NICE to allow priorities from 19 to -20    setrlimit 13 40 40...

这里只截取了一部分代码，其中#是注释符号。on init和on boot是Action类型语句，它的格式为：

on <trigger> [&& <trigger>]* //设置触发器    <command>    <command> //动作触发之后要执行的命令

为了分析如何创建zygote，我们主要查看Services类型语句，它的格式如下所示：

service <name> <pathname> [ <argument> ]*   //<service的名字><执行程序路径><传递参数>     <option>       //option是service的修饰词，影响什么时候、如何启动services     <option>     ...

需要注意的是在Android 7.0中对init.rc文件进行了拆分，每个服务一个rc文件。我们要分析的zygote服务的启动脚本则在init.zygoteXX.rc中定义，这里拿64位处理器为例，init.zygote64.rc的代码如下所示。
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

其中service用于通知init进程创建名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。

5.解析service

接下来我们来解析service，会用到两个函数，一个是ParseSection，它会解析service的rc文件，比如上文讲到的init.zygote64.rc，ParseSection函数主要用来搭建service的架子。另一个是ParseLineSection，用于解析子项。代码如下所示。
system/core/init/service.cpp

bool ServiceParser::ParseSection(const std::vector<std::string>& args,                                 std::string* err) {    if (args.size() < 3) {        *err = "services must have a name and a program";        return false;    }    const std::string& name = args[1];    if (!IsValidName(name)) {        *err = StringPrintf("invalid service name '%s'", name.c_str());        return false;    }    std::vector<std::string> str_args(args.begin() + 2, args.end());    service_ = std::make_unique<Service>(name, "default", str_args);//1    return true;}bool ServiceParser::ParseLineSection(const std::vector<std::string>& args,                                     const std::string& filename, int line,                                     std::string* err) const {    return service_ ? service_->HandleLine(args, err) : false;}

注释1处，根据参数，构造出一个service对象，它的classname为”default”。当解析完毕时会调用EndSection：

void ServiceParser::EndSection() {    if (service_) {        ServiceManager::GetInstance().AddService(std::move(service_));    }}

接着查看AddService做了什么：

void ServiceManager::AddService(std::unique_ptr<Service> service) {    Service* old_service = FindServiceByName(service->name());    if (old_service) {        ERROR("ignored duplicate definition of service '%s'",              service->name().c_str());        return;    }    services_.emplace_back(std::move(service));//1}

注释1处的代码将service对象加入到services链表中。上面的解析过程总体来讲就是根据参数创建出service对象，然后根据选项域的内容填充service对象，最后将service对象加入到vector类型的services链表中。，

6.init启动zygote

讲完了解析service，接下来该讲init是如何启动service，在这里我们主要讲解启动zygote这个service。在zygote的启动脚本中我们得知zygote的class name为main。在init.rc有如下配置代码：
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 ...

其中class_start是一个COMMAND，对应的函数为do_class_start。我们知道main指的就是zygote，因此class_start main用来启动zygote。do_class_start函数在builtins.cpp中定义，如下所示。

system/core/init/builtins.cpp

static int do_class_start(const std::vector<std::string>& 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;}

来查看StartIfNotDisabled做了什么：
system/core/init/service.cpp

bool Service::StartIfNotDisabled() {    if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {        return Start();    } else {        flags_ |= SVC_DISABLED_START;    }    return true;}

接着查看Start方法，如下所示。

bool Service::Start() {    flags_ &= (~(SVC_DISABLED|SVC_RESTARTING|SVC_RESET|SVC_RESTART|SVC_DISABLED_START));    time_started_ = 0;    if (flags_ & SVC_RUNNING) {//如果Service已经运行，则不启动        return false;    }    bool needs_console = (flags_ & SVC_CONSOLE);    if (needs_console && !have_console) {        ERROR("service '%s' requires console\n", name_.c_str());        flags_ |= SVC_DISABLED;        return false;    }  //判断需要启动的Service的对应的执行文件是否存在，不存在则不启动该Service    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;    }...    pid_t pid = fork();//1.fork函数创建子进程    if (pid == 0) {//运行在子进程中        umask(077);        for (const auto& ei : envvars_) {            add_environment(ei.name.c_str(), ei.value.c_str());        }        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);            }        }...        //2.通过execve执行程序        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);    }...    return true;}

通过注释1和2的代码，我们得知在Start方法中调用fork函数来创建子进程，并在子进程中调用execve执行system/bin/app_process，这样就会进入framework/cmds/app_process/app_main.cpp的main函数，如下所示。
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

int main(int argc, char* const argv[]){    ...    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;    }}

从注释1处的代码可以得知调用runtime(AppRuntime)的start来启动zygote。

7.属性服务

Windows平台上有一个注册表管理器，注册表的内容采用键值对的形式来记录用户、软件的一些使用信息。即使系统或者软件重启，它还是能够根据之前在注册表中的记录，进行相应的初始化工作。Android也提供了一个类似的机制，叫做属性服务。
在本文的开始，我们提到在init.cpp代码中和属性服务相关的代码有：
system/core/init/init.cpp

  property_init();  start_property_service();

这两句代码用来初始化属性服务配置并启动属性服务。首先我们来学习服务配置的初始化和启动。

属性服务初始化与启动

property_init函数具体实现的代码如下所示。
system/core/init/property_service.cpp

void property_init() {    if (__system_property_area_init()) {        ERROR("Failed to initialize property area\n");        exit(1);    }}

__system_property_area_init函数用来初始化属性内存区域。接下来查看start_property_service函数的具体代码：

void start_property_service() {    property_set_fd = create_socket(PROP_SERVICE_NAME, SOCK_STREAM | SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK,                                    0666, 0, 0, NULL);//1    if (property_set_fd == -1) {        ERROR("start_property_service socket creation failed: %s\n", strerror(errno));        exit(1);    }    listen(property_set_fd, 8);//2    register_epoll_handler(property_set_fd, handle_property_set_fd);//3}

注释1处用来创建非阻塞的socket。注释2处调用listen函数对property_set_fd进行监听，这样创建的socket就成为了server，也就是属性服务；listen函数的第二个参数设置8意味着属性服务最多可以同时为8个试图设置属性的用户提供服务。注释3处的代码将property_set_fd放入了epoll句柄中，用epoll来监听property_set_fd：当property_set_fd中有数据到来时，init进程将用handle_property_set_fd函数进行处理。
在linux新的内核中，epoll用来替换select，epoll最大的好处在于它不会随着监听fd数目的增长而降低效率。因为内核中的select实现是采用轮询来处理的，轮询的fd数目越多，自然耗时越多。

属性服务处理请求
从上文我们得知，属性服务接收到客户端的请求时，会调用handle_property_set_fd函数进行处理：
system/core/init/property_service.cpp

static void handle_property_set_fd(){  ...        if(memcmp(msg.name,"ctl.",4) == 0) {            close(s);            if (check_control_mac_perms(msg.value, source_ctx, &cr)) {                handle_control_message((char*) msg.name + 4, (char*) msg.value);            } else {                ERROR("sys_prop: Unable to %s service ctl [%s] uid:%d gid:%d pid:%d\n",                        msg.name + 4, msg.value, cr.uid, cr.gid, cr.pid);            }        } else {            //检查客户端进程权限            if (check_mac_perms(msg.name, source_ctx, &cr)) {//1                property_set((char*) msg.name, (char*) msg.value);//2            } else {                ERROR("sys_prop: permission denied uid:%d name:%s\n",                      cr.uid, msg.name);            }            close(s);        }        freecon(source_ctx);        break;    default:        close(s);        break;    }}

注释1处的代码用来检查客户端进程权限，在注释2处则调用property_set函数对属性进行修改，代码如下所示。

int property_set(const char* name, const char* value) {    int rc = property_set_impl(name, value);    if (rc == -1) {        ERROR("property_set(\"%s\", \"%s\") failed\n", name, value);    }    return rc;}

property_set函数主要调用了property_set_impl函数：

static int property_set_impl(const char* name, const char* value) {    size_t namelen = strlen(name);    size_t valuelen = strlen(value);    if (!is_legal_property_name(name, namelen)) return -1;    if (valuelen >= PROP_VALUE_MAX) return -1;    if (strcmp("selinux.reload_policy", name) == 0 && strcmp("1", value) == 0) {        if (selinux_reload_policy() != 0) {            ERROR("Failed to reload policy\n");        }    } else if (strcmp("selinux.restorecon_recursive", name) == 0 && valuelen > 0) {        if (restorecon_recursive(value) != 0) {            ERROR("Failed to restorecon_recursive %s\n", value);        }    }    //从属性存储空间查找该属性    prop_info* pi = (prop_info*) __system_property_find(name);    //如果属性存在    if(pi != 0) {       //如果属性以"ro."开头，则表示是只读，不能修改，直接返回        if(!strncmp(name, "ro.", 3)) return -1;       //更新属性值        __system_property_update(pi, value, valuelen);    } else {       //如果属性不存在则添加该属性        int rc = __system_property_add(name, namelen, value, valuelen);        if (rc < 0) {            return rc;        }    }    /* If name starts with "net." treat as a DNS property. */    if (strncmp("net.", name, strlen("net.")) == 0)  {        if (strcmp("net.change", name) == 0) {            return 0;        }      //以net.开头的属性名称更新后，需要将属性名称写入net.change中         property_set("net.change", name);    } else if (persistent_properties_loaded &&            strncmp("persist.", name, strlen("persist.")) == 0) {        /* * Don't write properties to disk until after we have read all default properties * to prevent them from being overwritten by default values. */        write_persistent_property(name, value);    }    property_changed(name, value);    return 0;}

property_set_impl函数主要用来对属性进行修改，并对以ro、net和persist开头的属性进行相应的处理。到这里，属性服务处理请求的源码就讲到这。

8.init进程总结

讲到这，总结起来init进程主要做了三件事：
1.创建一些文件夹并挂载设备
2.初始化和启动属性服务
3.解析init.rc配置文件并启动zygote进程

参考资料：
《深入理解Android系统》
《深入理解Android卷I》
Android的init过程详解（一）
Android启动过程深入解析
Android7.0解析Init.rc文件
Android 7.0 init.rc的一点改变
Android7.0 init进程源码分析
Android情景分析之属性服务

欢迎关注我的微信公众号，第一时间获得博客更新提醒，以及更多成体系的Android相关原创技术干货。
扫一扫下方二维码或者长按识别二维码，即可关注。

前言