[原]Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析

在Android系统中，所有的应用程序进程以及系统服务进程SystemServer都是由Zygote进程孕育（fork）出来的，这也许就是为什么要把它称为Zygote（受精卵）的原因吧。由于Zygote进程在Android系统中有着如此重要的地位，本文将详细分析它的启动过程。

在前面一篇文章Android应用程序进程启动过程的源代码分析中，我们看到了，当ActivityManagerService启动一个应用程序的时候，就会通过Socket与Zygote进程进行通信，请求它fork一个子进程出来作为这个即将要启动的应用程序的进程；在前面两篇文章Android应用程序安装过程源代码分析和Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中，我们又看到了，系统中的两个重要服务PackageManagerService和ActivityManagerService，都是由SystemServer进程来负责启动的，而SystemServer进程本身是Zygote进程在启动的过程中fork出来的。

我们知道，Android系统是基于Linux内核的，而在Linux系统中，所有的进程都是init进程的子孙进程，也就是说，所有的进程都是直接或者间接地由init进程fork出来的。Zygote进程也不例外，它是在系统启动的过程，由init进程创建的。在系统启动脚本system/core/rootdir/init.rc文件中，我们可以看到启动Zygote进程的脚本命令：

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server    socket zygote stream 666    onrestart write /sys/android_power/request_state wake    onrestart write /sys/power/state on    onrestart restart media    onrestart restart netd

前面的关键字service告诉init进程创建一个名为"zygote"的进程，这个zygote进程要执行的程序是/system/bin/app_process，后面是要传给app_process的参数。

接下来的socket关键字表示这个zygote进程需要一个名称为"zygote"的socket资源，这样，系统启动后，我们就可以在/dev/socket目录下看到有一个名为zygote的文件。这里定义的socket的类型为unix domain socket，它是用来作本地进程间通信用的，具体可以参考前面一篇文章Android学习启动篇提到的一书《Linux内核源代码情景分析》的第七章--基于socket的进程间通信。前面我们说到的ActivityManagerService就是通这个socket来和zygote进程通信请求fork一个应用程序进程的了。

最后的一系列onrestart关键字表示这个zygote进程重启时需要执行的命令。

关于init.rc文件的更多信息，请参考system/core/init/readme.txt文件。

了解了这个信息之后，我们就知道Zygote进程要执行的程序便是system/bin/app_process了，它的源代码位于frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中，入口函数是main。在继续分析Zygote进程启动的过程之前，我们先来看看它的启动序列图：

下面我们就详细分析每一个步骤。

Step 1. app_process.main

这个函数定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中：

int main(int argc, const char* const argv[]){// These are global variables in ProcessState.cppmArgC = argc;mArgV = argv;mArgLen = 0;for (int i=0; i<argc; i++) {mArgLen += strlen(argv[i]) + 1;}mArgLen--;AppRuntime runtime;const char *arg;argv0 = argv[0];// Process command line arguments// ignore argv[0]argc--;argv++;// Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vmint i = runtime.addVmArguments(argc, argv);// Next arg is parent directoryif (i < argc) {runtime.mParentDir = argv[i++];}// Next arg is startup classname or "--zygote"if (i < argc) {arg = argv[i++];if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {bool startSystemServer = (i < argc) ?strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;setArgv0(argv0, "zygote");set_process_name("zygote");runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",startSystemServer);} else {set_process_name(argv0);runtime.mClassName = arg;// Remainder of args get passed to startup class main()runtime.mArgC = argc-i;runtime.mArgV = argv+i;LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",getpid(), runtime.getClassName());runtime.start();}} else {LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");app_usage();return 10;}}

这个函数的主要作用就是创建一个AppRuntime变量，然后调用它的start成员函数。AppRuntime这个类我们在 Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文中已经有过介绍了，它同样是在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中定义：

class AppRuntime : public AndroidRuntime{......};

它约继承于AndroidRuntime类，AndroidRuntime类定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：

......static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;......AndroidRuntime::AndroidRuntime(){......assert(gCurRuntime == NULL);        // one per processgCurRuntime = this;}

当AppRuntime对象创建时，会调用其父类AndroidRuntime的构造函数，而在AndroidRuntime类的构造函数里面，会将this指针保存在静态全局变量gCurRuntime中，这样，当其它地方需要使用这个AppRuntime对象时，就可以通过同一个文件中的这个函数来获取这个对象的指针：

AndroidRuntime* AndroidRuntime::getRuntime(){    return gCurRuntime;}

回到上面的main函数中，由于我们在init.rc文件中，设置了app_process启动参数--zygote和--start-system-server，因此，在main函数里面，最终会执行下面语句：

    runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",startSystemServer);

这里的参数startSystemServer为true，表示要启动SystemServer组件。由于AppRuntime没有实现自己的start函数，它继承了父类AndroidRuntime的start函数，因此，下面会执行AndroidRuntime类的start函数。

Step 2.AndroidRuntime.start

这个函数定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：

/** Start the Android runtime.  This involves starting the virtual machine* and calling the "static void main(String[] args)" method in the class* named by "className".*/void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer){......char* slashClassName = NULL;char* cp;JNIEnv* env;....../* start the virtual machine */if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)goto bail;/** Register android functions.*/if (startReg(env) < 0) {LOGE("Unable to register all android natives\n");goto bail;}/** We want to call main() with a String array with arguments in it.* At present we only have one argument, the class name.  Create an* array to hold it.*/jclass stringClass;jobjectArray strArray;jstring classNameStr;jstring startSystemServerStr;stringClass = env->FindClass("java/lang/String");assert(stringClass != NULL);strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);assert(strArray != NULL);classNameStr = env->NewStringUTF(className);assert(classNameStr != NULL);env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?"true" : "false");env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);/** Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will* not return until the VM exits.*/jclass startClass;jmethodID startMeth;slashClassName = strdup(className);for (cp = slashClassName; *cp != '\0'; cp++)if (*cp == '.')*cp = '/';startClass = env->FindClass(slashClassName);if (startClass == NULL) {......} else {startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main","([Ljava/lang/String;)V");if (startMeth == NULL) {......} else {env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);......}}......}

这个函数的作用是启动Android系统运行时库，它主要做了三件事情，一是调用函数startVM启动虚拟机，二是调用函数startReg注册JNI方法，三是调用了com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数。

Step 3.ZygoteInit.main

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {......public static void main(String argv[]) {try {......registerZygoteSocket();............if (argv[1].equals("true")) {startSystemServer();} else if (!argv[1].equals("false")) {......}......if (ZYGOTE_FORK_MODE) {......} else {runSelectLoopMode();}......} catch (MethodAndArgsCaller caller) {......} catch (RuntimeException ex) {......}}......}

它主要作了三件事情，一个调用registerZygoteSocket函数创建了一个socket接口，用来和ActivityManagerService通讯，二是调用startSystemServer函数来启动SystemServer组件，三是调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程。

Step 4.ZygoteInit.registerZygoteSocket

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {....../*** Registers a server socket for zygote command connections** @throws RuntimeException when open fails*/private static void registerZygoteSocket() {if (sServerSocket == null) {int fileDesc;try {String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);fileDesc = Integer.parseInt(env);} catch (RuntimeException ex) {......}try {sServerSocket = new LocalServerSocket(createFileDescriptor(fileDesc));} catch (IOException ex) {.......}}}......}

这个socket接口是通过文件描述符来创建的，这个文件描符代表的就是我们前面说的/dev/socket/zygote文件了。这个文件描述符是通过环境变量ANDROID_SOCKET_ENV得到的，它定义为：

public class ZygoteInit {......private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote";......}

那么，这个环境变量的值又是由谁来设置的呢？我们知道，系统启动脚本文件system/core/rootdir/init.rc是由init进程来解释执行的，而init进程的源代码位于system/core/init目录中，在init.c文件中，是由service_start函数来解释init.rc文件中的service命令的：

void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args){......pid_t pid;......pid = fork();if (pid == 0) {struct socketinfo *si;......for (si = svc->sockets; si; si = si->next) {int socket_type = (!strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM :(!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET));int s = create_socket(si->name, socket_type,si->perm, si->uid, si->gid);if (s >= 0) {publish_socket(si->name, s);}}......}......}

每一个service命令都会促使init进程调用fork函数来创建一个新的进程，在新的进程里面，会分析里面的socket选项，对于每一个socket选项，都会通过create_socket函数来在/dev/socket目录下创建一个文件，在这个场景中，这个文件便是zygote了，然后得到的文件描述符通过publish_socket函数写入到环境变量中去：

static void publish_socket(const char *name, int fd){    char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX;    char val[64];    strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) - 1,            name,            sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX));    snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd);    add_environment(key, val);    /* make sure we don't close-on-exec */    fcntl(fd, F_SETFD, 0);}

这里传进来的参数name值为"zygote"，而ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX在system/core/include/cutils/sockets.h定义为：

#define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX"ANDROID_SOCKET_"

因此，这里就把上面得到的文件描述符写入到以"ANDROID_SOCKET_zygote"为key值的环境变量中。又因为上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数与这里创建socket文件的create_socket函数是运行在同一个进程中，因此，上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数可以直接使用这个文件描述符来创建一个Java层的LocalServerSocket对象。如果其它进程也需要打开这个/dev/socket/zygote文件来和Zygote进程进行通信，那就必须要通过文件名来连接这个LocalServerSocket了，参考 Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文中的Step 4，ActivityManagerService是通过Process.start函数来创建一个新的进程的，而Process.start函数会首先通过Socket连接到Zygote进程中，最终由Zygote进程来完成创建新的应用程序进程，而Process类是通过openZygoteSocketIfNeeded函数来连接到Zygote进程中的Socket的：

public class Process {  ......   private static void openZygoteSocketIfNeeded()  throws ZygoteStartFailedEx {  ......for (int retry = 0  ; (sZygoteSocket == null) && (retry < (retryCount + 1))  ; retry++ ) {  ......try {  sZygoteSocket = new LocalSocket();  sZygoteSocket.connect(new LocalSocketAddress(ZYGOTE_SOCKET,  LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED));  sZygoteInputStream  = new DataInputStream(sZygoteSocket.getInputStream());  sZygoteWriter =  new BufferedWriter(  new OutputStreamWriter(  sZygoteSocket.getOutputStream()),  256);  ......  } catch (IOException ex) {  ......  }  }  ......  }  ......  }

这里的ZYGOTE_SOCKET定义为：

public class Process {  ......   private static final String ZYGOTE_SOCKET = "zygote";  ......  }

它刚好就是对应/dev/socket目录下的zygote文件了。

Android系统中的socket机制和binder机制一样，都是可以用来进行进程间通信，读者可以自己对比一下这两者的不同之处，Binder进程间通信机制可以参考Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划一文。

Socket对象创建完成之后，回到Step 3中的ZygoteInit.main函数中，startSystemServer函数来启动SystemServer组件。

Step 5.ZygoteInit.startSystemServer
这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {......private static boolean startSystemServer()throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {/* Hardcoded command line to start the system server */String args[] = {"--setuid=1000","--setgid=1000","--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,3001,3002,3003","--capabilities=130104352,130104352","--runtime-init","--nice-name=system_server","com.android.server.SystemServer",};ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;int pid;try {parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);....../* Request to fork the system server process */pid = Zygote.forkSystemServer(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,parsedArgs.gids, debugFlags, null,parsedArgs.permittedCapabilities,parsedArgs.effectiveCapabilities);} catch (IllegalArgumentException ex) {......}/* For child process */if (pid == 0) {handleSystemServerProcess(parsedArgs);}return true;}......}

这里我们可以看到，Zygote进程通过Zygote.forkSystemServer函数来创建一个新的进程来启动SystemServer组件，返回值pid等0的地方就是新的进程要执行的路径，即新创建的进程会执行handleSystemServerProcess函数。

Step 6.ZygoteInit.handleSystemServerProcess
这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {......private static void handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {closeServerSocket();/** Pass the remaining arguments to SystemServer.* "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"*/RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);/* should never reach here */}......}

由于由Zygote进程创建的子进程会继承Zygote进程在前面Step 4中创建的Socket文件描述符，而这里的子进程又不会用到它，因此，这里就调用closeServerSocket函数来关闭它。这个函数接着调用RuntimeInit.zygoteInit函数来进一步执行启动SystemServer组件的操作。

Step 7.RuntimeInit.zygoteInit

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：

public class RuntimeInit {  ......  public static final void zygoteInit(String[] argv)  throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {  ......    zygoteInitNative();  ......  // Remaining arguments are passed to the start class's static main  String startClass = argv[curArg++];  String[] startArgs = new String[argv.length - curArg];  System.arraycopy(argv, curArg, startArgs, 0, startArgs.length);  invokeStaticMain(startClass, startArgs);  }  ......  }

这个函数会执行两个操作，一个是调用zygoteInitNative函数来执行一个Binder进程间通信机制的初始化工作，这个工作完成之后，这个进程中的Binder对象就可以方便地进行进程间通信了，另一个是调用上面Step 5传进来的com.android.server.SystemServer类的main函数。

Step 8.RuntimeInit.zygoteInitNative

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：

public class RuntimeInit {  ......  public static final native void zygoteInitNative();  ......  }

这里可以看出，函数zygoteInitNative是一个Native函数，实现在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中，这里我们就不再细看了，具体可以参考 Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的Step 9，完成这一步后，这个进程的Binder进程间通信机制基础设施就准备好了。

回到Step 7中的RuntimeInit.zygoteInitNative函数，下一步它就要执行com.android.server.SystemServer类的main函数了。

Step 9.SystemServer.main

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件中：

public class SystemServer  {  ......  native public static void init1(String[] args);  ......  public static void main(String[] args) {  ......  init1(args);  ......  } public static final void init2() {  Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");  Thread thr = new ServerThread();  thr.setName("android.server.ServerThread");  thr.start();  }  ......  }

这里的main函数首先会执行JNI方法init1，然后init1会调用这里的init2函数，在init2函数里面，会创建一个ServerThread线程对象来执行一些系统关键服务的启动操作，例如我们在前面两篇文章 Android应用程序安装过程源代码分析和 Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中提到的PackageManagerService和ActivityManagerService。
这一步的具体执行过程可以参考 Android应用程序安装过程源代码分析一文，这里就不再详述了。

这里执行完成后，层层返回，最后回到上面的Step 3中的ZygoteInit.main函数中，接下来它就要调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面Step 4中创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程了。

Step 10.ZygoteInit.runSelectLoopMode

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

public class ZygoteInit {......private static void runSelectLoopMode() throws MethodAndArgsCaller {ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList();ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList();FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());peers.add(null);int loopCount = GC_LOOP_COUNT;while (true) {int index;......try {fdArray = fds.toArray(fdArray);index = selectReadable(fdArray);} catch (IOException ex) {throw new RuntimeException("Error in select()", ex);}if (index < 0) {throw new RuntimeException("Error in select()");} else if (index == 0) {ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();peers.add(newPeer);fds.add(newPeer.getFileDesciptor());} else {boolean done;done = peers.get(index).runOnce();if (done) {peers.remove(index);fds.remove(index);}}}}......}

这个函数我们已经在 Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的Step 5中分析过了，这就是在等待ActivityManagerService来连接这个Socket，然后调用ZygoteConnection.runOnce函数来创建新的应用程序，有兴趣的读者可以参考 Android应用程序进程启动过程的源代码分析这篇文章，这里就不再详述了。

这样，Zygote进程就启动完成了，学习到这里，我们终于都对Android系统中的进程有了一个深刻的认识了，这里总结一下：

1. 系统启动时init进程会创建Zygote进程，Zygote进程负责后续Android应用程序框架层的其它进程的创建和启动工作。

2. Zygote进程会首先创建一个SystemServer进程，SystemServer进程负责启动系统的关键服务，如包管理服务PackageManagerService和应用程序组件管理服务ActivityManagerService。

3. 当我们需要启动一个Android应用程序时，ActivityManagerService会通过Socket进程间通信机制，通知Zygote进程为这个应用程序创建一个新的进程。

作者：Luoshengyang 发表于2011-9-19 0:59:08 原文链接阅读：5235 评论：8 查看评论

[原]Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析

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