Android应用程序框架层创建的应用程序进程具有两个特点,一是进程的入口函数是ActivityThread.main,二是进程天然支持Binder进程间通信机制;这两个特点都是在进程的初始化过程中实现的,本文将详细分析Android应用程序进程创建过程中是如何实现这两个特点的。

Android应用程序框架层创建的应用程序进程的入口函数是ActivityThread.main比较好理解,即进程创建完成之后,Android应用程序框架层就会在这个进程中将ActivityThread类加载进来,然后执行它的main函数,这个main函数就是进程执行消息循环的地方了。Android应用程序框架层创建的应用程序进程天然支持Binder进程间通信机制这个特点应该怎么样理解呢?前面我们在学习Android系统的Binder进程间通信机制时说到,它具有四个组件,分别是驱动程序、守护进程、Client以及Server,其中Server组件在初始化时必须进入一个循环中不断地与Binder驱动程序进行到交互,以便获得Client组件发送的请求,具体可参考Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Server启动过程源代码分析一文,但是,当我们在Android应用程序中实现Server组件的时候,我们并没有让进程进入一个循环中去等待Client组件的请求,然而,当Client组件得到这个Server组件的远程接口时,却可以顺利地和Server组件进行进程间通信,这就是因为Android应用程序进程在创建的时候就已经启动了一个线程池来支持Server组件和Binder驱动程序之间的交互了,这样,极大地方便了在Android应用程序中创建Server组件。

在Android应用程序框架层中,是由ActivityManagerService组件负责为Android应用程序创建新的进程的,它本来也是运行在一个独立的进程之中,不过这个进程是在系统启动的过程中创建的。ActivityManagerService组件一般会在什么情况下会为应用程序创建一个新的进程呢?当系统决定要在一个新的进程中启动一个Activity或者Service时,它就会创建一个新的进程了,然后在这个新的进程中启动这个Activity或者Service,具体可以参考Android系统在新进程中启动自定义服务过程(startService)的原理分析、Android应用程序启动过程源代码分析和Android应用程序在新的进程中启动新的Activity的方法和过程分析这三篇文章。

ActivityManagerService启动新的进程是从其成员函数startProcessLocked开始的,在深入分析这个过程之前,我们先来看一下进程创建过程的序列图,然后再详细分析每一个步骤。


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Step 1. ActivityManagerService.startProcessLocked

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

它调用了Process.start函数开始为应用程序创建新的进程,注意,它传入一个第一个参数为"android.app.ActivityThread",这就是进程初始化时要加载的Java类了,把这个类加载到进程之后,就会把它里面的静态成员函数main作为进程的入口点,后面我们会看到。

Step 2. Process.start

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

这里的supportsProcesses函数返回值为true,它是一个Native函数,实现在frameworks/base/core/jni/android_util_Process.cpp文件中:

ProcessState::supportsProcesses函数定义在frameworks/base/libs/binder/ProcessState.cpp文件中:

这里的mDriverFD是设备文件/dev/binder的打开描述符,如果成功打开了这个设备文件,那么它的值就会大于等于0,因此,它的返回值为true。

回到Process.start函数中,它调用startViaZygote函数进一步操作。

Step 3.Process.startViaZygote

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

这个函数将创建进程的参数放到argsForZygote列表中去,如参数"--runtime-init"表示要为新创建的进程初始化运行时库,然后调用zygoteSendAndGetPid函数进一步操作。

Step 4. Process.zygoteSendAndGetPid

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

这里的sZygoteWriter是一个Socket写入流,是由openZygoteSocketIfNeeded函数打开的:

这个Socket由frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中的ZygoteInit类在runSelectLoopMode函数侦听的。
Step 5.ZygoteInit.runSelectLoopMode
这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中:

当Step 4将数据通过Socket接口发送出去后,就会下面这个语句:

这里从peers.get(index)得到的是一个ZygoteConnection对象,表示一个Socket连接,因此,接下来就是调用ZygoteConnection.runOnce函数进一步处理了。

Step 6.ZygoteConnection.runOnce

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

真正创建进程的地方就是在这里了:

有Linux开发经验的读者很容易看懂这个函数调用,这个函数会创建一个进程,而且有两个返回值,一个是在当前进程中返回的,一个是在新创建的进程中返回,即在当前进程的子进程中返回,在当前进程中的返回值就是新创建的子进程的pid值,而在子进程中的返回值是0。因为我们只关心创建的新进程的情况,因此,我们沿着子进程的执行路径继续看下去:

这里就是调用handleChildProc函数了。

Step 7.ZygoteConnection.handleChildProc
这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteConnection.java文件中:

由于在前面的Step 3中,指定了"--runtime-init"参数,表示要为新创建的进程初始化运行时库,因此,这里的parseArgs.runtimeInit值为true,于是就继续执行RuntimeInit.zygoteInit进一步处理了。

Step 8.RuntimeInit.zygoteInit

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

这里有两个关键的函数调用,一个是zygoteInitNative函数调用,一个是invokeStaticMain函数调用,前者就是执行Binder驱动程序初始化的相关工作了,正是由于执行了这个工作,才使得进程中的Binder对象能够顺利地进行Binder进程间通信,而后一个函数调用,就是执行进程的入口函数,这里就是执行startClass类的main函数了,而这个startClass即是我们在Step 1中传进来的"android.app.ActivityThread"值,表示要执行android.app.ActivityThread类的main函数。

我们先来看一下zygoteInitNative函数的调用过程,然后再回到RuntimeInit.zygoteInit函数中来,看看它是如何调用android.app.ActivityThread类的main函数的。

step 9.RuntimeInit.zygoteInitNative

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

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:

这里它调用了全局变量gCurRuntime的onZygoteInit函数,这个全局变量的定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件开头的地方:

这里可以看出,它的类型为AndroidRuntime,它是在AndroidRuntime类的构造函数中初始化的,AndroidRuntime类的构造函数也是定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中:

那么这个AndroidRuntime类的构造函数又是什么时候被调用的呢?AndroidRuntime类的声明在frameworks/base/include/android_runtime/AndroidRuntime.h文件中,如果我们打开这个文件会看到,它是一个虚拟类,也就是我们不能直接创建一个AndroidRuntime对象,只能用一个AndroidRuntime类的指针来指向它的某一个子类,这个子类就是AppRuntime了,它定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中:

而AppRuntime类继续了AndroidRuntime类,它也是定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中:
因此,在前面的com_android_internal_os_RuntimeInit_zygoteInit函数,实际是执行了AppRuntime类的onZygoteInit函数。

Step 10.AppRuntime.onZygoteInit
这个函数定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中:

这里它就是调用ProcessState::startThreadPool启动线程池了,这个线程池中的线程就是用来和Binder驱动程序进行交互的了。
Step 11.ProcessState.startThreadPool
这个函数定义在frameworks/base/libs/binder/ProcessState.cpp文件中:

ProcessState类是Binder进程间通信机制的一个基础组件,它的作用可以参考 浅谈Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Server和Client获得Service Manager接口之路、 Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Server启动过程源代码分析和 Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Client获得Server远程接口过程源代码分析这三篇文章。这里它调用spawnPooledThread函数进一步处理。

Step 12.ProcessState.spawnPooledThread

这个函数定义在frameworks/base/libs/binder/ProcessState.cpp文件中:

这里它会创建一个PoolThread线程类,然后执行它的run函数,最终就会执行PoolThread类的threadLoop函数了。

Step 13.PoolThread.threadLoop

这个函数定义在frameworks/base/libs/binder/ProcessState.cpp文件中:

这里它执行了IPCThreadState::joinThreadPool函数进一步处理。IPCThreadState也是Binder进程间通信机制的一个基础组件,它的作用可以参考 浅谈Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Server和Client获得Service Manager接口之路、 Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Server启动过程源代码分析和 Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Client获得Server远程接口过程源代码分析这三篇文章。

Step 14.IPCThreadState.joinThreadPool

这个函数定义在frameworks/base/libs/binder/IPCThreadState.cpp文件中:

这个函数首先告诉Binder驱动程序,这条线程要进入循环了:

然后在中间的while循环中通过talkWithDriver不断与Binder驱动程序进行交互,以便获得Client端的进程间调用:

获得了Client端的进程间调用后,就调用excuteCommand函数来处理这个请求:

最后,线程退出时,也会告诉Binder驱动程序,它退出了,这样Binder驱动程序就不会再在Client端的进程间调用分发给它了:

我们再来看看talkWithDriver函数的实现。

Step 15. talkWithDriver

这个函数定义在frameworks/base/libs/binder/IPCThreadState.cpp文件中:

这个函数的具体作用可以参考 Android系统进程间通信(IPC)机制Binder中的Server启动过程源代码分析一文,它只要就是通过ioctl文件操作函数来和Binder驱动程序交互的了:

有了这个线程池之后,我们在开发Android应用程序的时候,当我们要和其它进程中进行通信时,只要定义自己的Binder对象,然后把这个Binder对象的远程接口通过其它途径传给其它进程后,其它进程就可以通过这个Binder对象的远程接口来调用我们的应用程序进程的函数了,它不像我们在C++层实现Binder进程间通信机制的Server时,必须要手动调用IPCThreadState.joinThreadPool函数来进入一个无限循环中与Binder驱动程序交互以便获得Client端的请求,这样就实现了我们在文章开头处说的Android应用程序进程天然地支持Binder进程间通信机制。

细心的读者可能会发现,从Step 1到Step 9,都是在Android应用程序框架层运行的,而从Step 10到Step 15,都是在Android系统运行时库层运行的,这两个层次中的Binder进程间通信机制的接口一个是用Java来实现的,而别一个是用C++来实现的,这两者是如何协作的呢?这就是通过JNI层来实现的了,具体可以参考Android系统进程间通信Binder机制在应用程序框架层的Java接口源代码分析一文。

回到Step 8中的RuntimeInit.zygoteInit函数中,在初始化完成Binder进程间通信机制的基础设施后,它接着就要进入进程的入口函数了。

Step 16.RuntimeInit.invokeStaticMain

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

前面我们说过,这里传进来的参数className字符串值为"android.app.ActivityThread",这里就通ClassLoader.loadClass函数将它加载到进程中:

然后获得它的静态成员函数main:

函数最后并没有直接调用这个静态成员函数main,而是通过抛出一个异常ZygoteInit.MethodAndArgsCaller,然后让ZygoteInit.main函数在捕获这个异常的时候再调用android.app.ActivityThread类的main函数。为什么要这样做呢?注释里面已经讲得很清楚了,它是为了清理堆栈的,这样就会让android.app.ActivityThread类的main函数觉得自己是进程的入口函数,而事实上,在执行android.app.ActivityThread类的main函数之前,已经做了大量的工作了。

我们看看ZygoteInit.main函数在捕获到这个异常的时候做了什么事:

它执行MethodAndArgsCaller的run函数:

这里的成员变量mMethod和mArgs都是在前面构造异常对象时传进来的,这里的mMethod就对应android.app.ActivityThread类的main函数了,于是最后就通过下面语句执行这个函数:

这样,android.app.ActivityThread类的main函数就被执行了。

Step 17.ActivityThread.main

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中:

从这里我们可以看出,这个函数首先会在进程中创建一个ActivityThread对象:

然后进入消息循环中:

这样,我们以后就可以在这个进程中启动Activity或者Service了。

至此,Android应用程序进程启动过程的源代码就分析完成了,它除了指定新的进程的入口函数是ActivityThread的main函数之外,还为进程内的Binder对象提供了Binder进程间通信机制的基础设施,由此可见,Binder进程间通信机制在Android系统中是何等的重要,而且是无处不在,想进一步学习Android系统的Binder进程间通信机制,请参考Android进程间通信(IPC)机制Binder简要介绍和学习计划一文。

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