Android系统启动过程分析

Android系统的框架架构图如下(来自网上)：

Linux内核启动之后----->就到Android的Init进程 ----->进而启动Android相关的服务和应用。

整个的启动过程如下图所示：

以下针对Android 4.2内核代码的启动部分进行分析。

Init进程，是一个由内核启动的用户级进程。内核自行启动（已被载入内存，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，就通过启动用户级程序init的方式，完成引导进程。

Init进程始终是第一个进程。Init进程的对应的代码的main函数在目录~/my_android/system/core/init/init.c

整个Android系统的启动分为Linux kernel的启动和Android系统的启动。

Linux kernel启动起来后，然后就运行第一个用户程序，在Android中，就是init程序，在目录~/my_android/system/core/init/init.c，对其中的main()函数分段进行介绍

1. 首先声明一些局部变量，代码如下：

int main(int argc, char **argv){    int fd_count = 0;    struct pollfd ufds[4];    char *tmpdev;    char* debuggable;    char tmp[32];    int property_set_fd_init = 0;    int signal_fd_init = 0;    int keychord_fd_init = 0;    bool is_charger = false;    ......    ......}

main函数中该段代码主要是声明了一些后续会使用的变量，其中涉及一个结构体pollfd，后续对其操作时再进行介绍

2.对传入的argv[0]进行判断，决定程序的执行分支，代码如下：

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);......}

说明了这里处理kernel执行会跳转到以外，还有其他地方会调用这个main函数。
其中的argv[0]就是表示要执行的函数名称。
从这里看，应该有三个地方会执行此处的main()函数：

标准的android启动代码
ueventd_main（）代码
watchdogd_main（）代码

3. 创建并挂载Android系统启动所需要的文件系统

int main(int argc, char **argv){    ......    /* clear the umask */    umask(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.         */    /* Don't repeat the setup of these filesystems,     * it creates double mount points with an unknown effect     * on the system.  This init file is for 2nd-init anyway.     */#ifndef NO_DEVFS_SETUP    mkdir("/dev", 0755);    mkdir("/proc", 0755);    mkdir("/sys", 0755);    mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");    mkdir("/dev/pts", 0755);    mkdir("/dev/socket", 0755);    mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);    mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);        /* indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc */    close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT, 0000));        /* 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.生成log设备，以及一些属性设置

int main(int argc, char **argv){    ......        /* 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.         */    open_devnull_stdio();    klog_init();#endif    property_init();    get_hardware_name(hardware, &revision);    process_kernel_cmdline();......}

其中open_devnull_stdio()的定义在~/my_android/system/core/init/util.c中，代码如下：

void open_devnull_stdio(void){    int fd;    static const char *name = "/dev/__null__";    if (mknod(name, S_IFCHR | 0600, (1 << 8) | 3) == 0) {        fd = open(name, O_RDWR);        unlink(name);        if (fd >= 0) {            dup2(fd, 0);            dup2(fd, 1);            dup2(fd, 2);            if (fd > 2) {                close(fd);            }            return;        }    }    exit(1);}

该函数首先创建一个设备节点"/dev/__null__"(在/dev目录下生产__null__设备节点文件)，然后打开这个设备文件，并将打开的文件描述符保存在变量fd中，接着使用unlink函数删除该文件，虽然文件删除了，但是现在系统中借助这个fd还是能够找到该文件的内容的。if中的语句利用dup2函数将文件描述符fd的0,1,2信息重定向到这个fd文件描述符的文件中。即把标准输入、标准输出、标准错误输出重定向到一个设备文件中（0——标准输入，1——标准输出，2——标准错误输出）。重定向操作完成后，就关闭掉fd。示意图如下：

回到main()函数中，接着是执行klog_init()函数，其定义在：~/my_android/system/core/libcutils/klog.c中，实现代码如下：

void klog_init(void){    static const char *name = "/dev/__kmsg__";    if (mknod(name, S_IFCHR | 0600, (1 << 8) | 11) == 0) {        klog_fd = open(name, O_WRONLY);        fcntl(klog_fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);        unlink(name);    }}

该函数和open_devnull_stdio的实现很相像，创建设备节点，打开，操作，然后删除文件。其中的fcntl(klog_fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC); 表示当在子进程中使用exec执行其他程序时会把这个文件描述符关闭。

接着是执行main()函数中的property_init()函数，其定义在：~/my_android/system/core/init/property_service.c文件中。实现的代码如下：

void property_init(void){    init_property_area();}

此处调用了另一函数init_property_area()，其定义也在~/my_android/system/core/init/property_service.c文件中，实现代码如下：

static int init_property_area(void){    prop_area *pa;    if(pa_info_array)        return -1;    if(init_workspace(&pa_workspace, PA_SIZE))        return -1;    fcntl(pa_workspace.fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);    pa_info_array = (void*) (((char*) pa_workspace.data) + PA_INFO_START);    pa = pa_workspace.data;    memset(pa, 0, PA_SIZE);    pa->magic = PROP_AREA_MAGIC;    pa->version = PROP_AREA_VERSION;        /* plug into the lib property services */    __system_property_area__ = pa;    property_area_inited = 1;    return 0;}

在该函数中，涉及了几个结构体变量，首先看一下各结构体的定义

prop_area结构体的定义如下，其定义在：

struct prop_area{nsigned volatile count;unsigned volatile serial;unsigned magic;unsigned version;unsigned reserved[4];unsigned toc[1];};

然后是pa_info_array的定义为：

static pro_info *pa_info_array;

所以在函数中，由于pa_info_array由于刚刚定义的，所以当if判断其是否为空，结果为空，所以继续往下执行。接着调用init_workspace(&pa_workspace, PA_SIZE)函数，其定义为：

static int init_workspace(workspace *w, size_t size){    void *data;    int fd;        /* dev is a tmpfs that we can use to carve a shared workspace         * out of, so let's do that...         */    fd = open("/dev/__properties__", O_RDWR | O_CREAT, 0600);    if (fd < 0)        return -1;    if (ftruncate(fd, size) < 0)        goto out;    data = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);    if(data == MAP_FAILED)        goto out;    close(fd);    fd = open("/dev/__properties__", O_RDONLY);    if (fd < 0)        return -1;    unlink("/dev/__properties__");    w->data = data;    w->size = size;    w->fd = fd;    return 0;out:    close(fd);    return -1;}

pa_workspace和PA_SIZE也在当前文件夹中定义，如下：

#define PA_SIZE 49152static workspace pa_workspace;

该函数中有涉及另一个结构体workplace，就定义当函数所在的文件夹，其定义为：

typedef struct {    void *data;    size_t size;    int fd;} workspace;

这个文件夹中存储了三个变量，数据、大小和文件描述符。init_workplace（)这个函数里面就要初始化一个这样的结构体。

首先，打开一个设备文件/dev/__properties__"，通过ftruncate()函数调用将这个文件的大小改为size。size是通过调用函数时形参传递进来的。

然后，调用mmap()函数映射一段内存。返回映射区的地址保存在data中。

最后，将对应的data、size、fd分别给workplace结构体指针w赋值。

函数执行成功，返回0。回到init_property_area函数中。init_workplace(）函数返回后进行if判断，若执行成功，返回0，所以接着往下执行。

调用fcntl()函数，关于fcntl函数的功能，

参考：http://www.cnblogs.com/andtt/articles/2178875.html和http://blog.csdn.net/ustc_dylan/article/details/6930189

pa_workspace.data表示的是一段大小为PA_SIZE的内存地址，将这个地址加上PA_INFO_START赋值给pa_info_array。PA_INFO_START定义为：

#define PA_INFO_START 1536

然后将pa_workplace.data代表的那段大小为PA_SIZE的内存通过调用memset()函数将其内存清0。
记者就是一些简单的赋值操作了，现在回到main()函数中。

执行get_hardware_name(hardware, &revision);该函数定义在:~/my_android/system/core/init/util.c文件中，实现代码如下：

void get_hardware_name(char *hardware, unsigned int *revision){    char data[1024];    int fd, n;    char *x, *hw, *rev;    /* Hardware string was provided on kernel command line */    if (hardware[0])        return;    fd = open("/proc/cpuinfo", O_RDONLY);    if (fd < 0) return;    n = read(fd, data, 1023);    close(fd);    if (n < 0) return;    data[n] = 0;    hw = strstr(data, "\nHardware");    rev = strstr(data, "\nRevision");    if (hw) {        x = strstr(hw, ": ");        if (x) {            x += 2;            n = 0;            while (*x && *x != '\n') {                if (!isspace(*x))                    hardware[n++] = tolower(*x);                x++;                if (n == 31) break;            }            hardware[n] = 0;        }    }    if (rev) {        x = strstr(rev, ": ");        if (x) {            *revision = strtoul(x + 2, 0, 16);        }    }}

这个函数的实参hardware是一32个元素的字符数组，revision为一个unsigned值，也定义在函数所在的文件中，定义如下：

static char hardware[32];static unsigned revision = 0;

get_hardware_name()函数从"proc/cpuinfo"文件读取相应字符串到data中，然后通过调用strstr函数将data中"\nHardware"开始的字符保存到hw中，将“\nRevision”开始的字符保存到rev中。

strstr()函数的功能：就是在第一个参数中查找第二个参数第一次出现的地址，将地址赋值给一个字符指针，接着就可以利用这个字符指针找到从这个地址开始往后的字符。

"/proc/cpuinfo中"中的内容，可以通过adb shell登录模拟器来查看，其内容如下：

后面两个if语句对hw和rev进行处理，最终得到我们想要的数值。其中hw部分，提取Goldfish这几个字符，并将其大写转为小写。rev那部分数据转化为十六进制表示。

回到main()函数，接着执行process_kernel_cmdline();该函数和main()函数定义在同一文件夹中，实现代码如下：

static void process_kernel_cmdline(void){    /* don't expose the raw commandline to nonpriv processes */    chmod("/proc/cmdline", 0440);    /* first pass does the common stuff, and finds if we are in qemu.     * second pass is only necessary for qemu to export all kernel params     * as props.     */    import_kernel_cmdline(0, import_kernel_nv);    if (qemu[0])        import_kernel_cmdline(1, import_kernel_nv);    /* now propogate the info given on command line to internal variables     * used by init as well as the current required properties     */    export_kernel_boot_props();}

除了使用import_kernel_cmdline函数导入内核变量外，主要的功能就是调用export_kernel_boot_props函数通过属性设置内核变量，主要实现的功能是处理内核命令行，以下从细节进行分析。

首先调用chmod()函数改变"/proc/cmdline"的文件属性。

import_kernel_cmdline(0, import_kernel_nv);的定义在~/my_android/system/core/init/util.c中，实现代码如下：

void import_kernel_cmdline(int in_qemu,                           void (*import_kernel_nv)(char *name, int in_qemu)){    char cmdline[1024];    char *ptr;    int fd;    fd = open("/proc/cmdline", O_RDONLY);    if (fd >= 0) {        int n = read(fd, cmdline, 1023);        if (n < 0) n = 0;        /* get rid of trailing newline, it happens */        if (n > 0 && cmdline[n-1] == '\n') n--;        cmdline[n] = 0;        close(fd);    } else {        cmdline[0] = 0;    }    ptr = cmdline;    while (ptr && *ptr) {        char *x = strchr(ptr, ' ');        if (x != 0) *x++ = 0; //可以拆分为*x = 0; x++;        import_kernel_nv(ptr, in_qemu);        ptr = x;    }}

首先打开文件"/proc/cmdline"，读取其内容到变量cmdline中，"/proc/cmdline"中内容如下：

其后对cmdline的字符数组处理非常简单。然后到while()循环，

strchr函数返回第二个变量在第一个变量中第一次出现的位置，具体用法可参考：http://blog.csdn.net/sky2098/article/details/1530433

import_kernel_nv(ptr, in_qemu)定义在~/my_android/system/core/init/init.c中，实现的代码如下：

static void import_kernel_nv(char *name, int for_emulator){    char *value = strchr(name, '=');    int name_len = strlen(name);    if (value == 0) return;    *value++ = 0;    if (name_len == 0) return;#ifdef HAVE_SELINUX    if (!strcmp(name,"selinux")) {        selinux_enabled = atoi(value);    }#endif    if (for_emulator) {        /* in the emulator, export any kernel option with the         * ro.kernel. prefix */        char buff[PROP_NAME_MAX];        int len = snprintf( buff, sizeof(buff), "ro.kernel.%s", name );        if (len < (int)sizeof(buff))            property_set( buff, value );        return;    }    if (!strcmp(name,"qemu")) {        strlcpy(qemu, value, sizeof(qemu));#ifdef WANTS_EMMC_BOOT    } else if (!strcmp(name,"androidboot.emmc")) {        if (!strcmp(value,"true")) {            emmc_boot = 1;        }#endif    } else if (!strcmp(name,BOARD_CHARGING_CMDLINE_NAME)) {        strlcpy(battchg_pause, value, sizeof(battchg_pause));    } else if (!strncmp(name, "androidboot.", 12) && name_len > 12) {        const char *boot_prop_name = name + 12;        char prop[PROP_NAME_MAX];        int cnt;        cnt = snprintf(prop, sizeof(prop), "ro.boot.%s", boot_prop_name);        if (cnt < PROP_NAME_MAX)            property_set(prop, value);    }}

然后，返回到process_kernel_cmdline()中，由于变量qemu的定义为：

static char qemu[32];

由于没有初始化，所以if(qemu[0])判断为否，所以接着执行export_kernel_boot_props()函数，其定义在~/my_android/system/core/init/init.c中，实现的代码如下：

static void export_kernel_boot_props(void){    char tmp[PROP_VALUE_MAX];    const char *pval;    unsigned i;    struct {        const char *src_prop;        const char *dest_prop;        const char *def_val;    } prop_map[] = {        { "ro.boot.serialno", "ro.serialno", "", },        { "ro.boot.mode", "ro.bootmode", "unknown", },        { "ro.boot.baseband", "ro.baseband", "unknown", },        { "ro.boot.bootloader", "ro.bootloader", "unknown", },    };    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(prop_map); i++) {        pval = property_get(prop_map[i].src_prop);        property_set(prop_map[i].dest_prop, pval ?: prop_map[i].def_val);    }    pval = property_get("ro.boot.console");    if (pval)        strlcpy(console, pval, sizeof(console));    /* save a copy for init's usage during boot */    strlcpy(bootmode, property_get("ro.bootmode"), sizeof(bootmode));    /* if this was given on kernel command line, override what we read     * before (e.g. from /proc/cpuinfo), if anything */    pval = property_get("ro.boot.hardware");    if (pval)        strlcpy(hardware, pval, sizeof(hardware));    property_set("ro.hardware", hardware);    snprintf(tmp, PROP_VALUE_MAX, "%d", revision);    property_set("ro.revision", tmp);    property_set("ro.emmc",emmc_boot ? "1" : "0");    property_set("ro.boot.emmc", emmc_boot ? "1" : "0");    /* TODO: these are obsolete. We should delete them */    if (!strcmp(bootmode,"factory"))        property_set("ro.factorytest", "1");    else if (!strcmp(bootmode,"factory2"))        property_set("ro.factorytest", "2");    else        property_set("ro.factorytest", "0");}

从export_kernel_boot_props函数的代码可以看出，该函数实际上就是来回设置一些属性值，并且利用某些属性值修改console、hardware等变量。其中hardware变量（就是一个长度为32的字符数组）在get_hardware_name函数中已经从/proc/cpuinfo文件中获得过一次值了，在export_kernel_boot_props函数中又通过ro.boot.hardware属性设置了一次值。

其中property_get(prop_map[i].src_prop)和property_set(prop_map[i].dest_prop, pval ?: prop_map[i].def_val);的定义在~/my_android/system/core/init/property_service.c中，实现的代码如下：

const char* property_get(const char *name){    prop_info *pi;    if(strlen(name) >= PROP_NAME_MAX) return 0;    pi = (prop_info*) __system_property_find(name);    if(pi != 0) {        return pi->value;    } else {        return 0;    }}

int property_set(const char *name, const char *value){    prop_area *pa;    prop_info *pi;    int namelen = strlen(name);    int valuelen = strlen(value);    if(namelen >= PROP_NAME_MAX) return -1;    if(valuelen >= PROP_VALUE_MAX) return -1;    if(namelen < 1) return -1;    pi = (prop_info*) __system_property_find(name);    if(pi != 0) {        /* ro.* properties may NEVER be modified once set */        if(!strncmp(name, "ro.", 3)) return -1;        pa = __system_property_area__;        update_prop_info(pi, value, valuelen);        pa->serial++;        __futex_wake(&pa->serial, INT32_MAX);    } else {        pa = __system_property_area__;        if(pa->count == PA_COUNT_MAX) return -1;        pi = pa_info_array + pa->count;        pi->serial = (valuelen << 24);        memcpy(pi->name, name, namelen + 1);        memcpy(pi->value, value, valuelen + 1);        pa->toc[pa->count] =            (namelen << 24) | (((unsigned) pi) - ((unsigned) pa));        pa->count++;        pa->serial++;        __futex_wake(&pa->serial, INT32_MAX);    }    /* 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;        }       /*        * The 'net.change' property is a special property used track when any        * 'net.*' property name is updated. It is _ONLY_ updated here. Its value        * contains the last updated 'net.*' property.        */        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);#ifdef HAVE_SELINUX    } else if (strcmp("selinux.reload_policy", name) == 0 &&               strcmp("1", value) == 0) {        selinux_reload_policy();#endif    }    property_changed(name, value);    return 0;}

关于Android中的property机制，可参考http://leave001.blog.163.com/blog/static/1626912932013030101531571/

接下来的#ifdef HAVE_SELINUX……#endif，代码如下：

int main(int argc, char **argv){    ...#ifdef HAVE_SELINUX    union selinux_callback cb;    cb.func_log = klog_write;    selinux_set_callback(SELINUX_CB_LOG, cb);    cb.func_audit = audit_callback;    selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);    INFO("loading selinux policy\n");    if (selinux_enabled) {        if (selinux_android_load_policy() < 0) {            selinux_enabled = 0;            INFO("SELinux: Disabled due to failed policy load\n");        } else {            selinux_init_all_handles();        }    } else {        INFO("SELinux:  Disabled by command line option\n");    }    /* 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.     */    restorecon("/dev");    restorecon("/dev/socket");#endif...}

是和Security-Enhanced Android相关的。

参考：

http://blog.csdn.net/jiangbei_lengyu/article/details/8564144
http://www.cnblogs.com/bastard/archive/2012/08/28/2660389.html
http://www.cnblogs.com/nokiaguy/archive/2013/04/14/3020774.html

Android(安卓)4.2启动代码分析(一)

Android系统启动过程分析

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