Android启动过程的Zygote进程

/frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/  - ZygoteInit.java  - Zygote.java  - ZygoteConnection.java  /frameworks/base/core/java/android/net/LocalServerSocket.java/system/core/libutils/Threads.cpp

一. 概述

Zygote是由init进程通过解析init.zygote.rc文件而创建的，zygote所对应的可执行程序app_process，所对应的源文件是App_main.cpp，进程名为zygote。

service zygote /system/bin/app_process -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 media    onrestart restart netd

Zygote进程能够重启的地方:

servicemanager进程被杀; (onresart)
surfaceflinger进程被杀; (onresart)
Zygote进程自己被杀; (oneshot=false)
system_server进程被杀; (waitpid)

从App_main()开始，Zygote启动过程的函数调用类大致流程如下：

二、Zygote启动过程

2.1 App_main.main

[-> App_main.cpp]

int main(int argc, char* const argv[]){    //传到的参数argv为“-Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server”    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));    argc--; argv++; //忽略第一个参数    int i;    for (i = 0; i < argc; i++) {        if (argv[i][0] != '-') {            break;        }        if (argv[i][1] == '-' && argv[i][2] == 0) {            ++i;            break;        }        runtime.addOption(strdup(argv[i]));    }    //参数解析    bool zygote = false;    bool startSystemServer = false;    bool application = false;    String8 niceName;    String8 className;    ++i;    while (i < argc) {        const char* arg = argv[i++];        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {            zygote = true;            //对于64位系统nice_name为zygote64; 32位系统为zygote            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {            startSystemServer = true;        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {            application = true;        } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {            niceName.setTo(arg + 12);        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {            className.setTo(arg);            break;        } else {            --i;            break;        }    }    Vector args;    if (!className.isEmpty()) {        // 运行application或tool程序        args.add(application ? String8("application") : String8("tool"));        runtime.setClassNameAndArgs(className, argc - i, argv + i);    } else {        //进入zygote模式，创建 /data/dalvik-cache路径        maybeCreateDalvikCache();        if (startSystemServer) {            args.add(String8("start-system-server"));        }        char prop[PROP_VALUE_MAX];        if (property_get(ABI_LIST_PROPERTY, prop, NULL) == 0) {            return 11;        }        String8 abiFlag("--abi-list=");        abiFlag.append(prop);        args.add(abiFlag);        for (; i < argc; ++i) {            args.add(String8(argv[i]));        }    }    //设置进程名    if (!niceName.isEmpty()) {        runtime.setArgv0(niceName.string());        set_process_name(niceName.string());    }    if (zygote) {        // 启动AppRuntime 【见小节2.2】        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);    } else if (className) {        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);    } else {        //没有指定类名或zygote，参数错误        return 10;    }}

2.2 start

[-> AndroidRuntime.cpp]

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector& options, bool zygote){    static const String8 startSystemServer("start-system-server");    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {        if (options[i] == startSystemServer) {           const int LOG_BOOT_PROGRESS_START = 3000;        }    }    const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT");    if (rootDir == NULL) {        rootDir = "/system";        if (!hasDir("/system")) {            return;        }        setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1);    }    JniInvocation jni_invocation;    jni_invocation.Init(NULL);    JNIEnv* env;    // 虚拟机创建【见小节2.3】    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {        return;    }    onVmCreated(env);    // JNI方法注册【见小节2.4】    if (startReg(env) < 0) {        return;    }    jclass stringClass;    jobjectArray strArray;    jstring classNameStr;    //等价 strArray= new String[options.size() + 1];    stringClass = env->FindClass("java/lang/String");    strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);    //等价 strArray[0] = "com.android.internal.os.ZygoteInit"    classNameStr = env->NewStringUTF(className);    env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);    //等价 strArray[1] = "start-system-server"；    //    strArray[2] = "--abi-list=xxx"；    //其中xxx为系统响应的cpu架构类型，比如arm64-v8a.    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {        jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());        env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);    }    //将"com.android.internal.os.ZygoteInit"转换为"com/android/internal/os/ZygoteInit"    char* slashClassName = toSlashClassName(className);    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);    if (startClass == NULL) {        ...    } else {        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",            "([Ljava/lang/String;)V");        // 调用ZygoteInit.main()方法【见小节3.1】        env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);    }    //释放相应对象的内存空间    free(slashClassName);    mJavaVM->DetachCurrentThread();    mJavaVM->DestroyJavaVM();}

2.3 startVm

[–> AndroidRuntime.cpp]

创建Java虚拟机方法的主要篇幅是关于虚拟机参数的设置，下面只列举部分在调试优化过程中常用参数。

int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote){    // JNI检测功能，用于native层调用jni函数时进行常规检测，比较弱字符串格式是否符合要求，资源是否正确释放。该功能一般用于早期系统调试或手机Eng版，对于User版往往不会开启，引用该功能比较消耗系统CPU资源，降低系统性能。    bool checkJni = false;    property_get("dalvik.vm.checkjni", propBuf, "");    if (strcmp(propBuf, "true") == 0) {        checkJni = true;    } else if (strcmp(propBuf, "false") != 0) {        property_get("ro.kernel.android.checkjni", propBuf, "");        if (propBuf[0] == '1') {            checkJni = true;        }    }    if (checkJni) {        addOption("-Xcheck:jni");    }    //虚拟机产生的trace文件，主要用于分析系统问题，路径默认为/data/anr/traces.txt    parseRuntimeOption("dalvik.vm.stack-trace-file", stackTraceFileBuf, "-Xstacktracefile:");    //对于不同的软硬件环境，这些参数往往需要调整、优化，从而使系统达到最佳性能    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapstartsize", heapstartsizeOptsBuf, "-Xms", "4m");    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapsize", heapsizeOptsBuf, "-Xmx", "16m");    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapgrowthlimit", heapgrowthlimitOptsBuf, "-XX:HeapGrowthLimit=");    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapminfree", heapminfreeOptsBuf, "-XX:HeapMinFree=");    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapmaxfree", heapmaxfreeOptsBuf, "-XX:HeapMaxFree=");    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heaptargetutilization",                       heaptargetutilizationOptsBuf, "-XX:HeapTargetUtilization=");    ...    //preloaded-classes文件内容是由WritePreloadedClassFile.java生成的，    //在ZygoteInit类中会预加载工作将其中的classes提前加载到内存，以提高系统性能    if (!hasFile("/system/etc/preloaded-classes")) {        return -1;    }    //初始化虚拟机    if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {        ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");        return -1;    }}

2.4 startReg

[–> AndroidRuntime.cpp]

int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env){    //设置线程创建方法为javaCreateThreadEtc 【见小节2.4.1】    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);    env->PushLocalFrame(200);    //进程NI方法的注册【见小节2.4.2】    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {        env->PopLocalFrame(NULL);        return -1;    }    env->PopLocalFrame(NULL);    return 0;}

2.4.1 androidSetCreateThreadFunc

[-> Threads.cpp]

void androidSetCreateThreadFunc(android_create_thread_fn func){    gCreateThreadFn = func;}

虚拟机启动后startReg()过程，会设置线程创建函数指针gCreateThreadFn指向javaCreateThreadEtc.

2.4.2 register_jni_procs

static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env){    for (size_t i = 0; i < count; i++) {        //【见小节2.4.3】        if (array[i].mProc(env) < 0) {            return -1;        }    }    return 0;}

2.4.3 gRegJNI.mProc

static const RegJNIRec gRegJNI[] = {    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),    REG_JNI(register_android_os_Binder)，    ...}；

array[i]是指gRegJNI数组, 该数组有100多个成员。其中每一项成员都是通过REG_JNI宏定义的：

#define REG_JNI(name)      { name }struct RegJNIRec {    int (*mProc)(JNIEnv*);};

可见，调用mProc，就等价于调用其参数名所指向的函数。例如REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit).mProc也就是指进入register_com_android_internal_os_RuntimeInit方法，接下来就继续以此为例来说明：

int register_com_android_internal_os_RuntimeInit(JNIEnv* env){    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/RuntimeInit",        gMethods, NELEM(gMethods));}//gMethods：java层方法名与jni层的方法的一一映射关系static JNINativeMethod gMethods[] = {    { "nativeFinishInit", "()V",        (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit },    { "nativeZygoteInit", "()V",        (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit },    { "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V",        (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup },};

三. 进入Java层

前面[小节2.1]AndroidRuntime.start()执行到最后通过反射调用到ZygoteInit.main(),见下文:

3.1 ZygoteInit.main

[–>ZygoteInit.java]

public static void main(String argv[]) {    try {        RuntimeInit.enableDdms(); //开启DDMS功能        SamplingProfilerIntegration.start();        boolean startSystemServer = false;        String socketName = "zygote";        String abiList = null;        for (int i = 1; i < argv.length; i++) {            if ("start-system-server".equals(argv[i])) {                startSystemServer = true;            } else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {                abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());            } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {                socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());            } else {                throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);            }        }        ...        registerZygoteSocket(socketName); //为Zygote注册socket【见小节3.2】        preload(); // 预加载类和资源【见小节3.3】        SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();        gcAndFinalize(); //GC操作        if (startSystemServer) {            startSystemServer(abiList, socketName);//启动system_server【见小节3.4】        }        runSelectLoop(abiList); //进入循环模式【见小节3.5】        closeServerSocket();    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {        caller.run(); //启动system_server中会讲到。    } catch (RuntimeException ex) {        closeServerSocket();        throw ex;    }}

在异常捕获后调用的方法caller.run()，会在后续的system_server文章会讲到。

3.2 registerZygoteSocket

[–>ZygoteInit.java]

private static void registerZygoteSocket(String socketName) {    if (sServerSocket == null) {        int fileDesc;        final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;        try {            String env = System.getenv(fullSocketName);            fileDesc = Integer.parseInt(env);        } catch (RuntimeException ex) {            ...        }        try {            FileDescriptor fd = new FileDescriptor();            fd.setInt$(fileDesc); //设置文件描述符            sServerSocket = new LocalServerSocket(fd); //创建Socket的本地服务端        } catch (IOException ex) {            ...        }    }}

3.3 preload

[–>ZygoteInit.java]

static void preload() {    //预加载位于/system/etc/preloaded-classes文件中的类    preloadClasses();    //预加载资源，包含drawable和color资源    preloadResources();    //预加载OpenGL    preloadOpenGL();    //通过System.loadLibrary()方法，    //预加载"android","compiler_rt","jnigraphics"这3个共享库    preloadSharedLibraries();    //预加载  文本连接符资源    preloadTextResources();    //仅用于zygote进程，用于内存共享的进程    WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();}

执行Zygote进程的初始化,对于类加载，采用反射机制Class.forName()方法来加载。对于资源加载，主要是 com.android.internal.R.array.preloaded_drawables和com.android.internal.R.array.preloaded_color_state_lists，在应用程序中以com.android.internal.R.xxx开头的资源，便是此时由Zygote加载到内存的。

zygote进程内加载了preload()方法中的所有资源，当需要fork新进程时，采用copy on write技术，如下：

3.4 startSystemServer

[–>ZygoteInit.java]

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)        throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {    long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(        OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND,        OsConstants.CAP_KILL,        OsConstants.CAP_NET_ADMIN,        OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,        OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,        OsConstants.CAP_NET_RAW,        OsConstants.CAP_SYS_MODULE,        OsConstants.CAP_SYS_NICE,        OsConstants.CAP_SYS_RESOURCE,        OsConstants.CAP_SYS_TIME,        OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG    );    //参数准备    String args[] = {        "--setuid=1000",        "--setgid=1000",        "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007",        "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,        "--nice-name=system_server",        "--runtime-args",        "com.android.server.SystemServer",    };    ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;    int pid;    try {        //用于解析参数，生成目标格式        parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);        ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);        ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);        // fork子进程，用于运行system_server        pid = Zygote.forkSystemServer(                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,                parsedArgs.gids,                parsedArgs.debugFlags,                null,                parsedArgs.permittedCapabilities,                parsedArgs.effectiveCapabilities);    } catch (IllegalArgumentException ex) {        throw new RuntimeException(ex);    }    //进入子进程system_server    if (pid == 0) {        if (hasSecondZygote(abiList)) {            waitForSecondaryZygote(socketName);        }        // 完成system_server进程剩余的工作        handleSystemServerProcess(parsedArgs);    }    return true;}

准备参数并fork新进程，从上面可以看出system server进程参数信息为uid=1000,gid=1000,进程名为sytem_server，从zygote进程fork新进程后，需要关闭zygote原有的socket。另外，对于有两个zygote进程情况，需等待第2个zygote创建完成。更多详情见Android系统启动-systemServer上篇。

3.5 runSelectLoop

[–>ZygoteInit.java]

private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {    ArrayList fds = new ArrayList();    ArrayList peers = new ArrayList();    //sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0]    fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());    peers.add(null);    while (true) {        StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];        for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {            pollFds[i] = new StructPollfd();            pollFds[i].fd = fds.get(i);            pollFds[i].events = (short) POLLIN;        }        try {             //处理轮询状态，当pollFds有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里            Os.poll(pollFds, -1);        } catch (ErrnoException ex) {            ...        }                for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {            //采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行；            // 否则进入continue，跳出本次循环。            if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {                continue;            }            if (i == 0) {                //即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求；                // 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);                peers.add(newPeer);                fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds.            } else {                //i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作【见小节3.6】                boolean done = peers.get(i).runOnce();                if (done) {                    peers.remove(i);                    fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符                }            }        }    }}

Zygote采用高效的I/O多路复用机制，保证在没有客户端连接请求或数据处理时休眠，否则响应客户端的请求。

3.6 runOnce

[-> ZygoteConnection.java]

boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {    String args[];    Arguments parsedArgs = null;    FileDescriptor[] descriptors;    try {        //读取socket客户端发送过来的参数列表        args = readArgumentList();        descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();    } catch (IOException ex) {        ...        return true;    }    ...    try {        //将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式        parsedArgs = new Arguments(args);        ...        //【见小节7】        pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,                parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,                parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,                parsedArgs.appDataDir);    } catch (Exception e) {        ...    }    try {        if (pid == 0) {            //子进程执行            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);            serverPipeFd = null;            //进入子进程流程            handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);            return true;        } else {            //父进程执行            IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);            childPipeFd = null;            return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);        }    } finally {        IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);        IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);    }}

更多内容，见理解Android进程创建流程

四、总结

Zygote启动过程的调用流程图：

解析init.zygote.rc中的参数，创建AppRuntime并调用AppRuntime.start()方法；
调用AndroidRuntime的startVM()方法创建虚拟机，再调用startReg()注册JNI函数；
通过JNI方式调用ZygoteInit.main()，第一次进入Java世界；
registerZygoteSocket()建立socket通道，zygote作为通信的服务端，用于响应客户端请求；
preload()预加载通用类、drawable和color资源、openGL以及共享库以及WebView，用于提高app启动效率；
zygote完毕大部分工作，接下来再通过startSystemServer()，fork得力帮手system_server进程，也是上层framework的运行载体。
zygote功成身退，调用runSelectLoop()，随时待命，当接收到请求创建新进程请求时立即唤醒并执行相应工作。

最后，介绍给通过cmd命令，来fork新进程来执行类中main方法的方式：(启动后进入RuntimeInit.main)

 app_process [可选参数] 命令所在路径 启动的类名 [可选参数]

一. 概述

二、Zygote启动过程

2.1 App_main.main

2.2 start

2.3 startVm

2.4 startReg

2.4.1 androidSetCreateThreadFunc

2.4.2 register_jni_procs

2.4.3 gRegJNI.mProc

三. 进入Java层

3.1 ZygoteInit.main

3.2 registerZygoteSocket

3.3 preload

3.4 startSystemServer

3.5 runSelectLoop

3.6 runOnce

四、总结

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