android源码分析—Zygote和SystemServer启动

摘要：注此次分析以源码为例。孵化器受精卵名字是受精卵，其实就是帮助或其他进程启动的一个玩意儿。启动系统服务是系统的大核心之一，和一并重要，专管所有的系统服务。每个进程都走这一步这个分支到此先不往下跟踪了，和启动的过程关系不大了。

注：此次分析以6.0源码为例。

android系统是从linux改过来的，因此这里从init进程开始进行分析。

让我们进入init.cpp来看看，首先看main:
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/system/core/init/init.cpp

int main(int argc, char** argv) {
    // 判断是否是启动的第一阶段，根据参数来判断
    bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);
    
    if (is_first_stage) {
        // 如果是第一阶段
        mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");    // 挂载tmpfs文件系统(快速的临时文件系统，建立在内存上，不可持久)
        mkdir("/dev/pts", 0755);
        mkdir("/dev/socket", 0755);
        mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL); // 挂载devpts文件系统
        mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);    // 挂载proc文件系统
        mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);   // 挂载sysfs文件系统(设备结构)
    }
    
    ......
    
    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));


        property_init();    // 初始化属性域 system/core/init/Property_service.cpp

        // If arguments are passed both on the command line and in DT,
        // properties set in DT always have priority over the command-line ones.
        process_kernel_dt();
        process_kernel_cmdline();

        // Propogate the kernel variables to internal variables
        // used by init as well as the current required properties.
        export_kernel_boot_props();
    }
    
    ......
    
    if (is_first_stage) {
        if (restorecon("/init") == -1) {
            ERROR("restorecon failed: %s
", strerror(errno));
            security_failure();
        }
        
        // 重入main，进入第二阶段
        char* path = argv[0];
        char* args[] = { path, const_cast("--second-stage"), nullptr };
        if (execv(path, args) == -1) {
            ERROR("execv("%s") failed: %s
", path, strerror(errno));
            security_failure();
        }
    }
    
    ......
    
    epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);    // 创建epoll
    ......
    signal_handler_init();  // 初始化子进程处理器，防止僵尸进程。这里使用信号来监控子进程退出
    ......
    start_property_service();   // 启动属性服务
    init_parse_config_file("/init.rc"); // 解析init.rc文件
    ......
    // 不断监听执行上面rc解析出来的指令
    while (true) {
        if (!waiting_for_exec) {
            execute_one_command();  // 执行指令
            restart_processes();
        }

        int timeout = -1;
        if (process_needs_restart) {
            timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;
            if (timeout < 0)
                timeout = 0;
        }

        if (!action_queue_empty() || cur_action) {
            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
", strerror(errno));
        } else if (nr == 1) {
            ((void (*)()) ev.data.ptr)();
        }
    }
}

整个init阶段分为2个阶段，第一阶段主要是挂载文件系统等工作，然后这里会有个重入main的动作，这次重入后开始执行第二阶段，第二阶段主要处理各种属性域，epoll，启动属性服务，防止僵尸进程等琐碎的事情。然后开始执行init.rc中配置的指令。下面看看这个rc文件：

/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/system/core/rootdir/init.rc

import /init.environ.rc
import /init.usb.rc
import /init.${ro.hardware}.rc
import /init.usb.configfs.rc
import /init.${ro.zygote}.rc
import /init.trace.rc

可以看到这里引用了/init.${ro.zygote}.rc，对应的是类似init.zygote64.rc这些文件：

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 media
    onrestart restart netd
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

这里实际执行的是app_main.cpp的main:
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

    // 根据参数设置类名
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            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;
        }
    }
    ......
    if (zygote) {
        // 这里执行到ZygoteInit类中
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.
");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
        return 10;
    }

根据参数判断，如果是zygote则在后面执行runtime.start，给定的参数是ZygoteInit这个类。
runtime实际执行的是AndroidRuntime.cpp中的代码：
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/jni

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector& options, bool zygote)
    ......
    jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in "%s"
", className);
            /* keep going */
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

#if 0
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);
#endif
        }
        ......
}

实际执行的就是env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);这句话，调用的就是ZygoteInit.java中的main。至此，从init进入到Zygote中了。

zygote名字是受精卵，其实就是帮助app或其他进程启动的一个玩意儿。内部就是走的fork分裂出一个进程来。

/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    try {
        ......
        for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
            if ("start-system-server".equals(argv[i])) {    // 这里传递的就是这个
                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);   // 注册并启动socket服务端，为zygote
        ......
        if (startSystemServer) {
            startSystemServer(abiList, socketName); // 启动systemserver
        }
        ......
        runSelectLoop(abiList); // 进入looper，等待启动app的请求
    } 
    // 注意这里，是个关键点。异常发生的时候调用了MethodAndArgsCaller这个runnable的run
    catch (MethodAndArgsCaller caller) {      
        caller.run();
    }
    
}

基本就这些了，总结一下：
1.zygote使用本地socket进行通讯，并接受请求从而进行分裂的处理；
2.启动systemserver这个大户；
3.zygote永不退出，生命周期在系统启动一直到结束，并且从runSelectLoop开始彻底成为孵化器服务进程；
4.一旦发生MethodAndArgsCaller caller异常，调用MethodAndArgsCaller的call处理，后面我们会说到这个；

按照顺序，我们首先来看看startSystemServer。

SystemServer是系统的2大核心之一，和Zygote一并重要，专管所有的系统服务。需要多带带开篇来阐述。这里我们只说启动的过程。

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
            throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
    ......
    // fork SystemServer进程
    pid = Zygote.forkSystemServer(
        parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
        parsedArgs.gids,
        parsedArgs.debugFlags,
        null,
        parsedArgs.permittedCapabilities,
        parsedArgs.effectiveCapabilities);
    ......
    // 如果是子进程，就是SystemServer本身，执行
    if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }

        // 如果是子进程，即systemserver，调用handleSystemServerProcess进行后面的收尾工作
        handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }  
}

好吧，我们继续看handleSystemServerProcess：

private static void handleSystemServerProcess(
            ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
......
RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
......
                
}

其实重要的就这一句话调用。继续往下跟踪：
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java

public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    ......
    // 常规初始化,设置跟踪，设置网络代理
    commonInit();
    // AndroidRuntime.cpp c层函数
    nativeZygoteInit();
    // 应用程序初始化
    applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
                
}

基本上就是上面这3个调用最重要，我们依次看下：
/Volumes/aosp/WORKING_DIRECTORY/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    gCurRuntime->onZygoteInit();
}

看到了吧，回到了app_main.cpp AppRuntime的onZygoteInit中：

virtual void onZygoteInit()
{
    sp proc = ProcessState::self();
    ALOGV("App process: starting thread pool.
");
    // 启动线程池，用于与binder通讯。每个进程都走这一步
    proc->startThreadPool();
}

这个分支到此先不往下跟踪了，和启动的过程关系不大了。
下面我们回到RuntimeInit.java看下applicationInit：

private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
        // 设置关闭引用程序是是否调用AppRuntime.onExit()，默认调用
        nativeSetExitWithoutCleanup(true);

        ......

        // 传递参数，并调用类的main方法
        invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
    }

关键方法是invokeStaticMain，执行类的main方法，这个类在前面的startSystemServer里面有参数传递，具体是这样的：

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",
        };

所以这个类就是SystemServer，调用的就是他的main方法。
下面看看invokeStaticMain内部：

private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
    throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    Class cl;

    // 通过反射获取类名
    try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing class when invoking static main " + className,
                ex);
    }

    // 获取该类的main方法
    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
    } catch (NoSuchMethodException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing static main on " + className, ex);
    } catch (SecurityException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Problem getting static main on " + className, ex);
    }

    int modifiers = m.getModifiers();
    if (! (Modifier.isStatic(modifiers) && Modifier.isPublic(modifiers))) {
        throw new RuntimeException(
                "Main method is not public and static on " + className);
    }

    /*
     * This throw gets caught in ZygoteInit.main(), which responds
     * by invoking the exception"s run() method. This arrangement
     * clears up all the stack frames that were required in setting
     * up the process.
     */
     // 抛出异常
    throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

看到这里一定会奇怪，为何在此处抛出一个异常：throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);，这里我们需要往前回溯看看，到底在哪里捕获的异常。结果是发现在ZygoteInit.java的main中进行的捕获：

try {
    ......
    if (startSystemServer) {
        startSystemServer(abiList, socketName);
    }
    ......
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
     caller.run();
}

调用的起始也是从这里开始的，好吧，我们看看捕获到异常之后做了什么。调用了caller.run()。抛出异常的时候已经new了一个throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);这个对象了，并且参数给出的就是SystemServer类的main方法，那么继续看ZygoteInit.MethodAndArgsCaller：

    public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
            implements Runnable {
        /** method to call */
        private final Method mMethod;

        /** argument array */
        private final String[] mArgs;

        public MethodAndArgsCaller(Method method, String[] args) {
            mMethod = method;
            mArgs = args;
        }

        public void run() {
            try {
                mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
            } catch (IllegalAccessException ex) {
                throw new RuntimeException(ex);
            } catch (InvocationTargetException ex) {
                Throwable cause = ex.getCause();
                if (cause instanceof RuntimeException) {
                    throw (RuntimeException) cause;
                } else if (cause instanceof Error) {
                    throw (Error) cause;
                }
                throw new RuntimeException(ex);
            }
        }
    }

run方法就是调用了一下这个方法，也就是调用了SystemServer的main方法，直接跳到main方法执行了。但是为何这么做呢？这里有个疑问。其实仔细想想也挺有意思。这一串调用从startSystemServer开始执行了比较深了，每次执行函数方法的时候都会伴随着出现局部变量，那么就会直接开辟在栈上，之后的SystemServer又是个常驻不退出的进程，那么栈上面的这些空间也就意味着并不会释放，而启动过程只会执行一次，后面没用了，这些东西没有清理就一直存在。这里直接抛出异常后，在startSystemServer这个最初的位置捕获，会导致异常发生后直接跳到捕获的地方，之前所有的栈全部被清空。这下子明白了吧。google很聪明的利用了异常的做法回溯了栈，释放不用的内存。真是非常聪明！

至此本文结束。