Android系统启动过程全解析

Android系统是一款基于Linux的移动操作系统，那么Android是如何启动起来的呢？本文就详细阐述Android系统的启动过程。

从内核之上，我们首先应该从文件系统的init开始，因为 init 是内核进入文件系统后第一个运行的程序，通常我们可以在linux的命令行中指定内核第一个调用谁，如果没指定那么内核将会到/sbin/、/bin/ 等目录下查找默认的init，如果没有找到那么就报告出错。

init.c位置：system/core/init/init.c。

在init.c的main函数里面完成以下步骤：

1、创建设备节点。

2、初始化log系统。

 3、解析init.rc文件，解析函数在同一目录的parser.c里面实现。

       4、初始化属性服务器，在同一目录下的property_service.c里面实现。

。。。。

最后、进入loop等待事件到来。

 init.rc的解析过程

init.rc是一个初始化脚本，路径（不确定）：device/renesas/emev/init.rc

在init.c的main函数里面，调用parser.c的parse_config_file("/init.rc");执行解析过程。

先读取文件内容到data里面，再调用parse_config(fn, data);进行解析。

init.rc包含Android初始化语言的四大类声明：行为类(Actions)、命令类(Commands)、服务类(Services)、选项类(Options)，解析完会形成两个列表service_list 和action_list。

其中有一个很重要的服务就是zygote，在init.rc里面的片段：

Java代码

1. service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
2. socket zygote stream 666
3. onrestart write /sys/android_power/request_state wake
4. onrestart write /sys/power/state on
5. onrestart restart media

这是脚本中service的格式：

Java代码

1. service <name> <pathname> [ <argument> ]*
2. <option>
3. <option>
4. ...

zygote对应的可执行文件为app_process，android2.2中它的源代码位置：framework/base/cmds/app_process。

app_main.cpp的main函数，它先调用AndroidRuntime::addVmArguments将它的参数“-Xzygote /system/bin”传给AndroidRuntime作为启动JavaVM用。接着如果定位余下的参数，如果有"--zygote"，执行下面代码，从参数可以知道，这时候要求启动start system server，并且将com.android.internal.os.ZygoteInit装载至虚拟机。

C++代码

1. ZygoteInit.java的main方法)。
2. if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
3. bool startSystemServer = (i < argc) ?
4. strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
5. setArgv0(argv0, "zygote");
6. set_process_name("zygote");
7. runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
8. startSystemServer);
9. }

否则不启动system server：

C++代码

1. set_process_name(argv0);
2. runtime.mClassName = arg;
3. // Remainder of args get passed to startup class main()
4. runtime.mArgC = argc-i;
5. runtime.mArgV = argv+i;
6. LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",
7. getpid(), runtime.getClassName());
8. runtime.start();

runtime是AppRuntime对象，继承自AndroidRuntime，在AndroitRuntime.app里的start()函数如下，默认装载的是RuntimeInit进程，不启动system server。

C++代码

1. void AndroidRuntime::start()
2. {
3. start("com.android.internal.os.RuntimeInit",
4. false /* Don't start the system server */);
5. }

在AndroidRuntime.cpp的start方法内，先启动JAVA虚拟机，在定位执行className类的main方法（如果才存在的话）。

C++代码

1. void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)
2. {
3. LOGD("\n>>>>>>>>>>>>>> AndroidRuntime START <<<<<<<<<<<<<<\n");
4. /* start the virtual machine */
5. if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
6. goto bail;
7. startClass = env->FindClass(slashClassName);
8. if (startClass == NULL) {
9. LOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
10. /* keep going */
11. } else {
12. startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
13. "([Ljava/lang/String;)V");
14. if (startMeth == NULL) {
15. LOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
16. /* keep going */
17. } else {
18. env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
19. }
20. }
21. ｝

先看怎么启动虚拟机的，在startVm方法内，先将一些系统参数选项，包括虚拟机相关的属性，保存到一个JavaVMOption的实例内，比如虚拟机的堆大小，是否check jni，JNI版本信息，最后将这些参数传给JNI_CreateJavaVM，创建JAVA虚拟机实例。

C++代码

1. //JNI_CreateJavaVM在jni.h中有声明，代码位置：dalvik/libnativehelper/include/nativehelper/，在Jni.c中有定义
2. jint JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void*);
3. jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM**, JNIEnv**, void*);
4. jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM**, jsize, jsize*);

在JNI_CreateJavaVM中，先检查JNI的版本，为JavaVM，JNIEnv开辟空间，保存通用接口，最后解析传进来的参数，最后调用dvmStartup启动虚拟机（有些传给JNI_CreateJavaVM的参数，也直接传给了dvmStartup）。

这里的JNIEnv实际是JNIEnvExt强制转换过来的，JNIEnvExt是JNIEnv结构体的扩展，JNIEnExt前端与JNIEnv完全对齐，都是JNI函数指针。相当于JNIEnExt对JNIEnv进行了赋值。

C++代码

1. pEnv = (JNIEnvExt*) dvmCreateJNIEnv(NULL);

在dvmStartup在Init.c定义，先调用setCommandLineDefaults进行一些默认的设置，比如虚拟机的默认heap大小。

C++代码

1. static void setCommandLineDefaults()
2. {
3. gDvm.heapSizeStart = 2 * 1024 * 1024;   // Spec says 16MB; too big for us.
4. gDvm.heapSizeMax = 16 * 1024 * 1024;    // Spec says 75% physical mem
5. gDvm.stackSize = kDefaultStackSize;
6. ｝

然后调用dvmProcessOptions处理传进来的参数，比如是否执行zygote，最后，根据gDvm.zygote的值，是否申请一个新的堆，这个值在有参数-Xzygote置1。

C++代码

1. if (gDvm.zygote) {
2. if (!dvmInitZygote())
3. goto fail;
4. } else {
5. if (!dvmInitAfterZygote())
6. goto fail;
7. }

到这里，虚拟机算是启动成功了。

回到AndroidRuntime.cpp的start方法，现在我们要启动ZygoteInit进程，找到ZygoteInit的main方法，调用env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);去启动它。

CallStaticVoidMethod在Jni.c里面有定义，但不是直接定义的，因此用CallStaticVoidMethod作为函数名直接查定义是查不到的，是这样定义的：

CALL_STATIC(void, Void, , , false);

再看CALL_STATIC的宏定义：

C++代码

1. #define CALL_STATIC(_ctype, _jname, _retfail, _retok, _isref)               \
2. static _ctype CallStatic##_jname##Method(JNIEnv* env, jclass jclazz,    \
3. jmethodID methodID, ...)                                            \
4. {                                                                       \
5. UNUSED_PARAMETER(jclazz);                                           \
6. JNI_ENTER();                                                        \
7. JValue result;                                                      \
8. va_list args;                                                       \
9. va_start(args, methodID);                                           \
10. dvmCallMethodV(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);\
11. va_end(args);                                                       \
12. if (_isref && !dvmCheckException(_self))                            \
13. result.l = addLocalReference(env, result.l);                    \
14. JNI_EXIT();                                                         \
15. return _retok;                                                      \
16. }                                                                       \
17. static _ctype CallStatic##_jname##MethodV(JNIEnv* env, jclass jclazz,   \
18. jmethodID methodID, va_list args)                                   \
19. {                                                                       \
20. UNUSED_PARAMETER(jclazz);                                           \
21. JNI_ENTER();                                                        \
22. JValue result;                                                      \
23. dvmCallMethodV(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);\
24. if (_isref && !dvmCheckException(_self))                            \
25. result.l = addLocalReference(env, result.l);                    \
26. JNI_EXIT();                                                         \
27. return _retok;                                                      \
28. }                                                                       \
29. static _ctype CallStatic##_jname##MethodA(JNIEnv* env, jclass jclazz,   \
30. jmethodID methodID, jvalue* args)                                   \
31. {                                                                       \
32. UNUSED_PARAMETER(jclazz);                                           \
33. JNI_ENTER();                                                        \
34. JValue result;                                                      \
35. dvmCallMethodA(_self, (Method*)methodID, NULL, true, &result, args);\
36. if (_isref && !dvmCheckException(_self))                            \
37. result.l = addLocalReference(env, result.l);                    \
38. JNI_EXIT();                                                         \
39. return _retok;                                                      \
40. }

因此CallStaticVoidMethod调用的是dvmCallMethodV方法，至于怎么样再调用到ZygoteInit的main方法，有待研究，现在直接看ZygoteInit的main方法，它的参数是这样定义的：

C++代码

1. stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
2. assert(stringClass != NULL);
3. strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);
4. assert(strArray != NULL);
5. classNameStr = env->NewStringUTF(className);
6. assert(classNameStr != NULL);
7. env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
8. startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?
9. "true" : "false");
10. env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);

申请一个String变量，给把类名作为第0个参数，第二个参数是"ture"或"false"，用来决定是否启动system service，在ZygoteInit的main方法会读取这个参数。

C++代码

1. if (argv[1].equals("true")) {
2. startSystemServer();
3. } else if (!argv[1].equals("false")) {
4. throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);
5. }

它读取到第一个参数是"true"，所以调用startSystemServer启动system server，在startSystemServer中，调用Zygote的forkSystemServer，fork出来的子进程，就是system server了，调用事的参数如下：

C++代码

1. String args[] = {
2. "--setuid=1000",
3. "--setgid=1000",
4. "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,3001,3002,3003",
5. "--capabilities=130104352,130104352",
6. "--runtime-init",
7. "--nice-name=system_server",
8. "com.android.server.SystemServer",
9. };

这些参数解析到一个ZygoteConnection.Arguments对象中。forkSystemServer方法实际上是JNI方法，在vm/native/dalvik_system_Zygote.c中有定义。

C++代码

1. static void Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer(
2. const u4* args, JValue* pResult)
3. {
4. pid_t pid;
5. pid = forkAndSpecializeCommon(args);
6. if (pid > 0) {
7. int status;
8. LOGI("System server process %d has been created", pid);
9. gDvm.systemServerPid = pid;
10. if (waitpid(pid, &status, WNOHANG) == pid) {
11. LOGE("System server process %d has died. Restarting Zygote!", pid);
12. kill(getpid(), SIGKILL);
13. }
14. }
15. RETURN_INT(pid);
16. }

具体的fork操作在forkAndSpecializeCommon里面进行，父进程检查子进程是否died。

在forkAndSpecializeCommon，先判断是否zygote模式，是否剩余有足够的heap空间，最后才执行fork()系统调用。

fork之后，父进程不做操作，子进程调用dvmInitAfterZygote去为自己申请堆空间。

子进程返回到startSystemServer方法。

C++代码

1. /* For child process */
2. if (pid == 0) {
3. handleSystemServerProcess(parsedArgs);
4. }

调用handleSystemServerProcess方法，在里面先设置uid的权限，再调用RuntimeInit.zygoteInit。

C++代码

1. /*
2. * Pass the remaining arguments to SystemServer.
3. * "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"
4. */
5. RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);
6. /* should never reach here */

在zygoteInit里面调用invokeStaticMain，invokeStaticMain先将com.android.server.Systemserver类的main方法取出，作为Method对象，然后和参数一起传给ZygoteInit.MethodAndArgsCaller，MethodAndArgsCaller继承自Runner，最终MethodAndArgsCaller调用Method.invode函数启动System Server。