【系统之音】Android进程的创建及启动简述

Android系统中的进程（这里不包括init等底层的进程）都是通过Zygote fork而来的，那这些进程的启动流程都是怎样的呢？

这里将Android进程分为两个部分：

（1）系统框架进程SystemServer进程。它是Zygote创建的第一个进程，是在系统启动过程中，Zygote进程启动时直接fork而来的。

（2）应用程序进程。比如Launcher、SystemUI，其它应用程序等的进程。这些应用程序进程的启动大致包含两个步骤：

1）AMS向Zygote进程发送创建进程的请求；

2）Zygote接受请求，创建并启动应用程序进程。

本文将围绕上述几点，基于Android P(API28)的源码，来梳理Android进程的创建与启动过程。内容的主要对象是应用开发者，所以力求简洁和完整，内容大体如下：

1、Zygote进程启动简述

       在理解这一部分前，建议先阅读【系统之音】Android系统启动篇。

系统在启动时，会启动一个名为“init”的系统进程，然后该进程会创建并启动Zygote进程。创建和启动Zygote进程的过程，先后从Nativie层跨入Java层，在Native层会创建虚拟机实例（即ART实例），然后通过JNI的方式调用ZygoteInit类的main方法。Native层的代码咱们不深究，这里看看main方法：

 //（代码1.1）=========ZygoteInit.java=====
 public static void main(String argv[]) {
       ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
       ......
       String socketName = "zygote";
       ......
       //创建一个名为“zygote”的Server端Socket，在后续会一直监听AMS发起的创建新进程的请求。
       zygoteServer.registerServerSocketFromEnv(socketName);
       ......
       //①通过fork方式创建SystemServer进程并启动
       if (startSystemServer) {
                 Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);//fork创建SystemServer进程
                 ......
                 if (r != null) {
                     r.run();//启动SystemServer进程
                     return;
                 }
             }
        //②该方法中使用了一个while(true)的无限循环来实现一直监听AMS的请求
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
        ......
        //③这里是会执行子进程（应用程序进程）的ActivityThread的main方法，后文会讲到
        if (caller != null) {
             caller.run();
         }
 }

我抽取了关键的代码，主要是关注Zygote启动期间所做的主要工作，这里先给出结论（有必要牢记于心）：

（1）创建虚拟机实例；

（2）创建一个名为“zygote”的Server端Socket，用于后续监听AMS的请求；

（3）通过fork的方式创建SystemServer进程并启动它，该过程会启动各种系统服务，AMS就是在这个阶段启动的；

（4）在runSelectLoop方法中通过一个while(true)无限循环来实现对AMS的监听；

（5）启动非SystemServer进程。

2、Zygote创建与启动SystemServer

实际上SystemServer是Zygote创建出的第一个进程，我们从代码1.1中的注释②处的forkSystemServer方法来深入了解：

 //代码2.1==========ZygoteInit.java=======
 private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,ZygoteServer zygoteServer) {
       ......
       int pid;
       ......
       //fork的过程发生在Native层
       pid = Zygote.forkSystemServer(...);
       ......
       //④pid为0表示子进程（即SystemServer进程）创建成功，逻辑进入到子进程中。下面的逻辑会启动SystemServer进程
       if (pid == 0) {
             ......
             return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }
 }

 public static int forkSystemServer(...){
       ......
       int pid = nativeForkSystemServer(...);
       ......
 }

 native private static int nativeForkSystemServer(...)

可见，forkSystemServer进程是发生在Native层的，接着继续从注释④处看看SystemServer进程的启动：

 //代码2.2 =========ZygoteInit.java========
 private static Runnable handleSystemServerProcess(...){
       ......
       return ZygoteInit.zygoteInit(...);
 }

 public static final Runnable zygoteInit(...) {
        ......
        //该处用于创建Binder线程池，此后SystemServer进程就可以使用Binder来实现IPC了。该过程也是在Native层实现，Binder在ServiceManager中进行注册。
         ZygoteInit.nativeZygoteInit();
         return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
     }

 private static final native void nativeZygoteInit();

 //==========RuntimeInit.java=======
 protected static Runnable applicationInit(...){
       ......
       //通过上下文可以得知这里的args.startClass值为“com.android.server.SystemServer”
       return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
 }

 /**
  * Invokes a static "main(argv[]) method on class "className".
  * ......
  */
 protected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
         ClassLoader classLoader) {
     Class<?> cl;
     try {
         cl = Class.forName(className, true, classLoader);
     } catch (ClassNotFoundException ex) {
         throw new RuntimeException(
                 "Missing class when invoking static main " + className,
                 ex);
     }
     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);
     }
     ...... //毫无疑问，这里的m就是SystemServer类的main方法了
     return new MethodAndArgsCaller(m, argv);
 }

 static class MethodAndArgsCaller 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 });
         }
         ......
     }
 }

一步步跟进时，我们会发现该过程中主线都是返回的Runnable类型的对象，回到代码1.1的注释②处的第12行，这里的 r 就是MethodAndArgsCaller对象，第13行r.run()执行，就是调用的上述代码第67行，跟踪上下文可知这里就是执行的SystemServer.main方法。紧接着第14行是return，Zygote就完成了创建和启动SystemServer进程。此时你是否会有疑问：这里就return了，那后面监听AMS请求和启动非SystemServer进程的逻辑又如何实现呢？这里我们需要理解“fork”，后面我们会详细介绍。

这里进一步看看SystemServer进程中都做了些什么：

 //=========SystemServer.java===========
 public static void main(String[] args) {
     new SystemServer().run();
 }
 private void run() {
     ......
     //创建消息Looper
     Looper.prepareMainLooper();
     // 加载动态库libandroid_servers.so，初始化native服务
     System.loadLibrary("android_servers");
     ......
     //初始化系统context
     createSystemContext();
     //创建SystemServiceManager
     mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
     ......
     //启动引导服务，如AMS等
     startBootstrapServices();
     //启动核心服务
     startCoreServices();
     //启动其它服务，如WMS，SystemUI等
     startOtherServices();
     ....
     // Loop forever.
     Looper.loop();
 }

到这里Zygote就创建并启动了SystemServe进程，总结一下这个过程中主要做了些什么工作：

（1）通过fork得到一个虚拟机实例副本；

（2）创建Binder线程池，SystemServer可以通过Binder来实现IPC（跨进程通信）；

（3）启动系统服务，比如AMS，WMS等；

（4）创建消息循环，Looper.loop()中是一个无限循环，SystemServer将持续运行。

3、fork简介

在前文中提到了使用fork的方式来创建进程，也提到了一个疑问：

“此时你是否会有疑问：这里就return了，那后面监听AMS请求和启动非SystemServer进程的逻辑又如何实现呢？”

这里先看看百度百科的介绍：

    “复刻（英语：fork，又译作派生、分支）是UNIX或类UNIX中的分叉函数，fork函数将运行着的程序分成2个（几乎）完全一样的进程，
每个进程都启动一个从代码的同一位置开始执行的线程。这两个进程中的线程继续执行，就像是两个用户同时启动了该应用程序的两个副本。
    fork系统调用用于创建一个新进程，称为子进程，它与进程（称为系统调用fork的进程）同时运行，此进程称为父进程。创建新的子进程后，
两个进程将执行fork（）系统调用之后的下一条指令。子进程使用相同的pc（程序计数器），相同的CPU寄存器，在父进程中使用的相同打开文件。”

所以，在代码1.1中forkSystemServer时，Zygote进程会分化为两个一模一样的进程来，其中一个是父进程，另外一个是子进程，它是主进程的副本。当SystemServer fork成功后其流程就进入到了子进程中，即代码1.1中的第15、16行是在子进程中执行的。而与此同时，父进程还会继续往下执行，不断监听AMS的请求以及启动新的进程。

要更好地理解fork后Zygote进程和子进程的工作，可以参考阅读：https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/11023098.html。

4、Zygote监听AMS的请求

在代码1.1中注释②处，会通过调用runSelectLoop方法来监听AMS的请求，我们看看该方法的实现：

 //代码4.1======ZygoteServer.java======
 Runnable runSelectLoop(String abiList) {
       ......
       ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
       ......
       while (true) {
            ......
            //⑤当监听到AMS请求的数据时会执行这里
            ZygoteConnection connection = peers.get(i);
            final Runnable command = connection.processOneCommand(this);
            ......
            return command;
       }
 }

这其中包含了一个while(true)的无限循环，以此来一直监听AMS的请求，直到注释⑤处监听到了AMS的请求，fork出新的子进程（应用程序进程），随后在子进程中return，结束监听。和fork SystemServer一样，父进程Zygote仍然继续监听着，继续相应AMS新的请求，fork出新的子进程。

5、AMS向Zygote进程发起创建进程的请求

要启动一个程序时，系统首先会判断该程序所在的进程是否存在，如果不存在就需要先创建并启动目标程序对应的进程。这一点在四大组件组件启动流程的源码中都有体现，当发现目标进程还不存在时，AMS都会向Zygote进程申请创建目标进程。这个过程分为两步：（1）AMS向Zygote进程发起创建进程的请求；（2）Zygote收到请求，创建并启动进程。这一节我们先看看第（1）步：

 1 //==============ActivityManagerService.java============
 2 private final boolean startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
 3             String hostingNameStr, boolean disableHiddenApiChecks, String abiOverride) {
 4        ......
 5        final String entryPoint = "android.app.ActivityThread";
 6        return startProcessLocked(hostingType, hostingNameStr, entryPoint...);
 7 }
 8
 9 private boolean startProcessLocked(...String entryPoint...) {
10       ......
11       final ProcessStartResult startResult = startProcess(...entryPoint...);
12 }
13
14 private ProcessStartResult startProcess(...String entryPoint...){
15       ......
16       final ProcessStartResult startResult;
17       ......
18       startResult = Process.start(entryPoint,
19                         app.processName, uid, uid, gids, runtimeFlags, mountExternal,
20                         app.info.targetSdkVersion, seInfo, requiredAbi, instructionSet,
21                         app.info.dataDir, invokeWith,
22                         new String[] {PROC_START_SEQ_IDENT + app.startSeq});
23       ......
24 }
25
26 //================Process.java==============
27 public static final ZygoteProcess zygoteProcess = new ZygoteProcess(ZYGOTE_SOCKET, SECONDARY_ZYGOTE_SOCKET);
28 public static final ProcessStartResult start(final String processClass,...) {
29          return zygoteProcess.start(processClass, ...);
30 }
31
32 //==============ZygoteProcess.java==========
33  public final Process.ProcessStartResult start(final String processClass...) {
34         try {
35             return startViaZygote(processClass...);
36         }......
37    }
38
39 private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass...){40       argsForZygote.add(processClass);
41       ......
42       return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
43 }
44
45 private ZygoteState primaryZygoteState;
46 ......
47 private ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedEx {
48       ......
49       //追踪代码，容易得知mSocket值为"zygote",这里的作用是连接名为“zygote”的Socket
50       primaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSocket);
51       ......
52 }

从上述代码可以看出，该过程的逻辑其实挺简单，通过层层调用后走到第50行。这一行的作用就是和名为“zygote”的Socket服务端建立连接，这样就向Zygote进程发起了请求。这里的ZygoteState类中的

6、Zygote收到AMS的请求，创建并启动进程

在代码4.1中，我们讲过，其中while(true)循环一直监听AMS的请求，直到收到请求。

 //===========ZygoteConnection.java=======
 Runnable processOneCommand(ZygoteServer zygoteServer) {
       ......
       //⑥fork方式创建应用程序进程
       pid = Zygote.forkAndSpecialize(...);
       ......
       //pid为0表示当前的代码逻辑运行在新创建的子进程（即应用程序进程）中
       if (pid == 0) {
                 // in child
                  ......
                  //处理应用程序进程
                  return handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd,
                          parsedArgs.startChildZygote);
              } else {
                  ......
              }
  }

  private Runnable handleChildProc(...){
         ......
         return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs,null /* classLoader */);
  }
  //=====ZygoteInit.java========
  public static final Runnable zygoteInit(...) {
        ......
        //创建Binder线程池，此后新的子进程就能够使用Binder进行IPC了
        ZygoteInit.nativeZygoteInit();
        return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
  }

 //============Zygote.java==========（补充注释⑥处）
 public static int forkAndSpecialize(...) {
     ........
     int pid = nativeForkAndSpecialize(...);
     ......
     return pid;
 }
 native private static int nativeForkAndSpecialize(...);

流程走到第26行就比较清晰了，和代码2.2中启动SystemServer进程一致了，只不过这里启动的是ActivityThread的main方法。

 //=======ActivityThread.java=====
 static volatile Handler sMainThreadHandler;

 public static void main(String[] args) {
       ......
       Looper.prepareMainLooper();
       ......
       ActivityThread thread = new ActivityThread();
       ......
       if (sMainThreadHandler == null) {
             sMainThreadHandler = thread.getHandler();
        }
       ......
        Looper.loop();
 }

 final Handler getHandler() {
         return mH;
     }

 final H mH = new H();

 class H extends Handler {
       ......
 }

ActivityThread类是主线程的管理类，其main方法中会创建消息循环，其中Looper.loop()方法中通过无限循环的方式，保持主线程一直运行。同时还会创建主线程的H类，这是一个包含主线程looper的Handler，四大组件启动过程中都需要通过这个H类对象来从Binder线程中切换到主线程中。

这里总结一下普通应用程序进程创建时的关键工作：

（1）通过fork得到一个虚拟机实例副本；

（2）创建Binder线程池，应用程序进程就可以通过Binder来实现IPC；

（3）创建消息循环，创建主线程的H类。

7、疑问

（1）为什么AMS(SystemServer进程)与Zygote进程通讯采用Socket而不是Binder?

答：因为fork不允许存在多线程，而Binder通信偏偏就是多线程。（不知道该答案是否准确，目前还没找到权威答案）。

可以参考：https://blog.csdn.net/qq_39037047/article/details/88066589

参考及推荐阅读：

https://www.cnblogs.com/andy-songwei/p/11429421.html

https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/11023098.html

https://www.jianshu.com/p/ab9b83a77af6

https://blog.csdn.net/qq_39037047/article/details/88066589

刘望舒《Android进阶解密》