内容简介:计划写一个系列文章,从 Zygote 开始,说到 Activity,再到 View 的显示及事件分发等,意在把 Android 开发中最核心的一些的知识点串成线,看看 Android 是怎么把它们组织到一起的,希望能写好。本文是第一篇,以“Zygote 的启动流程及运行机制”为题, 将打通“虚拟机-Zygote-应用进程-ActivityThread”这一条线。Zygote 的中文意思是受精卵、合子,可以理解为孵化器——Android 中大多数应用进程和系统进程都是通过 Zygote 来生成的。
计划写一个系列文章,从 Zygote 开始,说到 Activity,再到 View 的显示及事件分发等,意在把 Android 开发中最核心的一些的知识点串成线,看看 Android 是怎么把它们组织到一起的,希望能写好。
本文是第一篇,以“Zygote 的启动流程及运行机制”为题, 将打通“虚拟机-Zygote-应用进程-ActivityThread”这一条线。
Zygote 的中文意思是受精卵、合子,可以理解为孵化器——Android 中大多数应用进程和系统进程都是通过 Zygote 来生成的。
PS:源码基于 Android API 27。
Zygote 是怎么启动的?
init
Android 的第一个进程为 init,init 通过解析 init.rc 来陆续启动其它关键的系统服务进程——其中最重要的是 ServiceManager、Zygote 和 SystemServer。下面以 init.zygote64.rc 为例开始分析:
## 服务名、路径、参数 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 audioserver onrestart restart cameraserver onrestart restart media onrestart restart netd writepid /dev/cpuset/foreground/tasks 复制代码
通过指定 --zygote 参数,app_process 可以识别出是否需要启动 zygote。
虚拟机的启动
下面开始分析路径 app_process 中的文件 app_main.cpp :
// app_process/app_main.cpp int main(int argc, char* const argv[]) { // 创建 Android 虚拟机对象 AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv)); ... // Parse runtime arguments. Stop at first unrecognized option. bool zygote = false; bool startSystemServer = false; bool application = false; String8 niceName; String8 className; ++i; // Skip unused "parent dir" argument. while (i < argc) { const char* arg = argv[i++]; if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) { // // init.rc 指定了参数--zygote,因此这里为 true zygote = true; niceName = ZYGOTE_NICE_NAME; } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) { // init.rc 指定了参数--start-system-server,因此这里也为 true startSystemServer = true; } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) { application = true; } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) { ... } else { ... } } Vector<String8> args; if (!className.isEmpty()) { ... } else { if (startSystemServer) { args.add(String8("start-system-server")); // 添加 SystemServer 参数 } ... } ... if (zygote) { // 启动虚拟机及 Zygote,注意包名 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.\n"); app_usage(); LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied."); } } 复制代码
根据以上代码,可以知道 Zygote 运行于 Android 虚拟机上,因为 AppRuntime 继承于 AndroidRuntime:
class AppRuntime : public AndroidRuntime { public: AppRuntime(char* argBlockStart, const size_t argBlockLength) : AndroidRuntime(argBlockStart, argBlockLength) , mClass(NULL) { } ... } 复制代码
AppRuntime 更多是处理一些事件完成后的回调,主要的实现依然在 AndroidRuntime 中。因此下面直接看 AndroidRumtime::start 的实现:
/* * Start the Android runtime. This involves starting the virtual machine * and calling the "static void main(String[] args)" method in the class * named by "className". * * Passes the main function two arguments, the class name and the specified * options string. * * 该方法用于启动 Android 虚拟机,并调用 className 对应的类的 main 方法 */ void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote) { ... /* 启动虚拟机 */ JniInvocation jni_invocation; jni_invocation.Init(NULL); // 初始化虚拟机环境 JNIEnv* env; if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) { // 启动 return; } onVmCreated(env); // 回调,通知虚拟机已成功启动 /* * 注册 Android 的 native 函数 */ if (startReg(env) < 0) { ALOGE("Unable to register all android natives\n"); return; } /* * We want to call main() with a String array with arguments in it. * At present we have two arguments, the class name and an option string. * Create an array to hold them. * * 调用 className 对应的类的 main 方法,并传入相应的参数 */ jclass stringClass; jobjectArray strArray; jstring classNameStr; stringClass = env->FindClass("java/lang/String"); strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL); classNameStr = env->NewStringUTF(className); env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr); // 设置参数 for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) { jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string()); env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr); } /* * Start VM. This thread becomes the main thread of the VM, and will * not return until the VM exits. * * 当前线程会成为虚拟机的主线程,除非虚拟机退出,否则 main 方法会一直阻塞 */ char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : ""); jclass startClass = env->FindClass(slashClassName); // 查找 className 对应的类 if (startClass == NULL) { ... } else { jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V"); // 查找 startClass 对应的 main 方法 if (startMeth == NULL) { // 未找到 main 方法 ... } else { env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray); // 调用 main 方法 } } // 结束虚拟机运行 ALOGD("Shutting down VM\n"); if (mJavaVM->DetachCurrentThread() != JNI_OK) ALOGW("Warning: unable to detach main thread\n"); if (mJavaVM->DestroyJavaVM() != 0) ALOGW("Warning: VM did not shut down cleanly\n"); } 复制代码
上面的代码还是很好懂的,主要作用是:
- 初始化虚拟机环境
- 启动虚拟机
- 注册 Android 的 native 接口,主要包括 Binder、OpenGL、Bitmap、Camera、AudioRecord 等
- 找到 ZygoteInit,传递参数,调用它的 main 方法,main 方法会一直阻塞直到虚拟机退出
- 虚拟机退出时销毁相关资源
虚拟机的相关流程忽略,假设 VM 成功启动,那么 com.android.internal.os.ZygoteInit(这个包名是 app_main.cpp 文件传过来的) 的 main 方法将会被调用,此时可以认为 Zygote 也随之启动了,即 Zygote 是由 Android 的第一个进程 init 解析文件 init.rc 时启动的。其中首先启动的是 Android 虚拟机,接着才是 Zygote,ZygoteInit 的 main 函数会一直阻塞执行,直到虚拟机退出。
Zygote 是如何孵化子进程的?
下面开始分析 ZygoteInit 的 main 方法:
/** * Startup class for the zygote process. */ public class ZygoteInit { public static void main(String argv[]) { ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer(); // 创建 Zygote 的 Server Socket 对象 ... final Runnable caller; try { ... boolean startSystemServer = false; String socketName = "zygote"; String abiList = null; boolean enableLazyPreload = false; for (int i = 1; i < argv.length; i++) { if ("start-system-server".equals(argv[i])) { // init.rc 指定了参数--start-system-server startSystemServer = true; } else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) { ... } else { ... } } // 注册 Socket zygoteServer.registerServerSocket(socketName); if (!enableLazyPreload) { // 预加载所有应用需要的公共资源 preload(bootTimingsTraceLog); } else { Zygote.resetNicePriority(); } ... if (startSystemServer) { // fork 一个 SystemServer 进程 Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer); // {@code r == null} in the parent (zygote) process, and {@code r != null} in the // child (system_server) process. if (r != null) { r.run(); return; } } // The select loop returns early in the child process after a fork and // loops forever in the zygote. // Zygote 进程会在一个死循环上等待连接 caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList); } catch (Throwable ex) { Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex); throw ex; } finally { zygoteServer.closeServerSocket(); // Zygote 退出了死循环,关闭 Socket } // We're in the child process and have exited the select loop. Proceed to execute the command. // 当前是子进程,且退出了循环,则继续执行命令 if (caller != null) { caller.run(); } } } 复制代码
从代码中可以看出,ZygoteInit 主要完成 4 项工作:
- 注册一个 Socket。Zygote 是一个孵化器,一旦有新程序需要运行时,系统会通过这个 Socket 在第一时间通知它孵化一个进程
- 预加载各类资源
- 启动 SystemServer。Zygote 只会初始化一次,因此它需要新建一个专门的进程来承载系统服务的运行
- 进入死循环,不断地处理 Socket 请求
由此可以知道,Zygote 主要是通过 Socket 来处理客户端的请求的。下面将对以上几项工作逐个进行分析。
注册 Socket
class ZygoteServer { private static final String ANDROID_SOCKET_PREFIX = "ANDROID_SOCKET_"; private LocalServerSocket mServerSocket; void registerServerSocket(String socketName) { if (mServerSocket == null) { int fileDesc; final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName; // socketName 为 "zygote" try { String env = System.getenv(fullSocketName); fileDesc = Integer.parseInt(env); } catch (RuntimeException ex) { throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex); } try { FileDescriptor fd = new FileDescriptor(); fd.setInt$(fileDesc); mServerSocket = new LocalServerSocket(fd); // 创建 Server Socket } catch (IOException ex) { throw new RuntimeException( "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex); } } } } 复制代码
LocalServerSocket 的构造方法如下:
/** * Non-standard class for creating an inbound UNIX-domain socket * in the Linux abstract namespace. */ public class LocalServerSocket { private final LocalSocketImpl impl; private final LocalSocketAddress localAddress; public LocalServerSocket(String name) throws IOException { impl = new LocalSocketImpl(); // Socket 实现类 impl.create(LocalSocket.SOCKET_STREAM); // TCP 连接 localAddress = new LocalSocketAddress(name); impl.bind(localAddress); // 绑定 impl.listen(LISTEN_BACKLOG); // 监听 } } 复制代码
可以看到,registerServerSocket 的作用是创建一个名为 "ANDROID_SOCKET_zygote" 的 Socket 对象,并绑定对应的端口,开始监听来自其他进程的请求。根据注释可以看出,这个 Socket 是一个 UNIX-domain Socket,这种 Socket 适用于单个设备内的进程间通信,这是除 Binder 外,Android 执行进程间通信时最常用的一种方式。
preload
下面简单看一下 preload 方法:
public class ZygoteInit { static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) { Log.d(TAG, "begin preload"); beginIcuCachePinning(); preloadClasses(); preloadResources(); nativePreloadAppProcessHALs(); preloadOpenGL(); preloadSharedLibraries(); preloadTextResources(); // Ask the WebViewFactory to do any initialization that must run in the zygote process, // for memory sharing purposes. WebViewFactory.prepareWebViewInZygote(); endIcuCachePinning(); warmUpJcaProviders(); Log.d(TAG, "end preload"); sPreloadComplete = true; } } 复制代码
可以看到,preload 主要的工作是预加载各种类、HAL 层资源、OpenGL 环境、共享库、文字资源、WebView 资源等。
forkSystemServer
现在看 forkSystemServer,它用于启动 SystemServer 进程,SystemServer 是 Android framework 中特别关键的一个类,用于启动各种系统服务:
public class ZygoteInit { /** * Prepare the arguments and forks for the system server process. * * Returns an {@code Runnable} that provides an entrypoint into system_server code in the * child process, and {@code null} in the parent. */ private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName, ZygoteServer zygoteServer) { ... /* Hardcoded command line to start the system server */ String args[] = { "--setuid=1000", "--setgid=1000", "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,1032,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010", "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities, "--nice-name=system_server", "--runtime-args", "com.android.server.SystemServer", // 注意这个参数 }; ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null; int pid; try { // 编译参数到 ZygoteConnection 中 parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args); ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs); ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs); /* Request to fork the system server process */ // 请求 fork 一个 SystemServer 进程 pid = Zygote.forkSystemServer( parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, null, parsedArgs.permittedCapabilities, parsedArgs.effectiveCapabilities); } catch (IllegalArgumentException ex) { throw new RuntimeException(ex); } /* For child process */ // 子进程,即 SystemServer 的进程 if (pid == 0) { if (hasSecondZygote(abiList)) { waitForSecondaryZygote(socketName); } zygoteServer.closeServerSocket(); return handleSystemServerProcess(parsedArgs); // 启动 SystemServer } return null; } } 复制代码
可以看到,forkSystemServer 先是通过 Zygote fork 了一个进程,接着调用 handleSystemServerProcess 来启动 SystemServer。Zygote 的实现如下:
public final class Zygote { /** * Special method to start the system server process. */ public static int forkSystemServer(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int[][] rlimits, long permittedCapabilities, long effectiveCapabilities) { ... int pid = nativeForkSystemServer( uid, gid, gids, debugFlags, rlimits, permittedCapabilities, effectiveCapabilities); ... return pid; } } 复制代码
fork 进程的操作是通过本地代码实现的:
// com_android_internal_os_Zygote.cpp static const char kZygoteClassName[] = "com/android/internal/os/Zygote"; static jclass gZygoteClass; static jmethodID gCallPostForkChildHooks; static jint com_android_internal_os_Zygote_nativeForkAndSpecialize(...) { ... return ForkAndSpecializeCommon(env, uid, gid, gids, debug_flags, rlimits, capabilities, capabilities, mount_external, se_info, se_name, false, fdsToClose, fdsToIgnore, instructionSet, appDataDir); } // Utility routine to fork zygote and specialize the child process. static pid_t ForkAndSpecializeCommon(...) { ... pid_t pid = fork(); // 这里才真正 fork 了一个新的进程 if (pid == 0) { ... // 回调 Zygote 的 callPostForkChildHooks,通知虚拟机子进程已创建完毕 env->CallStaticVoidMethod(gZygoteClass, gCallPostForkChildHooks, debug_flags, is_system_server, instructionSet); } else if (pid > 0) { // 父进程,什么都不做 } return pid; } 复制代码
可以看到,本地代码调用的是 Linux 的 fork 函数,此时一个新的进程就已经创建完毕了,下面看 handleSystemServerProcess:
public class ZygoteInit { /** * Finish remaining work for the newly forked system server process. * 注意参数 parsedArgs 是 forkSystemServer 传过来的,包含了 SystemServer 的包名 */ private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) { ... if (parsedArgs.invokeWith != null) { // 比较 forkSystemServer 中的参数,可知这里为 null ... } else { ClassLoader cl = null; if (systemServerClasspath != null) { // 找到 SystemServer 对应的 ClassLoader cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion); Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl); } /* * Pass the remaining arguments to SystemServer. */ return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl); } } public static final Runnable zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader) { ... ZygoteInit.nativeZygoteInit(); return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader); } private static final native void nativeZygoteInit(); } 复制代码
handleSystemServerProcess 主要做了 3 件事:
- 找到 SystemServer 对应的 ClassLoader
- 调用 nativeZygoteInit
- 调用 RuntimeInit.applicationInit
下面看 nativeZygoteInit:
// framework/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp static void com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz) { gCurRuntime->onZygoteInit(); } 复制代码
onZygoteInit 等方法回调是 AndroidRuntime 子类 AppRuntime 实现的:
class AppRuntime : public AndroidRuntime { public: ... virtual void onZygoteInit() { sp<ProcessState> proc = ProcessState::self(); proc->startThreadPool(); } } 复制代码
startThreadPool 将开启 Binder 线程池以保证其它进程可以正确访问到 Zygote 所提供的服务,startThreadPool 的源码实现跳过,继续看 RuntimeInit.applicationInit:
public class RuntimeInit { protected static Runnable applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader) { ... // Remaining arguments are passed to the start class's static main return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader); } private static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader) { Class<?> cl; try { cl = Class.forName(className, true, classLoader); // 加载 SystemServer 类 } catch (ClassNotFoundException ex) { ... } Method m; try { m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class }); // 找到 SystemServer 类的 main 方法 } catch (NoSuchMethodException ex) { ... } 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 }); // 调用 SystemServer 的 main 方法 } catch (IllegalAccessException ex) { ... } } } } 复制代码
可以看到,applicationInit 的作用就是返回一个能够调用 SystemServer 的 main 方法的 Runnable,这个 Runnable 将会在 ZygoteInit 的 main 方法中被调用。也就是说,applicationInit 返回的 Runnable 对象会被马上执行,此时 SystemServer 的 main 方法会被调用,并启动众多系统服务。
这里对 forkSystemServer 的作用做一个小结:
- fork 一个新的进程
- 找到 SystemServer 对应的类加载器
- 调用 SystemServer 的 main 方法,启动 SystemServer
runSelectLoop
forkSystemServer 分析完毕,接下来看 runSelectLoop:
class ZygoteServer { private LocalServerSocket mServerSocket; /** * Runs the zygote process's select loop. Accepts new connections as * they happen, and reads commands from connections one spawn-request's * worth at a time. */ Runnable runSelectLoop(String abiList) { ... while (true) { ... for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) { if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) { continue; } if (i == 0) { ... } else { try { ZygoteConnection connection = peers.get(i); final Runnable command = connection.processOneCommand(this); if (mIsForkChild) { // 如果当前是子进程 // We're in the child. We should always have a command to run at this // stage if processOneCommand hasn't called "exec". // 在执行 exec 命令之前,子进程的 command 不应该为 null if (command == null) { throw new IllegalStateException("command == null"); } return command; } else { // 父进程 // We're in the server - we should never have any commands to run. // 在 server 进程中,不应该有任何需要运行的命令 if (command != null) { throw new IllegalStateException("command != null"); } // We don't know whether the remote side of the socket was closed or // not until we attempt to read from it from processOneCommand. This shows up as // a regular POLLIN event in our regular processing loop. // 如果连接关闭了,则移除资源 if (connection.isClosedByPeer()) { connection.closeSocket(); peers.remove(i); fds.remove(i); } } } catch (Exception e) { ... } } } } } } 复制代码
可以看到,runSelectLoop 就是一个死循环,它会不断地获取 ZygoteConnection,并执行对应的命令,直到出现异常,或连接关闭。下面看它是如何执行命令的:
class ZygoteConnection { Runnable processOneCommand(ZygoteServer zygoteServer) { ... // fork 一个进程,这个方法和前面介绍过的 forkSystemServer 基本是一致的 pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo, parsedArgs.niceName, fdsToClose, fdsToIgnore, parsedArgs.instructionSet, parsedArgs.appDataDir); try { if (pid == 0) { // in child 标记为子进程 zygoteServer.setForkChild(); zygoteServer.closeServerSocket(); serverPipeFd = null; // 新创建的进程需要运行应用程序本身的代码 return handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd); } else { ... // 父进程的扫尾工作,包括:将子进程加入进程组、正确关闭文件、调用方返回结果值等 handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd); return null; } } finally { ... } } } 复制代码
简单看一下 handleChildProc:
class ZygoteConnection { /** * Handles post-fork setup of child proc, closing sockets as appropriate, * reopen stdio as appropriate, and ultimately throwing MethodAndArgsCaller * if successful or returning if failed. */ private Runnable handleChildProc(Arguments parsedArgs, FileDescriptor[] descriptors, FileDescriptor pipeFd) { closeSocket(); ... if (parsedArgs.niceName != null) { Process.setArgV0(parsedArgs.niceName); } if (parsedArgs.invokeWith != null) { ... // 拼接 init.rc 命令,启动对应的服务 } else { // 前面分析过 return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, null /* classLoader */); } } } 复制代码
可以看到,和 handleSystemServerProc 类似,handleChildProc 最终会调用 ZygoteInit.zygoteInit,以开启一个 Binder 线程池,并执行对应的类的 main 方法。
小结一下,runSelectLoop 的作用为:不断处理来自 Socket 的请求。对于每个请求,Zygote 会 fork 一个进程,并开启 Binder 线程池,以便子进程能够和系统进程进行交互,最后调用指定的类的 main 方法——实际上,一个新的 Application 启动时,被调用的是 ActivityThread 的 main 方法。
如此,从 Android 虚拟机的启动,到 Zygote 的启动,再到应用进程的启动、ActivityThread 的执行,这一条线就基本连起来了。
总结
连线中的一些关键的点:
- Android 虚拟机和 Zygote 是 init 进程通过解析 init.rc 文件启动的,init.rc 文件指定了参数 Zygote 及 SystemServer
- Android 虚拟机成功启动后,会调用 ZygoteInit 的 main 方法,main 方法会阻塞执行直到虚拟机退出
- ZygoteInit 的 main 方法首先会注册一个 UNIX-domain Socket,用于监听来自客户端的请求
- 接着预加载各类资源,包括 HAL 层资源、OpenGL 环境以及各种类等
- 然后 fork 一个进程用于运行 SystemServer,并调用 SystemServer 的 main 方法,启动各类服务
- 最后进入一个死循环,不断地处理 Socket 请求
- 当有新的请求到来时,Zygote 会 fork 一个进程,并开启 Binder 线程池,以便子进程能够和系统进程进行交互,最后调用 ActivityThread 的 main 方法
流程图:
以上所述就是小编给大家介绍的《从Zygote说到View(一)Zygote的启动流程及运行机制》,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对 码农网 的支持!
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