探索 Android 系统启动 - 当我们按下电源键，Android 究竟做了些什么？

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前言

Android 系统启动流程的一次整体梳理。

按下电源键

Step 1 启动电源及系统启动

系统从 ROM 中开始启动，加载引导程序到 RAM ，然后执行

Step 2 引导程序

引导程序是 Android 操作系统开始运行前的一个小程序，因此它需要针对特定主板与芯片，并不是 Android 操作系统的一部分。引导程序是 OEM 厂商或运行商进行加锁、限制的地方。

两个阶段：

  1. 检测外部 RAM 以及为第二阶段加载程序
  2. 设置网络、内存等，搭建内核运行环境（为了达到特殊目的时，引导程序可以根据配置参数或者输入数据来设置内核

Android引导程序可以在\bootable\bootloader\legacy\usbloader找到，传统的加载器包含的两个文件：

  1. init.s 初始化堆栈，清零BSS段（bss segment：通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域；BSS - Block Started by Symbol。BSS段属于静态内存分配），会调用 main.c 中的 _main()函数
  2. main.c 初始化硬件，创建 linux 标签

Step 3 内核

Android 内核启动方式类似桌面 linux，主要步骤：设置缓存、被保护存储器、计划列表、加载驱动。

当内核完成系统设置，接下来即将启动系统的第一个进程 – init 进程

Step 4 init 进程

作为 Android 系统的第一个进程，其PID为0，通过解析 init.rc 脚本来构建出系统初始运行形态，这一阶段中，“Android” logo 会显示出来（系统中，大多数系统服务程序都是在该脚本中描述并被相继启动的）

init.rc 由4种类型声明组成：Actions、Commands、Services、Options

  • Actions：响应某事件的过程。当“trigger”所描述的触发事件产生时，则依次执行各种“command”
    源码角度：系统会对 init.rc 中各“trigger”进行匹配，当发现符合条件的 Action，就将它加入“命令执行队列”尾部（除非 Action 已存在队列中），然后系统再对这些命令按顺序进行。

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    on <trigger> ##触发条件
       <command1> ##执行命令
       <command2> ##可执行多个命令
       ...

  • Commands：命令将在所属事件发生时被一个个执行

  • Services：可执行程序，它们在特定选项的约束下会被 init 程序运行或者重启（Service 可以在配置中指定是否需要退出重启，那么，当 Service 出现异常 crash 时，可有机会复原）

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    service <name><pathname> [<argument>]* 
       <option>
       <option>

  • Options:对 service 的约束选项

Step 5、6 ServiceManager、Zygote、SystemServer

科普：Daemons - 守护进程

init进程通过解析 init.rc 来陆续启动其他关键的系统服务进程，其中最重要的是ServiceManager、Zygote 和 SystemServer 三者，下面我们逐一解析：

ServiceManager – Binder 机制支撑者

概述：ServiceManager 是 Binder 机制中的支撑者，负责某 Binder 服务注册信息到底层 Binder 驱动分配的值解析。

ServiceManager 由 init 进程解析 rc 脚本时启动，属于 core 类，其他同类进程包括：uenetd、console、adbd等。根据 core 组的特性，这些进程会同时启动或停止。另外，ServiceManager 配置含有 critical 属性，这意味着它是系统关键进程（如果进程不幸在4分钟内异常退出超过4次，设备将重启并进入还原模式）。当 ServiceManager 每次重启时，其他关键进程：zygote、media、surfaceflinger 等也会被 restart。

Zygote – “孕育”新线程与进程

Android 中大多数应用进程与系统进程都是通过 Zygote 来生成的。Zygote 同样由 init 解析 rc 脚本时启动，属于 main 类，同属 main 类的系统进程有：netd、debuggerd、rild等。Zygote并不是处于独立的程序中的，它所在程序名为“app_process”，观察 app_process 主函数实现知道，如果 init.rc 中指定了 –zygote选项，app_process 接下来将启动“ZygoteInit”，并传入“start-system-server”,这样，ZygoteInit 就会运行在虚拟机上（Dalvik VM）上了。

ZygoteInit 函数有两项重要工作：

  1. 预装载各种系统类
  2. 搭建 SystemServer 环境，并启动 SystemServer（大部分的 Android 系统服务都在其中，由 Java 编写）

ZygoteInit 流程总结（摘自：Gityuan – Android 系统启动-Zygote 篇）

  1. 解析init.zygote.rc中的参数，创建AppRuntime并调用AppRuntime.start()方法；
  2. 调用AndroidRuntime的startVM()方法创建虚拟机，再调用startReg()注册JNI函数；
  3. 通过JNI方式调用ZygoteInit.main()，第一次进入Java世界；
  4. registerZygoteSocket()建立socket通道，zygote作为通信的服务端，用于响应客户端请求；
  5. 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ap启动效率；
  6. 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。
  7. 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。

ZygoteInit 结束后，开机动画就出来了（注意：前面说道的并不是开机动画，而是开机前 “Android” Logo 出现的那个画面）

SystemServer – 大部分 Android 系统服务所在地

SystemServer 是 Android 进入 Launcher 前的最后准备，它提供了众多的由“Java”语言编写的系统服务。

如果 init.rc 中为 zygote 指定启动参数 –start-system-server，那么 ZygotyeInit 就会调用 startSystemServer 来进入 SystemServer。

startSystemServer函数解析：

  1. 首先 ZygoteInit 通过 Zygote.forkSystemServer 来生成一个新的线程（fork），用于承载各种系统服务。（源码角度：Zygote 内部由 Native 函数 Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer 来进一步实现，最终调用底层接口的 fork 接口来实际产生进程）
  2. 根据fork特性，子进程与父进程将获得相同的代码环境。pid为0为子进程，否则为父进程；如果是前者，则进一步调用 handleSystemServerProcess(parseArgs) 函数来完成最核心的工作 – “启动各系统服务”（源码角度：handleSystemServerProcess 方法将 startSystemServer 中的 parsedArgs.remainingArgs 参数传给 RuntimeInit.zygoteInit，后者又调用 nativeZygoteInit 函数）
  3. nativeZygoteInit 调用后，接着，三个重要的 static 函数就要被执行了：init1 - 完成本地Service(SurfaceFlinger、AudioFlinger等)启动，完成后调用 init2、init2 - 新建一个新的带 Looper 的线程 ServerThread来启动 Java层各 Service

后续的启动

上面对 Android 系统启动做了一个简述，意在给大家展现一个整体流程，其中每个环节涉及的知识点只是浅浅掠过，笔者也尚在学习与探索中，希望在后续再作详细分析。

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