当我们按下电源键,Android 究竟做了些什么?

现在,按下电源键

下面是Android启动的核心步骤流程图,看文字的时候,记得回来对照图来理解喔,希望阅读全文后,回观流程图,会有恍然大悟的感觉,那么文章的目的就达到啦 : 

一、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。

二、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。

1、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)。

2、引导程序的加载器

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,会调用 main.c 中的 _main()函数 (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);
  2. main.c 初始化硬件,创建 linux 标签。

三、内核启动

Android 内核启动方式类似桌面 linux,主要步骤:

1. 设置缓存 2. 被保护存储器 3. 计划列表 4. 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

四、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。

备注: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”; 源码角度来看,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。
  • 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 备注: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。
  • service <name><pathname> [<argument>]* <option> <option>
  • Options: 对 service 的约束选项

五 & 六、 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:

1、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。

2、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Logo就出来了。 注意:这里并不包括开机动画,而是开机前 “Android” Logo 出现的那个画面,开机动画出现之前还需要进行各种加载,开机动画是在“Android” Logo 出现之后才播放的。

3、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。

资源推荐

  • Gityuan - Android 开篇
  • 老罗的Android之旅
  • 《深入理解 Android 内核设计思想》 由浅入深,落实到源码层面上进行探索,知识很有深度

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原文发表时间:2019-07-23

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