Android系统启动流程

前言

今天说《Android体系架构》第一篇内容，关于Android系统启动的过程。

图解

之前我们说过Android系统的架构图(图片来自参考链接)，这里再贴一下：

而我们的Android系统启动的过程就是架构图中从下往上运行加载的过程，这里有一张关于Android系统启动过程的总结图(图片来自参考链接gityuan.com)，大家可以先看看：

系统启动过程

接下来就根据上述两张图具体说明下Android系统启动过程

Loader层

当按下电源按钮后，引导芯片会从固化在ROM中的预设代码开始执行，然后加载一个引导程序也就是BootLoader到RAM中。

ROM，Read-Only Memor，只读存储器，信息写入后就固定下来，即时切断电源，信息也不会丢失，一般是装机过程前写入的，只能读出，不能改写。

RAM，random access memory，随机存储内容，这种存储器会在断电后丢失内容，所以用于存储短时间内的程序。

所以第一步开启电源后，做的操作就是运行预设代码，加载引导程序到RAM进行短时间存储。

引导程序Bootloader被加载后，就开始拉起系统OS，并运行。这个过程会检查RAM，初始化一些硬件参数等功能。

Kernel层

这一层主要就是启动了linux内核。

我们都知道Android的核心系统服务都是基于Linux内核的，但是这个Linux内核到底该怎么理解呢？

Linux内核并不指的是Linux操作系统，内核只包括最基本的内存模型，进程调度，权限安全等等。操作系统值得是一个更广的概念，不光有内核，还有自己的设备驱动，应用程序框架以及一些应用程序软件等等。所以Android、Ubuntu等都是基于Linux内核的不同的操作系统。

所以启动了linux内核，就是启动了内核中内存模型，进程调度，安全机制，加载驱动等等，而linux内核中的功能都需要上册的虚拟机进行调用执行。

再看看上述启动过程图，可以看到内核中主要启动了两个进程：

• swapper进程(pid=0)，该进程又称为idle进程, 系统初始化过程Kernel由无到有开创的第一个进程, 用于初始化进程管理、内存管理。并且会加载屏幕硬件，相机硬件等，这一步就会涉及到待会说到的HAL层了。
• kthreadd进程（pid=2），内核进程，会创建内核中的一些线程，以及内核守护进程。这个进程是内核进程的鼻祖。

HAL层

硬件抽象层，属于内核和机器硬件电路之间的接口层。刚才说过内核进程的功能需要虚拟机去调用，那么在这之前为什么会有个硬件抽象层呢？

为了保护硬件厂商的知识产权。怎么说呢？

首先，Linux内核的版权是GPL（使用者可以自由的执行、复制、再发行、学习、修改与强化自由软件，而且修改后的程序也具有GPL授权）。如果硬件厂商直接把硬件驱动程序写到内核中，那就无法受保护了，其他的厂商就也可以随意使用这个硬件驱动程序原始码了。所以为了保护硬件厂商的知识产权，在内核层上又加了一层硬件抽象层，隐藏了具体的硬件接口细节，只提供接口，可以在多个硬件平台直接移植。

相当于在内核开了一个窗口，让上层的硬件抽象层可以去访问内核的东西，主要就是控制硬件的部分代码。然后这个窗口代码依据GPL版权协议被公开，硬件厂商可以直接把硬件驱动程序放到了上层，而无需公开程序代码。

这一层主要提供了一些标准的接口，用于响应硬件设备的一些模块，比如WIFI模块，蓝牙模块，都提供了相应的接口。当框架的API请求到相关的硬件设备，系统就会为硬件加载相应的模块。

在系统启动过程中，主要就是根据内核的API去给硬件加载模块，比如启动的时候，屏幕硬件模块肯定要加载，所以内核就会调用相应的API，唤醒硬件中的屏幕模块。

Native层

这一层主要分为两部分：

• C/C++程序库，主要包括OpenGL ES、Media Framework、SQLite等等。
• Android运行时库，其中包括核心库和虚拟机。核心库就是提供Java语言的一些核心库功能。虚拟机开始是Dalvik，后面5.0被替换为ART。

上面说过，首先会加载内核，内核中会创建swapper进程，之后会启动init进程，init进程也就诞生在Native这一层了。

入口在system/core/init/init.cpp文件中，具体代码就不细说了，init进程中主要做了这些事：

• 孵化出用户守护进程。守护进程就是运行在后台的特殊进程，它不存在控制终端，会周期性处理一些任务。比如logd进程，就是用来进行日志的读写操作。
• 启动了一些重要服务。比如开机动画。
• 孵化了Zygote进程。终于到了我们熟悉的地方了，Zygote进程大家都或多或少了解一些了，我们所有的应用程序都是由它孵化出来的。
• 孵化了Media Server进程，用来启动和管理整个C++ framework，比如相机服务（camera Service）。

Java Framework层

Framework层大家应该都了解了，全称是Java Framework，应用框架层。主要就是提供应用程序所需要的API，我们平时开发程序都是调用的这一层的API。当然也有专门开发Framework的Android程序员，比如一些手机厂商就需要。

Zygote进程主要干了啥呢？

• 创建服务端Socket，为后续创建进程通信做准备。
• 加载虚拟机。没错，在Zygote进程中，会去加载下层的虚拟机。
• fork了System Server进程。SystemServer进程大家应该都熟悉了吧，是Zygote fork的第一个进程，负责启动和管理Java Framework层，包括ActivityManagerService，PackageManagerService，WindowManagerService、binder线程池等等。这就涉及到APP的启动流程了，后续几篇会细说下。
• fork了第一个应用进程——Launcher，以及后续的一些系统应用进程，这就到了最上面一层——应用层了。

APP层

应用层，大家都太熟了，我们做出的应用和系统应用都是在这一层，和用户之间交互。

这一层所有的应用都是通过Zygote进程孵化出来的。

总结

最后画个流程图：

体系知识延伸

从今天开始，每篇体系化文章都有个《体系知识延伸》的模块，主要是从Android整个架构来看，这个章节能联系到一些什么额外的知识点。等后面知识点越来越全了之后，这个模块就可以丢一些相关链接了。

一起看看今天的系统启动过程涉及到了哪些其他知识：

APP启动流程

在系统启动过程中，会去启动Launcher应用，这就涉及到了app的启动流程。包括一些服务——AMS，WMS等等，都会在APP启动流程中发挥了重要的作用，后续会依次说到。

IPC（进程间通信）

在这个过程中，init进程孵化了Zygote进程，Zygote进程孵化了SystemServer进程、Launcher进程，所以这个过程会有大量的IPC。

• Zygote进程孵化新进程的通信方式用的是Socket。
• SystemServer进程与app进程直接通信一般是Binder。
• 杀进程一般用的是signal。

binder

关于进程间通信，Binder就必须拎出来说下了。在Android中主要有以下应用：

• 系统服务的获取，四大组件的调度工作。
• AIDL实现
• bindService。

DVM（虚拟机）

这部分的知识之前说过了，我后面会重新整理并发出来。

• 每个应用都允许在一个DVM实例中，每一个DVM实例都运行在一个独立的进程空间中
• DVM拥有共享机制，也就是不同应用之间运行时可以共享相同的类，这样效率就提高了
• 5.0之前使用的是Dalvik虚拟机，每次运行应用的时候都需要编译为机器码。
• 5.0之后使用的时候ART虚拟机，每次安装的时候都会进行预编译。
• 7.0之后，加入即使编译器JIT，安装和运行各编译一部分。

SQLite

在C/C++程序库中，有SQLite引擎，可以通过c来调用SQLite的函数接口完成对数据库的操作管理。

SQLite是没有独立进程的，它是独立的、无进程的数据库（用起来它也像一个语言库），它对数据的读写操作是直达磁盘的，而且是免费的，可供商用。

这也就是为什么Android选择它作为数据库引擎了。

NDK与JNI

NDK（Native Development Kit）是一个开发工具包，提供了很多平台库，可以让开发者使用C和C++开发功能，管理Android设备或者Activity等等。

虽然Android是运行在虚拟机上的，但是NDK开发的程序是可以直接运行在本机内核上的，也就是不需要虚拟机这一层。

一般使用NDK开发动态库，并生成so文件打包在APK中。使用NDK开发主要有以下几点好处：

• 比较安全，反编译难度大。
• 使用c语言，提高执行效率。
• 方便移植，可以在其他嵌入式平台重复使用。

同时，为了使NDK开发出来的动态库和Java本身进行交互，就要用到JNI机制了。

JNI，属于Java虚拟机一部分，是一种Java的本地接口化技术，是提供了Java可以调用c/c++的一种机制。

Android体系架构

思维导图链接

参考

http://gityuan.com/android/ https://www.jianshu.com/p/0261e6cceb3e https://www.cnblogs.com/tfanalysis/p/4073756.html https://zhuanlan.zhihu.com/p/66605252 https://blog.csdn.net/itachi85/article/details/54695046 http://m.elecfans.com/article/657339.html https://www.jianshu.com/p/45cf56172d22 https://blog.csdn.net/itachi85/article/details/54783506