Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析

文章转载至CSDN社区罗升阳的安卓之旅，原文地址：http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/6768304

在Android系统中，所有的应用程序进程以及系统服务进程SystemServer都是由Zygote进程孕育 （fork）出来的，这也许就是为什么要把它称为Zygote（受精卵）的原因吧。由于Zygote进程在Android系统中有着如此重要的地位，本文 将详细分析它的启动过程。

在前面一篇文章Android应用程序进程启动过程的源代码分析中，我们看到了，当ActivityManagerService启动一个应用程序的时候，就会通过Socket与Zygote进程进行通信，请求它fork一个子进程出来作为这个即将要启动的应用程序的进程；在前面两篇文章Android应用程序安装过程源代码分析和Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中， 我们又看到了，系统中的两个重要服务PackageManagerService和ActivityManagerService，都是由 SystemServer进程来负责启动的，而SystemServer进程本身是Zygote进程在启动的过程中fork出来的。

我们知道，Android系统是基于Linux内核的，而在Linux系统中，所有的进程都是init进程的子孙进程，也就是说，所有的进程都是直接或 者间接地由init进程fork出来的。Zygote进程也不例外，它是在系统启动的过程，由init进程创建的。在系统启动脚本system/core /rootdir/init.rc文件中，我们可以看到启动Zygote进程的脚本命令：

1. service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
2. socket zygote stream 666
3. onrestart write /sys/android_power/request_state wake
4. onrestart write /sys/power/state on
5. onrestart restart media
6. onrestart restart netd

前面的关键字service告诉init进程创建一个名为"zygote"的进程，这个zygote进程要执行的程序是/system/bin/app_process，后面是要传给app_process的参数。

接下来的socket关键字表示这个zygote进程需要一个名称为"zygote"的socket资源，这样，系统启动后，我们就可以在/dev /socket目录下看到有一个名为zygote的文件。这里定义的socket的类型为unix domain socket，它是用来作本地进程间通信用的，具体可以参考前面一篇文章Android学习启动篇提到的一书《Linux内核源代码情景分析》的第七章--基于socket的进程间通信。前面我们说到的ActivityManagerService就是通这个socket来和zygote进程通信请求fork一个应用程序进程的了。

最后的一系列onrestart关键字表示这个zygote进程重启时需要执行的命令。

关于init.rc文件的更多信息，请参考system/core/init/readme.txt文件。

了解了这个信息之后，我们就知道Zygote进程要执行的程序便是system/bin/app_process了，它的源代码位于 frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中，入口函数是main。在继续分析Zygote进程 启动的过程之前，我们先来看看它的启动序列图：

下面我们就详细分析每一个步骤。

Step 1. app_process.main

这个函数定义在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中：

1. int main(int argc, const char* const argv[])
2. {
3. // These are global variables in ProcessState.cpp
4. mArgC = argc;
5. mArgV = argv;
6. mArgLen = 0;
7. for (int i=0; i<argc; i++) {
8. mArgLen += strlen(argv[i]) + 1;
9. }
10. mArgLen--;
11. AppRuntime runtime;
12. const char *arg;
13. argv0 = argv[0];
14. // Process command line arguments
15. // ignore argv[0]
16. argc--;
17. argv++;
18. // Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vm
19. int i = runtime.addVmArguments(argc, argv);
20. // Next arg is parent directory
21. if (i < argc) {
22. runtime.mParentDir = argv[i++];
23. }
24. // Next arg is startup classname or "--zygote"
25. if (i < argc) {
26. arg = argv[i++];
27. if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
28. bool startSystemServer = (i < argc) ?
29. strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
30. setArgv0(argv0, "zygote");
31. set_process_name("zygote");
32. runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
33. startSystemServer);
34. } else {
35. set_process_name(argv0);
36. runtime.mClassName = arg;
37. // Remainder of args get passed to startup class main()
38. runtime.mArgC = argc-i;
39. runtime.mArgV = argv+i;
40. LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",
41. getpid(), runtime.getClassName());
42. runtime.start();
43. }
44. } else {
45. LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
46. fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
47. app_usage();
48. return 10;
49. }
50. }

这个函数的主要作用就是创建一个AppRuntime变量，然后调用它的start成员函数。AppRuntime这个类我们在Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文中已经有过介绍了，它同样是在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中定义：

1. class AppRuntime : public AndroidRuntime
2. {
3. ......
4. };

它约继承于AndroidRuntime类， AndroidRuntime类定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：

1. ......
2. static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;
3. ......
4. AndroidRuntime::AndroidRuntime()
5. {
6. ......
7. assert(gCurRuntime == NULL);        // one per process
8. gCurRuntime = this;
9. }

当AppRuntime对象创建时，会调用其父类AndroidRuntime的构造函数，而在AndroidRuntime类的构造函数里面，会将
this指针保存在静态全局变量gCurRuntime中，这样，当其它地方需要使用这个AppRuntime对象时，就可以通过同一个文件中的这个函数
来获取这个对象的指针：

1. AndroidRuntime* AndroidRuntime::getRuntime()
2. {
3. return gCurRuntime;
4. }

回到上面的main函数中，由于我们在init.rc文件中，设置了app_process启动参数--zygote和--start-system-server，因此，在main函数里面，最终会执行下面语句：

1. runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
2. rtSystemServer);

这里的参数startSystemServer为true，表示要启动SystemServer组件。由于AppRuntime没有实现自己的
start函数，它继承了父类AndroidRuntime的start函数，因此，下面会执行AndroidRuntime类的start函数。

Step 2. AndroidRuntime.start

这个函数定义在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：

1. /*
2. * Start the Android runtime.  This involves starting the virtual machine
3. * and calling the "static void main(String[] args)" method in the class
4. * named by "className".
5. */
6. void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)
7. {
8. ......
9. char* slashClassName = NULL;
10. char* cp;
11. JNIEnv* env;
12. ......
13. /* start the virtual machine */
14. if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
15. goto bail;
16. /*
17. * Register android functions.
18. */
19. if (startReg(env) < 0) {
20. LOGE("Unable to register all android natives\n");
21. goto bail;
22. }
23. /*
24. * We want to call main() with a String array with arguments in it.
25. * At present we only have one argument, the class name.  Create an
26. * array to hold it.
27. */
28. jclass stringClass;
29. jobjectArray strArray;
30. jstring classNameStr;
31. jstring startSystemServerStr;
32. stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
33. assert(stringClass != NULL);
34. strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);
35. assert(strArray != NULL);
36. classNameStr = env->NewStringUTF(className);
37. assert(classNameStr != NULL);
38. env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
39. startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?
40. "true" : "false");
41. env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);
42. /*
43. * Start VM.  This thread becomes the main thread of the VM, and will
44. * not return until the VM exits.
45. */
46. jclass startClass;
47. jmethodID startMeth;
48. slashClassName = strdup(className);
49. for (cp = slashClassName; *cp != '\0'; cp++)
50. if (*cp == '.')
51. *cp = '/';
52. startClass = env->FindClass(slashClassName);
53. if (startClass == NULL) {
54. ......
55. } else {
56. startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
57. "([Ljava/lang/String;)V");
58. if (startMeth == NULL) {
59. ......
60. } else {
61. env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
62. ......
63. }
64. }
65. ......
66. }

这个函数的作用是启动Android系统运行时库，它主要做了三件事情，一是调用函数startVM启动虚拟机，二是调用函数startReg注册
JNI方法，三是调用了com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数。

Step 3. ZygoteInit.main

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

1. public class ZygoteInit {
2. ......
3. public static void main(String argv[]) {
4. try {
5. ......
6. registerZygoteSocket();
7. ......
8. ......
9. if (argv[1].equals("true")) {
10. startSystemServer();
11. } else if (!argv[1].equals("false")) {
12. ......
13. }
14. ......
15. if (ZYGOTE_FORK_MODE) {
16. ......
17. } else {
18. runSelectLoopMode();
19. }
20. ......
21. } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
22. ......
23. } catch (RuntimeException ex) {
24. ......
25. }
26. }
27. ......
28. }

它主要作了三件事情，一个调用registerZygoteSocket函数创建了一个socket接口，用来和
ActivityManagerService通讯，二是调用startSystemServer函数来启动SystemServer组件，三是调用
runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的
应用程序进程。

Step 4. ZygoteInit.registerZygoteSocket

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

1. public class ZygoteInit {
2. ......
3. /**
4. * Registers a server socket for zygote command connections
5. *
6. * @throws RuntimeException when open fails
7. */
8. private static void registerZygoteSocket() {
9. if (sServerSocket == null) {
10. int fileDesc;
11. try {
12. String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);
13. fileDesc = Integer.parseInt(env);
14. } catch (RuntimeException ex) {
15. ......
16. }
17. try {
18. sServerSocket = new LocalServerSocket(
19. createFileDescriptor(fileDesc));
20. } catch (IOException ex) {
21. .......
22. }
23. }
24. }
25. ......
26. }

这个socket接口是通过文件描述符来创建的，这个文件描符代表的就是我们前面说的/dev/socket/zygote文件了。这个文件描述符是通过环境变量ANDROID_SOCKET_ENV得到的，它定义为：

1. public class ZygoteInit {
2. ......
3. private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote";
4. ......
5. }

那么，这个环境变量的值又是由谁来设置的呢？我们知道，系统启动脚本文件system/core/rootdir/init.rc是由init进程来解
释执行的，而init进程的源代码位于system/core/init目录中，在init.c文件中，是由service_start函数来解释
init.rc文件中的service命令的：

1. void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
2. {
3. ......
4. pid_t pid;
5. ......
6. pid = fork();
7. if (pid == 0) {
8. struct socketinfo *si;
9. ......
10. for (si = svc->sockets; si; si = si->next) {
11. int socket_type = (
12. !strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM :
13. (!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET));
14. int s = create_socket(si->name, socket_type,
15. si->perm, si->uid, si->gid);
16. if (s >= 0) {
17. publish_socket(si->name, s);
18. }
19. }
20. ......
21. }
22. ......
23. }

每一个service命令都会促使init进程调用fork函数来创建一个新的进程，在新的进程里面，会分析里面的socket选项，对于每一个
socket选项，都会通过create_socket函数来在/dev/socket目录下创建一个文件，在这个场景中，这个文件便是zygote了，
然后得到的文件描述符通过publish_socket函数写入到环境变量中去：

1. static void publish_socket(const char *name, int fd)
2. {
3. char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX;
4. char val[64];
5. strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) - 1,
6. name,
7. sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX));
8. snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd);
9. add_environment(key, val);
10. /* make sure we don't close-on-exec */
11. fcntl(fd, F_SETFD, 0);
12. }

这里传进来的参数name值为"zygote"，而ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX在system/core/include/cutils/sockets.h定义为：

1. #define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX   "ANDROID_SOCKET_"

因此，这里就把上面得到的文件描述符写入到以"ANDROID_SOCKET_zygote"为key值的环境变量中。又因为上面的
ZygoteInit.registerZygoteSocket函数与这里创建socket文件的create_socket函数是运行在同一个进程
中，因此，上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函数可以直接使用这个文件描述符来创建一个Java层的
LocalServerSocket对象。如果其它进程也需要打开这个/dev/socket/zygote文件来和Zygote进程进行通信，那就必须
要通过文件名来连接这个LocalServerSocket了，参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析一
文中的Step
4，ActivityManagerService是通过Process.start函数来创建一个新的进程的，而Process.start函数会首先
通过Socket连接到Zygote进程中，最终由Zygote进程来完成创建新的应用程序进程，而Process类是通过
openZygoteSocketIfNeeded函数来连接到Zygote进程中的Socket的：

1. public class Process {
2. ......
3. private static void openZygoteSocketIfNeeded()
4. throws ZygoteStartFailedEx {
5. ......
6. for (int retry = 0
7. ; (sZygoteSocket == null) && (retry < (retryCount + 1))
8. ; retry++ ) {
9. ......
10. try {
11. sZygoteSocket = new LocalSocket();
12. sZygoteSocket.connect(new LocalSocketAddress(ZYGOTE_SOCKET,
13. LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED));
14. sZygoteInputStream
15. = new DataInputStream(sZygoteSocket.getInputStream());
16. sZygoteWriter =
17. new BufferedWriter(
18. new OutputStreamWriter(
19. sZygoteSocket.getOutputStream()),
20. 256);
21. ......
22. } catch (IOException ex) {
23. ......
24. }
25. }
26. ......
27. }
28. ......
29. }

这里的ZYGOTE_SOCKET定义为：

1. public class Process {
2. ......
3. private static final String ZYGOTE_SOCKET = "zygote";
4. ......
5. }

它刚好就是对应/dev/socket目录下的zygote文件了。

Android系统中的socket机制和binder机制一样，都是可以用来进行进程间通信，读者可以自己对比一下这两者的不同之处，Binder进程间通信机制可以参考Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划一文。

Socket对象创建完成之后，回到Step 3中的ZygoteInit.main函数中，startSystemServer函数来启动SystemServer组件。

Step 5. ZygoteInit.startSystemServer
       这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

1. public class ZygoteInit {
2. ......
3. private static boolean startSystemServer()
4. throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
5. /* Hardcoded command line to start the system server */
6. String args[] = {
7. "--setuid=1000",
8. "--setgid=1000",
9. "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,3001,3002,3003",
10. "--capabilities=130104352,130104352",
11. "--runtime-init",
12. "--nice-name=system_server",
13. "com.android.server.SystemServer",
14. };
15. ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
16. int pid;
17. try {
18. parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
19. ......
20. /* Request to fork the system server process */
21. pid = Zygote.forkSystemServer(
22. parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
23. parsedArgs.gids, debugFlags, null,
24. parsedArgs.permittedCapabilities,
25. parsedArgs.effectiveCapabilities);
26. } catch (IllegalArgumentException ex) {
27. ......
28. }
29. /* For child process */
30. if (pid == 0) {
31. handleSystemServerProcess(parsedArgs);
32. }
33. return true;
34. }
35. ......
36. }

这里我们可以看到，Zygote进程通过Zygote.forkSystemServer函数来创建一个新的进程来启动SystemServer组件，
返回值pid等0的地方就是新的进程要执行的路径，即新创建的进程会执行handleSystemServerProcess函数。

Step 6. ZygoteInit.handleSystemServerProcess
        这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

1. public class ZygoteInit {
2. ......
3. private static void handleSystemServerProcess(
4. ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
5. throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
6. closeServerSocket();
7. /*
8. * Pass the remaining arguments to SystemServer.
9. * "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"
10. */
11. RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);
12. /* should never reach here */
13. }
14. ......
15. }

由于由Zygote进程创建的子进程会继承Zygote进程在前面Step
4中创建的Socket文件描述符，而这里的子进程又不会用到它，因此，这里就调用closeServerSocket函数来关闭它。这个函数接着调用
RuntimeInit.zygoteInit函数来进一步执行启动SystemServer组件的操作。

Step 7. RuntimeInit.zygoteInit

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：

1. public class RuntimeInit {
2. ......
3. public static final void zygoteInit(String[] argv)
4. throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
5. ......
6. zygoteInitNative();
7. ......
8. // Remaining arguments are passed to the start class's static main
9. String startClass = argv[curArg++];
10. String[] startArgs = new String[argv.length - curArg];
11. System.arraycopy(argv, curArg, startArgs, 0, startArgs.length);
12. invokeStaticMain(startClass, startArgs);
13. }
14. ......
15. }

这个函数会执行两个操作，一个是调用zygoteInitNative函数来执行一个Binder进程间通信机制的初始化工作，这个工作完成之后，这个进
程中的Binder对象就可以方便地进行进程间通信了，另一个是调用上面Step
5传进来的com.android.server.SystemServer类的main函数。

Step 8. RuntimeInit.zygoteInitNative

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：

1. public class RuntimeInit {
2. ......
3. public static final native void zygoteInitNative();
4. ......
5. }

这里可以看出，函数zygoteInitNative是一个Native函数，实现在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中，这里我们就不再细看了，具体可以参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的Step 9，完成这一步后，这个进程的Binder进程间通信机制基础设施就准备好了。

回到Step 7中的RuntimeInit.zygoteInitNative函数，下一步它就要执行com.android.server.SystemServer类的main函数了。

Step 9. SystemServer.main

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件中：

1. public class SystemServer
2. {
3. ......
4. native public static void init1(String[] args);
5. ......
6. public static void main(String[] args) {
7. ......
8. init1(args);
9. ......
10. }
11. public static final void init2() {
12. Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
13. Thread thr = new ServerThread();
14. thr.setName("android.server.ServerThread");
15. thr.start();
16. }
17. ......
18. }

这里的main函数首先会执行JNI方法init1，然后init1会调用这里的init2函数，在init2函数里面，会创建一个ServerThread线程对象来执行一些系统关键服务的启动操作，例如我们在前面两篇文章Android应用程序安装过程源代码分析和Android系统默认Home应用程序（Launcher）的启动过程源代码分析中提到的PackageManagerService和ActivityManagerService。
        这一步的具体执行过程可以参考Android应用程序安装过程源代码分析一文，这里就不再详述了。

这里执行完成后，层层返回，最后回到上面的Step
3中的ZygoteInit.main函数中，接下来它就要调用runSelectLoopMode函数进入一个无限循环在前面Step
4中创建的socket接口上等待ActivityManagerService请求创建新的应用程序进程了。

Step 10. ZygoteInit.runSelectLoopMode

这个函数定义在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：

1. public class ZygoteInit {
2. ......
3. private static void runSelectLoopMode() throws MethodAndArgsCaller {
4. ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList();
5. ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList();
6. FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];
7. fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
8. peers.add(null);
9. int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
10. while (true) {
11. int index;
12. ......
13. try {
14. fdArray = fds.toArray(fdArray);
15. index = selectReadable(fdArray);
16. } catch (IOException ex) {
17. throw new RuntimeException("Error in select()", ex);
18. }
19. if (index < 0) {
20. throw new RuntimeException("Error in select()");
21. } else if (index == 0) {
22. ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
23. peers.add(newPeer);
24. fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
25. } else {
26. boolean done;
27. done = peers.get(index).runOnce();
28. if (done) {
29. peers.remove(index);
30. fds.remove(index);
31. }
32. }
33. }
34. }
35. ......
36. }

这个函数我们已经在Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的Step 5中分析过了，这就是在等待ActivityManagerService来连接这个Socket，然后调用ZygoteConnection.runOnce函数来创建新的应用程序，有兴趣的读者可以参考Android应用程序进程启动过程的源代码分析这篇文章，这里就不再详述了。

这样，Zygote进程就启动完成了，学习到这里，我们终于都对Android系统中的进程有了一个深刻的认识了，这里总结一下：

1. 系统启动时init进程会创建Zygote进程，Zygote进程负责后续Android应用程序框架层的其它进程的创建和启动工作。

2. Zygote进程会首先创建一个SystemServer进程，SystemServer进程负责启动系统的关键服务，如包管理服务PackageManagerService和应用程序组件管理服务ActivityManagerService。

3. 当我们需要启动一个Android应用程序时，ActivityManagerService会通过Socket进程间通信机制，通知Zygote进程为这个应用程序创建一个新的进程。

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