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[點晴永久免費OA]Android 開機流程介紹

freeflydom
2024年1月31日 18:58 本文熱度 796

 

一、目的

        從2014年Android4.0開始接觸機器人,開發過App應用軟件,研究過Framework層框架結構、也梳理過Native層的系統流程,但是對于Hal層,以及底下的kernel方向,知之甚少。
        本著一份對于底層知識的渴望,也為方便以后debug問題,故開始嘗試分析下Android的開機流程。

二、環境

  1. 版本:Android 12

  2. 平臺:展銳 SPRD8541E

  3. kernel:5.4

三、相關概念

3.1 Android平臺架構

        如下是Google官網提供的平臺架構圖,很直觀地攘括了Android的層級,關于各個層級的結構,有想了解可以參考:https://developer.android.google.cn/guide/platform?hl=zh-cn

ps: Android系統為什么要有Hal層?

3.2 Android啟動架構

        如下是從某大佬的文章里摘取的圖片,很詳細地描述了Android系統啟動過程:Boot Loader引導開機 -> Kernel -> Native -> Framework -> App

3.3 zImage

        zImage是一般情況下默認的壓縮內核映像文件,壓縮vmlinux,加上一段解壓啟動代碼得到,只能從0X0地址運行。

3.4 RAMDISK

        RAMDISK(initrd) 是一個小的分區像,在引導時內核以只讀方式掛載它。它只保護/int和一些置文件,它用于初始化和掛載其它的文件系統鏡像。
        ramdisk.img被包含Google android SDK中(SSDK ROOT/toolslibimages/ramdiskimg) , 也可以編生成(SSDK ROOT/outarget/productSPRODUT NAME/ramdisk.img) 。這是一個gzip壓縮的CPIO文件。

3.5 RC文件

        rc文件,是用Android Init Language編寫的特殊文件。用這種語法編寫的文件,統一用".rc"后綴。所有rc文件,不會被編譯/鏈接。它是配置文件,不是程序,是一種用于android init的配置文件。真正加載rc文件,并進行解析,做事情的是 Init進程。

四、詳細設計

4.1 Boot Rom

        當長按電源開機的時候,引導芯片開始從固化在ROM的預設代碼開始執行,然后將加載引導程序到RAM中。

4.2 BootLoader

        BootLoader又稱為引導程序,它在運行操作系統之前運行的一段程序,是運行的第一個程序。主要的功能有檢查RAM、初始化一些硬件外設等功能,它最終的目的是啟動操作系統。

4.3 Kernel

        Kernel初始化可以分成三部分:zImage解壓縮、kernel的匯編啟動階段、Kernel的C啟動階段

4.3.1 zImage解壓縮階段

  1. 內核加載到ram(內存)后,內核映像并不能直接運行,它是一個壓縮的zImage文件。

  2. zImage映像中的并非一切被壓縮,映像中包含未被壓縮部分,這部分中包含解壓縮程序,解壓縮程序會解壓縮映像中被壓縮的部分。

  3. zImage使用gzip壓縮的,它不僅僅是一個壓縮文件,而且在這個文件的開頭部分內嵌有gzip解壓縮代碼。

  4. 當zImage被調用時它從arch/arm/boot/compressed/head.S的start匯編例程開始執行,并最終調用arch/arm/boot/compressed/misc.c中的decompress_kernel()解壓縮內核。

4.3.2 kernel的匯編啟動階段

        idle進程的啟動是用匯編語言編寫(感興趣可以去研究下),對應的啟動如下:

s
@bsp\kernel\kernel5.4\arch\arm\kernel\head-common.S
ldmia	r4, {r0, r1, r2, r3}
str	r9, [r0]			@ Save processor ID
str	r7, [r1]			@ Save machine type
str	r8, [r2]			@ Save atags pointer
cmp	r3, #0
strne	r10, [r3]			@ Save control register values
mov	lr, #0
b	start_kernel //啟動start_kernel函數

        其中,語句b start_kernel,b 是跳轉的意思,即跳轉到start_kernel函數,對應的實現在bsp/kernel/kernel5.4/init/main.c,至此idle進程被啟動。

4.3.3 Kernel的C啟動階段

        start_kernel()函數是內核初始化C語言部分的主體。這個函數完成系統底層基本機制,包括處理器、存儲管理系統、進程管理系統、中斷機制、定時機制等的初始化工作。

c
@bsp\kernel\kernel5.4\init\main.c
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void){
    char *command_line;
    char *after_dashes;
    set_task_stack_end_magic(&init_task);
    smp_setup_processor_id();//打印了驅動加載的第一行log
    ... //初始化一系列系統底層機制
    pr_notice("%s", linux_banner);//打印內核版本信息
    ...
    pr_notice("Kernel command line: %s\n", saved_command_line);//打印從uboot傳遞過來的command_line字符串
    ...
    /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
    arch_call_rest_init();//創建init進程、kthread進程、idle進程
    prevent_tail_call_optimization();}

4.3.3.1 kernel啟動log

(1)kernel內核啟動階段,smp_setup_processor_id()函數會打印的第一條log(文中log可以在 [目錄5.1開機log] 下載查看),如下:

none
[    0.000000] c0 Booting Linux on physical CPU 0x0

(2)接著會打印內核的一些信息,版本,作者,編譯器版本,日期等,如下:

none
[    0.000000]c0  Linux version 5.4.147+ (lzq@cz-PowerEdge-R730) (Android (7284624, based on r416183b) clang version 12.0.5 (https://android.googlesource.com/toolchain/llvm-project c935d99d7cf2016289302412d708641d52d2f7ee), LLD 12.0.5 (/buildbot/src/android/llvm-toolchain/out/llvm-project/lld c935d99d7cf2016289302412d708641d52d2f7ee)) #5 SMP PREEMPT Thu Sep 28 15:17:40 CST 2023

(3)打印出從uboot傳遞過來的command_line字符串,在setup_arch函數中獲得的(proc/cmdline)

none
[    0.000000]c0  Kernel command line: earlycon=sprd_serial_ex,0x508d0000,115200n8 console=ttySE0,921600n8 loglevel=7 init=/init root=/dev/ram0 rw vmalloc=360M printk.devkmsg=on androidboot.boot_devices=soc/soc:ap-ahb/20600000.sdio initcall_debug=1 swiotlb=1  androidboot.selinux=permissive androidboot.hardware=sl8541e_1h10_32b androidboot.dtbo_idx=0 lcd_id=ID40396 lcd_name=lcd_st7123_truly_mipi_hd lcd_base=9e000000 lcd_size=1440x720 logo_bpix=24 androidboot.ddrsize=1024M androidboot.ddrsize.range=[1024,2048)  sysdump_magic=80001000 sysdump_re_flag=1  androidboot.wdten=0  androidboot.dswdten=disable modem=shutdown ltemode=lcsfb rfboard.id=-1 rfhw.id=0 crystal=2 32k.less=1 androidboot.pmic.chipid=2721 modemboot.method=emmcboot cpcmdline=end  androidboot.verifiedbootstate=orange androidboot.flash.locked=0  androidboot.serialno=LE210210001326000028 buildvariant=userdebug androidboot.vbmeta.device=PARTUUID=1.0 androidboot.vbmeta.avb_version=1.1 androidboot.vbmeta.device_state=unlocked androidboot.

4.3.3.2 init進程&kthreadd進程

        創建了Linux系統中兩個重要的進程init和kthreadd,并且將當前進程設置為idle進程:

c
@bsp\kernel\kernel5.4\init\main.cvoid __init __weak arch_call_rest_init(void){
    rest_init();}noinline void __ref rest_init(void){
    ...
    pid = kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);//創建init進程
    ...
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);//創建kthreadd進程
    ...
    /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);//設置當前進程為idle進程}

        Linux下有三個特殊的進程,idle(swapper)進程(PID = 0),init進程(PID = 1)和看threadd(PID = 2):

(1)idle(swapper)進程由系統自動創建,運行在內核態。idle進程其pid=0,其前身是系統創建的第一個進程,也是唯一一個沒有通過fork或者kernel_thread產生的進程。完成加載系統后,演變為進程調度、交換,常常被稱為交換進程。
(2)init進程由idle通過kernel_thread創建,在內核空間完成初始化后,加載init進程,并最終轉變為用戶空間的init進程,是系統中所有其他用戶進程的祖先進程。
(3)kthreadd進程是idle通過kernel_thread創建,并始終運行在內核空間 ,負責所有內核線程的調度和管理。

4.3.3.3 idle進程啟動

        這個函數是Linux內核為非引導CPU初始化和進入空閑循環的入口函數,負責在系統沒有任務需要執行時,讓CPU進入空閑狀態。

c
@bsp\kernel\kernel5.4\kernel\sched\idle.cvoid cpu_startup_entry(enum cpuhp_state state){
    arch_cpu_idle_prepare();
    cpuhp_online_idle(state);
    while (1)
        do_idle();}

4.4 Init進程

        由上一節可知,Init進程由0號idle進程啟動,kernel_init()為其入口函數,該函數主要通過三種方式啟動init程序。

c
static int __ref kernel_init(void *unused){
    ...
    if (ramdisk_execute_command) {
        ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);//Step 1. 根據ramdisk_execute_command的值來啟動init程序
        if (!ret)
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
                ramdisk_execute_command, ret);
    }
    if (execute_command) {
        ret = run_init_process(execute_command);//Step 2. 根據execute_command的值來啟動init程序
        if (!ret)
            return 0;
        panic("Requested init %s failed (error %d).",
                execute_command, ret);
    }
    if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
        !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
        !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
        !try_to_run_init_process("/bin/sh")) //Step 3.根據系統默認位置來啟動init程序
        return 0;
    panic("No working init found.  Try passing init= option to kernel. "
            "See Linux Documentation/admin-guide/init.rst for guidance.");//Step 4.異常重啟}

(1)ramdisk_execute_command是一個全局的char指針變量,值為“/init”,也就是根目錄下的init程序。該值通過uboot傳遞過來,具體可參考上一節的command_line。(如未配置該值,即會將該值默認設置為"/init",該項目是從該處啟動init進程)
(2)execute_command也是一個全局的char指針變量,值通過uboot傳遞;
(3)在前面兩種情況都不滿足的情況下,從系統默認位置加載init程序;
(4)如上三種情況都不執行的話,進入panic函數,則設備會異常重啟;
(5)可以通過如下log確認系統啟動的是哪個init程序,該log由run_init_process函數打印

log
[    1.000614]c1  Run /init as init process

4.4.1 init程序編譯

        我們知道init程序是引用的根目錄下的init,即/init,但是其對應的軟鏈接指向:system/bin/init,相關信息如下:

編譯makefile文件如下:

none
@system\core\init\Android.bp
phony {
    name: "init",
    required: [
        "init_second_stage",
    ],
}
cc_binary {
    name: "init_second_stage",
    recovery_available: true,
    stem: "init",//最終生成的二進制文件名
    defaults: ["init_defaults"],
    static_libs: ["libinit"],
    ...
    srcs: ["main.cpp"],
    ...
}

4.4.2 init程序入口函數

        init程序的入口函數,根據不同的入參,響應init不同階段、處理不同業務邏輯。

c
@system\core\init\main.cppint main(int argc, char** argv) {
    ...
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);//初始化uevent事件
    }
    if (argc > 1) {
        ...
        if (!strcmp(argv[1], "selinux_setup")) {
            android::mboot::mdb("SELinux Setup ...");
            return SetupSelinux(argv);//selinux權限
        }
        if (!strcmp(argv[1], "second_stage")) {
            return SecondStageMain(argc, argv);//第二階段
        }
    }
    return FirstStageMain(argc, argv);//第一階段}

        由于在kernel階段啟動init程序時,未配置參數,故首先會引用FirstStageMain函數。另外,根據log可以看到,其引用順序如下:

none
 [    1.004958]c1  init: init first stage started!
 [    2.547025]c0  init: Opening SELinux policy
 [    3.226672]c0  init: init second stage started!
 [    3.715657]c1  ueventd: ueventd started!
  1. FirstStageMain: 主要創建和掛載基本的文件系統,掛載特定分區,啟用log等;

  2. SetupSelinux: 掛載并啟用selinux權限系統;

  3. SecondStageMain: 主要解析ini.rc文件,創建zygote孵化器,fork 進程等;

4.4.3 FirstStageMain

        第一階段,該階段所掛載的文件系統都屬于ramdisk,運行在虛擬內存上。

c
@system\core\init\first_stage_mount.cppint FirstStageMain(int argc, char** argv) {
    ...
    //Step 1. 創建&掛載最基本的文件系統
    CHECKCALL(mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755"));//將/dev設置為tmpfs并掛載,設置0755權限,tmpfs是在內存上建立的文件系統(Filesystem)
    CHECKCALL(mkdir("/dev/pts", 0755));
    CHECKCALL(mkdir("/dev/socket", 0755));
    CHECKCALL(mkdir("/dev/dm-user", 0755));
    ...
    //Step 2. 初始化log系統并打印
    SetStdioToDevNull(argv);
    InitKernelLogging(argv);
    ...
    LOG(INFO) << "init first stage started!";
    ...
    //Step 3. 加載內核驅動模塊
    if (!LoadKernelModules(IsRecoveryMode() && !ForceNormalBoot(cmdline, bootconfig), want_console,
                           module_count)) {
        ...
    }
    ...
    //Step 4.掛載分區(system、vendor、product等分區)
    if (!DoFirstStageMount(!created_devices)) {
        LOG(FATAL) << "Failed to mount required partitions early ...";
    }
    ...
    //Step 5.初始化Android的安全框架Android Verified Boot
    SetInitAvbVersionInRecovery();
    ...
    //Step 6.執行下一個階段
    const char* path = "/system/bin/init";
    const char* args[] = {path, "selinux_setup", nullptr};
    ...
    execv(path, const_cast<char**>(args));//exec系列函數可以把當前進程替換為一個新進程,且新進程與原進程有相同的PID,即重新回到main.cpp
    ...}

Step 1. 創建&掛載最基本的文件系統,創建了如下五類文件系統:

文件系統掛載路徑描述
tmpfs/dev一種虛擬內存文件系統,它會將所有的文件存儲在虛擬內存中,如果你將tmpfs文件系統卸載后,那么其下的所有的內容將不復存在。tmpfs既可以使用RAM,也可以使用交換分區,會根據你的實際需要而改變大小。
devpts/dev/pts為偽終端提供了一個標準接口,它的標準掛接點是/dev/pts。只要pty的主復合設備/dev/ptmx被打開,就會在/dev/pts下動態的創建一個新的pty設備文件。
proc/proc一個虛擬文件系統,它可以看作是內核內部數據結構的接口,通過它我們可以獲得系統的信息,同時也能夠在運行時修改特定的內核參數。
sysfs/sys與proc文件系統類似,也是一個不占有任何磁盤空間的虛擬文件系統。它通常被掛接在/sys目錄下。sysfs文件系統是Linux2.6內核引入的,它把連接在系統上的設備和總線組織成為一個分級的文件,使得它們可以在用戶空間存取。
selinuxfs/sys/fs/selinux用于支持SELinux的文件系統,SELinux提供了一套規則來編寫安全策略文件,這套規則被稱之為 SELinux Policy 語言。

相關掛載情況如下:

Step 2. 結合dev/kmsg節點,初始化log系統,并在第一階段開始時,打印第一條log

none
 [    1.004958]c1  init: init first stage started!

Step 3. 加載內核驅動模塊,第一階段加載的內核模塊如下:

none
[    1.012653]c1  init: Loaded kernel module /lib/modules/sprd_wdt.ko
[    1.020197]c0  init: Loaded kernel module /lib/modules/sc2721-regulator.ko
[    1.022427]c0  init: Loaded kernel module /lib/modules/nvmem-sc27xx-efuse.ko
[    1.026126]c0  init: Loaded kernel module /lib/modules/spool.ko
[    1.033668]c0  init: Loaded kernel module /lib/modules/sipx.ko
[    1.047553]c0  init: Loaded kernel module /lib/modules/seth.ko
[    1.048526]c0  init: Loaded kernel module /lib/modules/usb_f_vser.ko
...

Step 4. 掛載分區。創建/first_stage_ramdisk并掛載,然后將根目錄切換到/first_stage_ramdisk,并掛載system、vendor 、product等系統分區,掛載信息如上。
Step 5. 初始化Android的安全框架Android Verified Boot,用于防止系統文件本身被篡改、防止系統回滾,以免回滾系統利用以前的漏洞。
Step 6. 啟動下一個階段SetupSelinux。

4.4.4 SetupSelinux

        該階段主要是初始化Selinux權限相關業務,同時在業務流程最后一步時,重新執行system/bin/init程序,再次啟動下一個階段SecondStageMain。

c
@system\core\init\selinux.cppint SetupSelinux(char** argv) {
    ...
    LOG(INFO) << "Opening SELinux policy";
    ...
    const char* path = "/system/bin/init";
    const char* args[] = {path, "second_stage", nullptr};
    execv(path, const_cast<char**>(args));
    ...
    return 1;}

該階段log打印如下:

none
 [    2.547025]c0  init: Opening SELinux policy

4.4.5 SecondStageMain

        第二階段,涉及到文件系統掛載、屬性服務等系統相關業務,其中最主要的一點去解析rc文件(創建目錄,修改權限,掛載分區,啟動服務進程等),以期讓開機流程進入下一階段。

c
@system\core\init\init.cppint SecondStageMain(int argc, char** argv) {
    //Step 1.初始化log
    SetStdioToDevNull(argv);
    InitKernelLogging(argv);
    LOG(INFO) << "init second stage started!";
    ...
    //Step 2.屬性服務初始化,讀取默認屬性配置
    PropertyInit();
    ...
    //Step 3.掛載其他文件系統,如/apex
    MountExtraFilesystems();
    ...
    //Step 4.啟動屬性服務
    StartPropertyService(&property_fd);
    ...
    //Step 5.加載開機rc文件
    ActionManager& am = ActionManager::GetInstance();
    ServiceList& sm = ServiceList::GetInstance();
    LoadBootScripts(am, sm);
    ...
    //Step 6.設置進程優先級,主進程不能退出
    setpriority(PRIO_PROCESS, 0, 0);
    while (true) {
        ...
    }
    return 0;}

Step 1. 初始化log,該階段log打印如下:

none
 [    3.226672]c0  init: init second stage started!

Step 2. 屬性服務初始化,讀取默認屬性配置。獲取system/build.prop、vendor/build.prop、/odm/build.prop、/product/build.prop等其他build.prop屬性,并加載到properties map結構中,然后通過MMAP映射到全局內存中,供所有進程調用;
Step 3. 掛載其他文件系統,如/apex。掛載第二階段相關的文件系統;
Step 4. 啟動屬性服務。創建socket,處理客戶端發來的請求,決定是更新屬性值還是新增屬性值;
Step 5. 加載開機rc文件,rc文件的加載順序如下;

none
[    3.481952]c0  init: Parsing file /system/etc/init/hw/init.rc...
[    3.489693]c0  init: Parsing file /init.environ.rc...
[    3.490110]c0  init: Parsing file /system/etc/init/hw/init.usb.rc...
[    3.491867]c0  init: Parsing file /init.sl8541e_1h10_32b.rc...
[    3.493283]c0  init: Parsing file /vendor/etc/init/hw/init.sl8541e_1h10_32b.rc...
[    3.494372]c0  init: Parsing file /vendor/etc/init/hw/init.sl8541e_1h10_32b.usb.rc...
[    3.509664]c0  init: Parsing file /vendor/etc/init/hw/init.ram.rc...
...

解析init.rc會把一條條命令映射到內存中,然后依次啟動,啟動順序如下:

none
on on early-init:在初始化早期階段觸發
on init:在初始化階段觸發
on late-init:在初始化晚期階段觸發
on boot/charger:當系統啟動/充電時觸發
on property:當屬性值滿足條件時觸發

Step 6. 設置進程優先級,主進程不能銷毀和退出。

4.5 Zygote進程

4.5.1 Zygote進程啟動腳本

(1)rc文件編譯
        init.rc文件是一個配置文件,最終會被打包到該目錄:/system/etc/init/hw/

c
@system\core\rootdir\Android.bp
prebuilt_etc {
    name: "init.rc",
    src: "init.rc",
    sub_dir: "init/hw",
    required: [
        "fsverity_init",
        "platform-bootclasspath",
    ],}

(2)init.rc
        由上一節我們知道,當init程序啟動到第二階段時候,會去加載rc文件,且最開始加載的rc文件是:system/etc/init/hw/init.rc

c
@system\core\rootdir\init.rc...import /system/etc/init/hw/init.${ro.zygote}.rc//導入zygote的rc文件,ro.zygote屬性可根據系統讀取...# Mount filesystems and start core system services.on late-init    ...
    # Now we can start zygote for devices with file based encryption
    trigger zygote-start //在開機初始化晚期階段,觸發zygote啟動
    ...# It is recommended to put unnecessary data/ initialization from post-fs-data# to start-zygote in device's init.rc to unblock zygote start.on zygote-start && property:ro.crypto.state=unencrypted
    wait_for_prop odsign.verification.done 1
    # A/B update verifier that marks a successful boot.
    exec_start update_verifier_nonencrypted
    start statsd
    start netd
    start zygote
    start zygote_secondary

(3)init.zygote32.rc
        啟動 app_process,并改名為zygote,使用:-Xzygote、/system/bin、–zygote和–start-system-server等參數,同時重啟了audioserver、cameraserver、media等服務。

r
@system\core\rootdir\init.zygote32.rc
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc reserved_disk
    socket zygote stream 660 root system
    socket usap_pool_primary stream 660 root system
    onrestart exec_background - system system -- /system/bin/vdc volume abort_fuse
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks
    critical window=${zygote.critical_window.minute:-off} target=zygote-fatal

(4)zygote啟動log
        在解析完rc文件后,會啟動對應的服務,zygote啟動log如下:

none
[    7.916749]c3  init: starting service 'zygote'...

4.5.2 Zygote進程

(1)zygote編譯文件

none
@frameworks\base\cmds\app_process\Android.bp
cc_binary {
    name: "app_process",
    srcs: ["app_main.cpp"], 
    ...
}

(2)app_process啟動
        zygote是一個名為zygote的app_process進程,解析rc文件參數,啟動ZygoteInit。

c
int main(int argc, char* const argv[]){
    ...
    while (i < argc) {//讀取rc文件傳進來的參數
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {
            startSystemServer = true;
        } 
        ...
    }
    ...
    if (zygote) {
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);//啟動ZygoteInit
    } 
    ...}

(3)AndroidRuntime
        通過反射去啟動ZygoteInit的main函數,相關引用如下:

c
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote){
    ALOGD(">>>>>> START %s uid %d <<<<<<\n",
            className != NULL ? className : "(unknown)", getuid());
    ...
    //通過反射啟動函數
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
        /* keep going */
    } else {
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
            /* keep going */
        } else {
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);#if 0
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);#endif
        }
    }
    ...}

當前流程會打印如下log:

none
01-01 08:00:08.538   387   387 D AndroidRuntime: >>>>>> START com.android.internal.os.ZygoteInit uid 0 <<<<<<

4.5.3 Zygote進程(java)

(1)ZygoteInit

java
@frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.javapublic static void main(String[] argv) {
    ...
    try {
        //Step 1. 預加載資源文件
        if (!enableLazyPreload) {
            bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                    SystemClock.uptimeMillis());
            preload(bootTimingsTraceLog);
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                    SystemClock.uptimeMillis());
            bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
        }
        ...
        //Step 2.注冊Zygote的socket監聽接口
        zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote);
        //Step 3.創建system_server進程
        if (startSystemServer) {
            Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer);
            if (r != null) {
                r.run();
                return;
            }
        }
        //Step 4.主線程loop消息循環
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
    } 
    ...}

Step 1. 提前加載類,加載系統資源(如一些公共的庫、SDK等),這樣當程序被fork處理后,應用的進程內已經包含了這些系統資源,大大節省了應用的啟動時間。
Step 2. 注冊Zygote的socket監聽接口,用來接收啟動應用程序的消息;
Step 3. frok出SystemServer進程;
Step 4. 主線程loop消息循環

(2)forkSystemServer
        fork出SystemServer進程,并且去調用SystemServer進程的main函數

java
@frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.javaprivate 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,"
                    + "1024,1032,1065,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010,3011",
            "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
            "--nice-name=system_server",
            "--runtime-args",
            "--target-sdk-version=" + VMRuntime.SDK_VERSION_CUR_DEVELOPMENT,
            "com.android.server.SystemServer",
    };//啟動SystemServer相關參數
    ...
    try {
        ...
        /* Request to fork the system server process */
        pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.mUid, parsedArgs.mGid,
                parsedArgs.mGids,
                parsedArgs.mRuntimeFlags,
                null,
                parsedArgs.mPermittedCapabilities,
                parsedArgs.mEffectiveCapabilities);//fork出SystemServer進程
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    }
    /* For child process */
    if (pid == 0) {
        ...
        return handleSystemServerProcess(parsedArgs);//通過反射調用SystemServer進程的main函數
    }
    return null;}

(3)handleSystemServerProcess
        此函數為調用SystemServer進程,最終會通過反射調用SystemServer進程的main函數,其方法調用棧如下:
handleSystemServerProcess()->ZygoteInit.zygoteInit()->RuntimeInit.applicationInit()->RuntimeInit.findStaticMain()

java
@frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\RuntimeInit.javaprotected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
        ClassLoader classLoader) {
    Class<?> cl;
    try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);//反射調用類:com.android.server.SystemServer
    }
    ...
    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });//反射調用方法:main
    } 
    ...
    return new MethodAndArgsCaller(m, argv);}

4.6 SystemServer進程

        Android系統在啟動的時候,在啟動兩個重要的進程,一個是Zygote進程,另一個是由zygote進程fork出來的system_server進程。SystemSever負責啟動系統的各項服務,Android系統中Java世界的核心Service都在這里啟動。

4.6.1 main函數

由上一章節我們知道,SystemServer的入口函數是main方法,如下:

java
@frameworks\base\services\java\com\android\server\SystemServer.javapublic static void main(String[] args) {
    new SystemServer().run();}private void run() {
    ...    
    Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
    ...
    // Start services.
    try {
        t.traceBegin("StartServices");
        startBootstrapServices(t);//引導服務
        startCoreServices(t);//核心服務
        startOtherServices(t);//其他服務
    } 
    ...
    // Loop forever.
    Looper.loop();//主線程循環隊列
    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");}

SystemServer進程成功啟動,會打印如下log:

none
01-01 08:00:21.430  1001  1001 I SystemServer: Entered the Android system server!

4.6.2 SystemServer中啟動服務

        在一系列的java服務中,可以分為三類:系統boot級別服務、核心服務、其他服務,其對應如下:

類型服務備注
startBootstrapServicesActivityManagerService簡稱AMS,管理Android四大組件的生命周期
PowerManagerService電源管理服務
PackageManagerService簡稱PMS,用于APK的安裝、卸載、權限驗證等
UserManagerService用戶創建、刪除、查詢等
......
startCoreServicesBatteryService對設備電池狀態進行監控
UsageStatsService收集App的使用頻率等信息
......
startOtherServicesCameraService管理設備相機功能
BluetoothService管理藍牙服務
WindowManagerService簡稱WMS,管理窗口服務
FingerPrintService管理指紋服務
......

4.7 Home進程

        一般情況下,Android原生的軟體會包含兩個home進程,一個是Settings進程的Fallbackhome,一個是Launcher進程。

4.7.1 Home進程的編譯

(1)FallbackHome編譯
        Fallbackhome位于Settings進程內,隨系統啟動時被拉起。

none
@packages\apps\Settings\Android.bp
android_app {
    name: "Settings",
    defaults: ["platform_app_defaults"],
    platform_apis: true,
    certificate: "platform",
    system_ext_specific: true,
    privileged: true,
    ...
}

(2)Launcher進程編譯
        Launcher進程主要用于顯示App的界面信息。隨著Android版本的迭代、以及層出不窮的產品,目前Android的Launcher版本較多,如Home、Launcher2、Launcher3、Launcher3QuickStep,要根據自身項目的配置,找到對應的Launcher應用。

none
@packages\apps\Launcher3\Android.mk
include $(CLEAR_VARS)
...
LOCAL_PACKAGE_NAME := Launcher3QuickStepGo
LOCAL_PRIVILEGED_MODULE := true
LOCAL_SYSTEM_EXT_MODULE := true
LOCAL_OVERRIDES_PACKAGES := Home Launcher2 Launcher3 Launcher3QuickStep
...

4.7.2 Launcher進程啟動

        FallbackHome是系統由未解密到解密過程的一個過度界面,只要用戶把系統解鎖過一次后,FallbackHome收到解鎖廣播就會退出,而WMS檢測到當前Acitivity棧是空的,進而啟動真正的Launcher。由于FallbackHome沒有界面,所以可能會出現一個問題,home進程切換時會出現空白界面,接下來才是顯示Launcher的一個圖標界面。

java
@packages\apps\Settings\src\com\android\settings\FallbackHome.javaprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    ...
    registerReceiver(mReceiver, new IntentFilter(Intent.ACTION_USER_UNLOCKED));//注冊ACTION_USER_UNLOCKED廣播
    maybeFinish();}private BroadcastReceiver mReceiver = new BroadcastReceiver() {
    @Override
    public void onReceive(Context context, Intent intent) {
        maybeFinish();//接收ACTION_USER_UNLOCKED廣播
    }};private void maybeFinish() {
    if (getSystemService(UserManager.class).isUserUnlocked()) {
        final Intent homeIntent = new Intent(Intent.ACTION_MAIN)
                .addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);
        final ResolveInfo homeInfo = getPackageManager().resolveActivity(homeIntent, 0);//查詢home包名信息,此處一般是返回Launcher的信息
        if (Objects.equals(getPackageName(), homeInfo.activityInfo.packageName)) {
            Log.d(TAG, "User unlocked but no home; let's hope someone enables one soon?");
            mHandler.sendEmptyMessageDelayed(0, 500);//間隔500ms輪詢
        } else {
            Log.d(TAG, "User unlocked and real home found; let's go!");
            getSystemService(PowerManager.class).userActivity(
                    SystemClock.uptimeMillis(), false);
            finish();//結束當前Activity,啟動Launcher應用
        }
    }}

4.7.3 FallbackHome進程啟動

(1) 啟動home進程
        剛開機時,SystemSever進程會啟動WMS服務,如果WMS未檢測到Activity棧有任務時,會啟動一個默認的home進程,此進程即FallbackHome。

java
@frameworks\base\services\core\java\com\android\server\wm\RootWindowContainer.javavoid startHomeOnEmptyDisplays(String reason) {
    forAllTaskDisplayAreas(taskDisplayArea -> {
        if (taskDisplayArea.topRunningActivity() == null) {
            startHomeOnTaskDisplayArea(mCurrentUser, reason, taskDisplayArea,
                    false /* allowInstrumenting */, false /* fromHomeKey */);
        }
    });}

(2) ACTION_USER_UNLOCKED廣播發送
        系統解鎖時會發送該廣播,相關代碼如下:

java
@frameworks\base\services\core\java\com\android\server\am\UserController.javavoid finishUserUnlocked(final UserState uss) {
    ...
    if (!mInjector.getUserManager().isPreCreated(userId)) {
        // Dispatch unlocked to external apps
        final Intent unlockedIntent = new Intent(Intent.ACTION_USER_UNLOCKED);
        unlockedIntent.putExtra(Intent.EXTRA_USER_HANDLE, userId);
        unlockedIntent.addFlags(
                Intent.FLAG_RECEIVER_REGISTERED_ONLY | Intent.FLAG_RECEIVER_FOREGROUND);
        mInjector.broadcastIntent(unlockedIntent, null, null, 0, null,
                null, null, AppOpsManager.OP_NONE, null, false, false, MY_PID, SYSTEM_UID,
                Binder.getCallingUid(), Binder.getCallingPid(), userId);
    }
    ...}

五、相關資源

5.1 開機log

串口+logcat:https://download.csdn.net/download/u013320490/88800008

六、小結

        本文章涉獵Android多個層級,旨在梳理整體流程,對Android設備的啟動有一個感性的認識,能夠達到一定邏輯自洽。
        Android的每個模塊、每個進程、每行代碼都有其深度,沒有細細揣測與推敲,是有點"褻瀆"了,他日必對其中感興趣模塊加以研究,respect!

七、參考資料

  1. Android系統架構圖
    https://developer.android.google.cn/guide/platform?hl=zh-cn

  2. Android Hal層的由來
    https://blog.csdn.net/Xiaoma_Pedro/article/details/130253665

  3. 開機流程
    https://www.ancii.com/acglj4qvw/
    https://gityuan.com/android/#二android架構

  4. Kernel內核
    https://blog.51cto.com/u_16213627/8681479
    https://blog.csdn.net/CAUC_learner/article/details/120435753
    https://blog.csdn.net/daringtodoit/article/details/24675867
    https://blog.csdn.net/marshal_zsx/article/details/80225854
    https://blog.51cto.com/u_11947739/6360569
    https://blog.csdn.net/qq_38499859/article/details/88187602

  5. init進程分析
    https://www.yii666.com/blog/693472.html
    https://blog.csdn.net/hai_qing_xu_kong/article/details/85707697
    https://www.yii666.com/blog/423299.html

  6. RC文件
    https://blog.csdn.net/zxc024000/article/details/111473100

作者:林奮斗同學,轉自博客園 https://www.cnblogs.com/zhiqinlin/p/18001113


該文章在 2024/2/1 16:39:13 編輯過
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