Android源码分析之SystemServer的启动流程

ZygoteInit.main()方法是Android中Java世界的入口,我们跟随这个方法来看看SystemServer的启动流程。

源码文件位置

  • frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteInit.java
  • frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\Zygote.java
  • frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\ZygoteServer.java
  • frameworks\base\core\java\com\android\internal\os\RuntimeInit.java

ZygoteInit.main()

public static void main(String argv[]) {
    ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();

    // Mark zygote start. This ensures that thread creation will throw
    // an error.
    ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();

    final Runnable caller;
    try {
        ...
        //SystemServer是否开启的标记
        boolean startSystemServer = false;
        //服务端Socket的名称
        String socketName = "zygote";
        String abiList = null;
        boolean enableLazyPreload = false;
        //根据JNI层传递过来的消息,来判断是否启动SystemServer
        for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
            if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
                startSystemServer = true;
            } else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
                enableLazyPreload = true;
            } else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
                abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
            } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
                socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
            } else {
                throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
            }
        }

        if (abiList == null) {
            throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
        }

       /**
        * 1. 注册Zygote用的socket,名称为上面的socketName
        */     
        zygoteServer.registerServerSocketFromEnv(socketName);
        // In some configurations, we avoid preloading resources and classes eagerly.
        // In such cases, we will preload things prior to our first fork.
        if (!enableLazyPreload) {
            bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                SystemClock.uptimeMillis());
            /**
             * 2. 预加载类和资源
             */
            preload(bootTimingsTraceLog);
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                SystemClock.uptimeMillis());
            bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
        } else {
            Zygote.resetNicePriority();
        }

        // Do an initial gc to clean up after startup
        bootTimingsTraceLog.traceBegin("PostZygoteInitGC");
        gcAndFinalize(); //强制执行垃圾回收
        bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // PostZygoteInitGC
        ...

        /**
         * 3. 启动SystemServer进程
         */
        if (startSystemServer) {
            Runnable r = forkSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
            // {@code r == null} in the parent (zygote) process, and {@code r != null} in the
            // child (system_server) process.
            if (r != null) {
                r.run();
                return;
            }
        }

        Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");

        /**
         * 4. 处理客户端连接和客户端请求。其中客户在zygote中用ZygoteConnection对象来表示
         * 客户端的请求由ZygoteConnection的processOneCommand方法处理
         * (等待AMS请求)
         */
        // The select loop returns early in the child process after a fork and
        // loops forever in the zygote.
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
    } catch (Throwable ex) {
        Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
        throw ex;
    } finally {
        zygoteServer.closeServerSocket();  //清理或关闭对应的Socket
    }

    // We're in the child process and have exited the select loop. Proceed to execute the
    // command.
    if (caller != null) {
        caller.run();
    }
}

接下来详细分析ZygoteInit.main()方法中的5大工作

  1. 建立IPC通信服务端——registerServerSocketFromEnv
    Zygote及系统中其它程序的通信没有使用Binder,而是采用了基于AF_UNIX类型的Socket。registerServerSocketFromEnv()方法的使用就是建立这个Socket。
void registerServerSocketFromEnv(String socketName) {
    if (mServerSocket == null) {
        int fileDesc;
        /**
         * 1. 拿到Socket的名称
         */
        final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
        try {
            /**
             * 2. 得到Socket环境变量的值
             */
            String env = System.getenv(fullSocketName);
            /**
             * 3. 将Socket环境变量的值转换为文件描述符的参数
             */
            fileDesc = Integer.parseInt(env);
        } catch (RuntimeException ex) {
            throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex);
        }


        try {
            /**
             * 4. 创建文件描述符
             */
            FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
            fd.setInt$(fileDesc);
            /**
             * 5. 创建服务端Socket,这个Socket将监听并接收客户端
             */
            mServerSocket = new LocalServerSocket(fd);
            mCloseSocketFd = true;
        } catch (IOException ex) {
            throw new RuntimeException(
                    "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
        }
    }
  1. 预加载类和资源——preload()
    在preload()方法中调用了preloadClasses()和preloadResources()方法,preloadClasses()方法加载类,preloadResources()方法加载framework-res.apk中的资源。在这里我们只看看preloadClasses()。
private static void preloadClasses() {
    final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();

    //预加载类的信息存储在PRELOADED_CLASSES变量中,它的值为"preload-classes"
    InputStream is;
    try {
        is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);
    } catch (FileNotFoundException e) {
        Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
        return;
    }
    ...

    try {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);
        //读取文件的每一行,忽略#开头的注释行和空白行
        int count = 0;
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            // Skip comments and blank lines.
            line = line.trim();
            if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
                continue;
            }
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
            try {
                if (false) {
                    Log.v(TAG, "Preloading " + line + "...");
                }
                // Load and explicitly initialize the given class. Use
                // Class.forName(String, boolean, ClassLoader) to avoid repeated stack lookups
                // (to derive the caller's class-loader). Use true to force initialization, and
                // null for the boot classpath class-loader (could as well cache the
                // class-loader of this class in a variable).
                //通过反射来加载类,line中存储的是预加载的类名
                Class.forName(line, true, null);
                count++;
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                Log.w(TAG, "Class not found for preloading: " + line);
            } catch (UnsatisfiedLinkError e) {
                Log.w(TAG, "Problem preloading " + line + ": " + e);
            } catch (Throwable t) { ... }        
        }
    } catch (IOException e) {
        Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
    } finally { ... }
}

preloadClasses()方法看起来并没有很复杂,但是它要预先加载的类有多少呢?在frameworks下搜索"preloaded-classes"的文件,会发现这是一个文本文件,它里面有6558行,因此preloadClasses()方法执行的时间比较长,这也是Android系统启动慢的原因之一。说明:preloaded-class文件由frameworks/base/tools/preload工具生成,他需要判断每个类加载的时间是否大于1250微秒,超过这个时间的类就会被写到preloaded-classes文件中,最后由Zygote预加载。在UI编程中常使用的com.android.R.XXX资源是系统默认的资源,它们就是由zygote加载的。

  1. 启动system_server
    forkSystemServer()方法会创建Java世界中系统Service所驻留的进程system_server,该进程是frameworks的核心,如果它死了,就会导致Zygote自杀。
private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,
        ZygoteServer zygoteServer) {
    long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(
        OsConstants.CAP_IPC_LOCK,
        OsConstants.CAP_KILL,
        OsConstants.CAP_NET_ADMIN,
        OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,
        OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,
        OsConstants.CAP_NET_RAW,
        OsConstants.CAP_SYS_MODULE,
        OsConstants.CAP_SYS_NICE,
        OsConstants.CAP_SYS_PTRACE,
        OsConstants.CAP_SYS_TIME,
        OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG,
        OsConstants.CAP_WAKE_ALARM,
        OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND
    );
    /* Containers run without some capabilities, so drop any caps that are not available. */
    StructCapUserHeader header = new StructCapUserHeader(
            OsConstants._LINUX_CAPABILITY_VERSION_3, 0);
    StructCapUserData[] data;
    try {
        data = Os.capget(header);
    } catch (ErrnoException ex) {
        throw new RuntimeException("Failed to capget()", ex);
    }
    capabilities &= ((long) data[0].effective) | (((long) data[1].effective) << 32);

    /* Hardcoded command line to start the system server */
    //启动system_server的参数
    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",
        "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
        "--nice-name=system_server",
        "--runtime-args",
        "--target-sdk-version=" + VMRuntime.SDK_VERSION_CUR_DEVELOPMENT,
        "com.android.server.SystemServer",
    };
    ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;

    int pid;

    try {
        //把上面字符串数组参数转换成Arguments对象
        parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
        ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
        ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

        boolean profileSystemServer = SystemProperties.getBoolean(
                "dalvik.vm.profilesystemserver", false);
        if (profileSystemServer) {
            parsedArgs.runtimeFlags |= Zygote.PROFILE_SYSTEM_SERVER;
        }

        /* Request to fork the system server process */
        //请求fork一个system_server进程
        pid = Zygote.forkSystemServer(
                parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                parsedArgs.gids,
                parsedArgs.runtimeFlags,
                null,
                parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    }

    /* For child process */
    //如果pid为零,则表示处于子进程中,也就是system_server进程中
    if (pid == 0) {
        if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }

        zygoteServer.closeServerSocket();
        //system_server进程的工作
        return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }

    return null;
}
  1. handleSystemServerProcess()
    在handleSystemServerProcess()方法中创建了PathClassLoader,相当于可以动态加载JAR/ZIP/APK,最后调用ZygoteInit.zygoteInit()方法。
private static Runnable handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) {
    ...
    if (parsedArgs.invokeWith != null) {
        String[] args = parsedArgs.remainingArgs;
        // If we have a non-null system server class path, we'll have to duplicate the
        // existing arguments and append the classpath to it. ART will handle the classpath
        // correctly when we exec a new process.
        if (systemServerClasspath != null) {
            String[] amendedArgs = new String[args.length + 2];
            amendedArgs[0] = "-cp";
            amendedArgs[1] = systemServerClasspath;
            System.arraycopy(args, 0, amendedArgs, 2, args.length);
            args = amendedArgs;
        }

        WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
                parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
                VMRuntime.getCurrentInstructionSet(), null, args);

        throw new IllegalStateException("Unexpected return from WrapperInit.execApplication");
    } else {
        ClassLoader cl = null;
        if (systemServerClasspath != null) {
            //创建了PathClassLoader,相当于可以动态加载JAR/ZIP/APK
            cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion);

            Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
        }

        /*
         * Pass the remaining arguments to SystemServer.
         */
        return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
    }

    /* should never reach here */
}
  1. 接下来看看zygoteInit()方法
    在zygoteInit()方法中调用Native()方法启动Binder线程池,使得SystemServer能够与其它进程进行通信。然后调用了applicationInit()传入类名等参数给findStaticMain()方法。
public static final Runnable zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader) {
    if (RuntimeInit.DEBUG) {
        Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
    }

    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
    RuntimeInit.redirectLogStreams();
 
    RuntimeInit.commonInit();
    //Native方法,启动Binder线程池,使得SystemServer能够与其它进程进行通信
    ZygoteInit.nativeZygoteInit();
    return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}
  1. findStaticMain()方法
    在findStaticMain()方法中通过反射获得SystemServer的main()方法和参数,并返回一个MethodAndArgsCaller对象。
protected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
        ClassLoader classLoader) {
    Class<?> cl;

    try {
        //通过反射得到SystemServer类
        //className是通过AMS等其它地方传递过来得,并不是唯一
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing class when invoking static main " + className,
                ex);
    }

    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
    } catch (NoSuchMethodException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing static main on " + className, ex);
    } catch (SecurityException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Problem getting static main on " + className, ex);
    }

    int modifiers = m.getModifiers();
    if (! (Modifier.isStatic(modifiers) && Modifier.isPublic(modifiers))) {
        throw new RuntimeException(
                "Main method is not public and static on " + className);
    }

    /*
     * This throw gets caught in ZygoteInit.main(), which responds
     * by invoking the exception's run() method. This arrangement
     * clears up all the stack frames that were required in setting
     * up the process.
     */
    //将SystemServer的main()方法和参数传入MethodAndArgsCaller
    //然后在ZygoteInit.main()中调用其run()方法。
    return new MethodAndArgsCaller(m, argv);
}
  1. MethodAndArgsCaller.run()
    在MethodAndArgsCaller.run()方法调用调用了mMethod.invoke()方法来启动SystemServer的main()方法,至此,SystemServer的启动流程就结束了。
public void run() {
    try {
        mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
    } catch (IllegalAccessException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    } catch (InvocationTargetException ex) {
        Throwable cause = ex.getCause();
        if (cause instanceof RuntimeException) {
            throw (RuntimeException) cause;
        } else if (cause instanceof Error) {
            throw (Error) cause;
        }
        throw new RuntimeException(ex);
    }
}
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