Android开机启动过程分析

首先android是基于Linux的内核，只有先加载了kernel才能启动安卓，对于Linux来说android只是其上的一个应用程序。Android的启动大致可以形象的划分为三个过程：

Init->init.rc->zygote。从事嵌入式开发的人都知道，Linux加载完内核驱动后会挂载‘/’根文件系统，挂载完成后会执行‘/init’二进制程序，这也是内核启动后执行的第一个用户程序，android里面也是这样。这个程序的main函数位于android/system/core/init/init.c中，作为一个操作系统，初始化一般要完成以下几个工作：

1.创建需要的目录，挂载文件系统，输入和读取文件硬盘数据。

2.装载和设定全局的环境变量，为程序的运行搭建好必要的环境。

3.对于android来说，还需要运行Java虚拟机，这是安卓特有的跨平台特性。

4.加载和运行Framework框架，加载窗口桌面程序，也就是系统的GUI，最后将控制权交给用户后算启动完成。

根文件“/init”程序分析：

源码可以看出，init首先会创建一些必需的目录，如‘/dev’、‘/proc’、‘/sys’等。然后将设备mount到该目录下，mount完成后才可以创建设备节点。例如：

<span style="white-space:pre"></span>mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");<span style="white-space:pre"></span>mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);<span style="white-space:pre"></span>mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);

创建串口输出节点，串口重定向输出：

open_devnull_stdio();

在klog_init函数中创建了"/dev/__kmsg__"节点，之后很快unlink掉了，该函数复制了一份串口输出日志，日志包括从kernel启动到android初始化之间的打印信息，通过dmesg命令就可以打印出来。

 

其中还有如下代码：

property_init();该函数主要是加载一些默认的property属性，这些属性存在于build.prop，default.prop文件中。

get_hardware_name(hardware, &revision);该函数用于从"/proc/cpuinfo"节点中获取cpu的硬件和版本信息，将这些信息写入prop属性变量中。

process_kernel_cmdline();从节点“/proc/cmdline”中获取bootargs的环境变量，并设置到全局变量中以便后续使用。

 

在程序中系统会读取和解析init.rc文件，这个文件中更像是一些命令集合，但是程序并没有立即执行这些命令。而是先解析出来，按照一定规则进行整理放入一个链表中，init.rc中的命令并不是像shell一样是一个直接的执行命令，而是有一个内部的映射，这些映射存在于init/keywords.h文件中，例如：

KEYWORD(mkdir,       COMMAND, 1, do_mkdir)；

KEYWORD(mount,       COMMAND, 3, do_mount)；

KEYWORD(rm,          COMMAND, 1, do_rm);

KEYWORD(rmdir,       COMMAND, 1, do_rmdir);

mkdir是rc中的命令，但do_mkdir才是真正的命令执行实体。

在init的后面有一个for循环，命令的执行是在其中完成的：
    for(;;) {

        execute_one_command();

        restart_processes();

        。。。。。。。。。。。。。。。

}其中execute_one_command会将命令提取出来，一条接一条的进行执行。命令中如果注册了一个service，那么它如果执行失败了，也还可以进行重新启动执行。

Service往往是单独的进程进行执行的，这些程序执行成功与否是系统关心的问题，系统需要监管这些进程，所以注册了一个信号处理函数handle_signal。如果子进程出现错误比如内存溢出等，这时会触发一个信号量，父进程在接收到该信号量后会到handle_signal中进行处理，父进程的有效管理，使得这些进程避免变成“野进程”或者“僵尸进程”。信号处理函数wait_for_one_process中，如果等待的进程程序出错或者超时会有“waitpid returned pid %d, status = %08x\”的打印，平时如果某个service出错反复执行时就会有该打印。直到所有的service成功启动后，init才会正常退出for循环。

Init.rc初始化文件分析：

分析init.rc文件，通过该文件可以知道系统都做了哪些事情，比如其中的几个关键命令：

on property:ro.debuggable=1

start console

这种语句表示系统会读取prop属性(全局注册表)中的值，如果property:ro.debuggable=1则执行条件以下的语句start console，所以打开android的打印串口是在这地方做的。

sysclktz 0    

设置时区。

loglevel 3

设置log等级。

on property:ro.kernel.qemu=1

    start adbd

根据build.prop中的该属性设置决定是否启动远程调试adbd。

service bootanim /system/bin/bootanimation

启动开机动画。

如果留意，Init.rc中会有一个以on开头后面跟一个字段的关键字，如：

on early-init  这种关键字和上面的prop后面跟着一个值的方式不相同。它主要用于表示android的启动阶段，init在加载这些命令时并不是按照从文件头到文件尾的方式，而是寻找这些关键字，按照启动顺序依次加载，执行时也按照这个顺序执行，例如这些阶段还有：

early-init、init、early-fs、early-boot、boot等。

在init.rc中还有一个很关键的阶段字，代码如下：
on emmc-fs

mount ext4 ext4@system /system ro

 mount ext4 ext4@userdata /data nosuid nodev

mount ext4 ext4@cache /cache nosuid nodev

这几条命令的意思是将@system分区，以ext4的文件系统格式挂载到根目录/system下，ro表示只读的意思。emmc-fs阶段要开始于其它的阶段，因为只有将系统的核心目录挂载了，才能进行后续操作。Init.rc除了支持emmc，还支持nand，决定用哪一个是系统自动识别完成的，代码如下：  

       if ( check_flash_type() == NAND_TYPE) {

            action_for_each_trigger("fs", action_add_queue_tail);

        }

        else if ( check_flash_type() == EMMC_TYPE) {

            action_for_each_trigger("emmc-fs", action_add_queue_tail);

        }

通过检查bootargs中的关键字“hinand”或者“mmcblk”知道flash的类型。

rc文件中有一个核心的关键字service，使用该关键字就是要把其后的命令扩展为一个服务，这个关键字的规则也是最复杂的，例如下面这条命令：

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server

    class main

    socket zygote stream 660 root system

    onrestart write /sys/android_power/request_state wake

    onrestart write /sys/power/state on

    onrestart restart media

    onrestart restart netd

这条命令使用service指令告诉系统将zygote加入到系统服务中，service的语法为：

service service_name 可执行程序路径 可执行程序的入口参数

/system/bin/app_process为实际可执行的程序，后面‘-’为执行的参数。socket用于服务所使用到的socket，后面参数依次为名称、类型、端口、地址。onrestart命令指定该服务重启的条件，即当满足这些条件后，zygote服务就需要重启；当然这些都是一些异常条件，也就是说如果media或者netd发生异常重启时，zgote就需要重启。

如果sevices中有oneshot关键字，则表示该service只执行一次，例如：

service bootanim /system/bin/bootanimation

    class main

    user root

    group graphics

    disabled

    oneshot

表示开机动画执行一次，disabled表示如果出错或超时不会再次执行，更多具体的命令可参照init.rc文件。

Zygote卵孵化器分析：

从上面的分析可以看出，到目前为止都没有真正涉及到android的东西，如果没有zygote那么安卓顶多算一个linux系统。Zygote进程是所有APK应用的父进程，其它进程都是由该进程孵化产生的，所以将其拟化为一个孵化器。通过android系统的虚拟机可以加载Java的开发环境，从功能上来说，Java语言更类似于Shell和Base语言(属于伪代码)，与硬件打交道的任务交给了虚拟机去完成。虚拟机的任务就是屏蔽平台的差异属性，使得同一份Java语言可以同时运行于X86平台和ARM平台。Java语言另外的优势是面向对象，在应用开发方面比C语言更好用，缺点是运行效率比C差。

Zygote的实际执行程序是/system/bin/app_process，app_process的代码位于frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp中。

分析app_main.cpp的代码，app_process会在AndroidRuntime.startVm函数中创建第一个虚拟机：

if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {

        ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");

        goto bail;

    }

同时app_process启动后会装载与framework的相关类以及resource资源，检查/system/framework/下的jar包，将其中的jar文件通过dexopt优化变为dex文件，同时安装到/data/dalvik-cache/目录中，这样下一次执行时直接到该目录下寻找。最后启动两个核心的类ZygoteInit.java和SystemServer.java类，这两个类都是以两个单独的进程启动的。SystemServer进程是Android系统的神经中枢，安卓应用直接交互的大部分系统服务都是在该进程中运行的，最关键的有：WindowManagerServer(Wms)、ActivityManagerSystemService（AmS）、PackageManagerServer(PmS)等，这些服务都是在该进程中以线程的方式启动的。

PackagemanagerService主要用来管理apk，该服务会解析apk中的组件，例如Activiey、Service等。系统初始化时会遍历/system/app/和/data/app/目录，将apk以包名的形式拷贝到/data/data/<pkgName>目录下，将apk中的class文件保存到/data/dalvik-cache/目录下，同时以相应的apk进行命名。服务利用PackageParser类解析apk中的AndroidManifest.xml文件获取包的一些信息，并将这些信息保存到/data/system/packages.xml和packages.list中，以便系统后续使用。这些信息应该只会读取一次，下次启动后会检查是否有更新？如果没有就使用上一次的文件。

第一次开机时该服务还会去创建一些目录，如/data/目录下的data、app-asec、app-lib、app-private等。同时解析/system/etc/permissions/platform.xml文件，知道系统都定义了哪些系统权限以及该权限对应可执行程序的uid。当用户安装应用时会弹出一个应用要求的权限，这些权限都是在这里定义的。从以上的步骤可以看出，第一次开机会做很多工作，这也就是为什么android系统第一次启动都会很慢的原因。

启动第一个Activity：

当所有的线程服务都启动完成后，其中的ActivityManagerService(AmS)服务会去检测其它服务是否完成，这个是通过调用systemReady()函数来完成的，最后会执行如下代码：

mMainStack.resumeTopActivityLocked(null);

也就是说AmS会执行最顶层的TopActivity，但是第一次开机TopActivity是没有的，这时候就会有：

if (next == null) {

            // There are no more activities!  Let's just start up the

            // Launcher...

            if (mMainStack) {

                ActivityOptions.abort(options);

                return mService.startHomeActivityLocked(mCurrentUser);

            }

        }

也就是去加载HomeActivity，Android不像其它系统一样，将一个固定的Activity作为主界面程序加载，而是在AmS的starHomeActiviyLocked()中，系统发出一个catagory字段包含CATEGORY_HOME的intent。如下：

intent.setComponent(mTopComponent);

        if (mFactoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_LOW_LEVEL) {

            intent.addCategory(Intent.CATEGORY_HOME);

        }

无论是哪个应用程序，只要声明自己为该类型后，那就可以被认为是Home程序，系统并没有选取任何一个“Home”程序，而是将这个权利交给了用户，用户的选择决定了系统启动的Home，这个就是第一个启动的Acivity(当用户使用安卓系统启动后，会有一个选取界面的操作框，通过按键用户可以选取合适的Activity作为主界面)。当AmS要启动一个activity时，需要根据intent携带的activity名称，调用内部的PackageManager查询该名称对应的具体信息，如果存在就启动activity，否则返回失败。

当系统的Lancher界面启动呈现完成后，系统的启动也就算完成了。

【本代码基于android4.2源码进行分析】