图解 | 一图摸清Android应用进程的启动

一图摸清Android应用进程的启动~

大纲：

• 简要回顾
• AMS发送socket请求
• Zygote处理socket请求
• 启动binder线程池
• 总结
• 细节补充
• 参考资料

本文约2.5k字，阅读大约11分钟。

Android源码基于8.0。

简要回顾

先回顾一下Android系统的启动过程：

init进程fork出Zygote进程后，Zygote进程会创建一个服务端socket，等待AMS发起socket请求。

同时，由Zygote进程fork出的SystemServer进程会启动各项系统服务，其中就包含了AMS，AMS会启动Launcher桌面，此时就可以等待用户点击App图标来启动应用进程了。

然后看下系统服务的启动，不管是由init进程启动的独立进程的系统服务如SurfaceFlinger，还是由SystemServer进程启动的非独立进程的系统服务如AMS，都是在ServiceManager进程中完成注册和获取的，在跨进程通信上使用了Android的binder机制。

ServiceManager进程本身也是一个系统服务，经过启动进程、启动binder机制、发布自己和等待请求4个步骤，就可以处理其他系统服务的获取和注册需求了。

AMS发送socket请求

Android应用进程的启动是被动式的，在Launcher桌面点击图标启动一个应用的组件如Activity时，如果Activity所在的进程不存在，就会创建并启动进程。

点击App图标后经过层层调用会来到ActivityStackSupervisor的startSpecificActivityLocked方法，

//ActivityStackSupervisor.java
final ActivityManagerService mService;

void startSpecificActivityLocked(...) {
    //查找Activity所在的进程，ProcessRecord是用来封装进程信息的数据结构
    ProcessRecord app = mService.getProcessRecordLocked(...);
    //如果进程已启动，并且binder句柄IApplicationThread也拿到了，那就直接启动Activity
    if (app != null && app.thread != null) {
        realStartActivityLocked(r, app, andResume, checkConfig);
        return;
    }
    //否则，让AMS启动进程
    mService.startProcessLocked(...);
}

app.thread并不是线程，而是一个binder句柄。应用进程使用AMS需要拿到AMS的句柄IActivityManager，而系统需要通知应用和管理应用的生命周期，所以也需要持有应用进程的binder句柄IApplicationThread。

也就是说，他们互相持有彼此的binder句柄，来实现双向通信。

那IApplicationThread句柄是怎么传给AMS的呢？

Zygote进程收到socket请求后会处理请求参数，执行ActivityThread的入口函数main，

//ActivityThread.java
public static void main(String[] args) {
    //创建主线程的looper
    Looper.prepareMainLooper();
    //ActivityThread并不是线程，只是普通的java对象
    ActivityThread thread = new ActivityThread();
    //告诉AMS，应用已经启动好了
    thread.attach(false);
    //运行looper，启动消息循环
    Looper.loop();
}

private void attach(boolean system) {
    //获取AMS的binder句柄IActivityManager
    final IActivityManager mgr = ActivityManager.getService();
    //告诉AMS应用进程已经启动，并传入应用进程自己的binder句柄IApplicationThread
    mgr.attachApplication(mAppThread);
}

所以对于AMS来说，

1. AMS向Zygote发起启动应用的socket请求，Zygote收到请求fork出进程，返回进程的pid给AMS；
2. 应用进程启动好后，执行入口main函数，通过attachApplication方法告诉AMS已经启动，同时传入应用进程的binder句柄IApplicationThread。

完成这两步，应用进程的启动过程才算完成。

下面看AMS的startProcessLocked启动应用进程时都做了些什么。

//ActivityManagerService.java
final ProcessRecord startProcessLocked(...){
    ProcessRecord app = getProcessRecordLocked(processName, info.uid, keepIfLarge);
    //如果进程信息不为空，并且已经拿到了Zygote进程返回的应用进程pid
    //说明AMS已经请求过了，并且Zygote已经响应请求然后fork出进程了
    if (app != null && app.pid > 0) {
        //但是app.thread还是空，说明应用进程还没来得及注册自己的binder句柄给AMS
        //即此时进程正在启动，那就直接返回，避免重复创建
        if (app.thread == null) {
            return app;
        }
    }
    //调用重载方法
    startProcessLocked(...);
}

之所以要判断app.thread，是为了避免当应用进程正在启动的时候，假如又有另一个组件需要启动，导致重复拉起（创建）应用进程。

继续看重载方法startProcessLocked，

//ActivityManagerService.java
private final void startProcessLocked(...){
    //应用进程的主线程的类名
    if (entryPoint == null) entryPoint = "android.app.ActivityThread";
    ProcessStartResult startResult = Process.start(entryPoint, ...);
}

//Process.java
public static final ProcessStartResult start(...){
    return zygoteProcess.start(...);
}

来到ZygoteProcess，

//ZygoteProcess.java
public final Process.ProcessStartResult start(...){
    return startViaZygote(...);
}

private Process.ProcessStartResult startViaZygote(...){
    ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();
    //...处理各种参数
    return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
}

其中：

1. openZygoteSocketIfNeeded打开本地socket
2. zygoteSendArgsAndGetResult发送请求参数，其中带上了ActivityThread类名
3. return返回的数据结构ProcessStartResult中会有pid字段

梳理一下：

注意：Zygote进程启动时已经创建好了虚拟机实例，所以由他fork出的应用进程可以直接继承过来用而无需创建。

下面来看Zygote是如何处理socket请求的。

Zygote处理socket请求

从 图解Android系统的启动 一文可知，在ZygoteInit的main函数中，会创建服务端socket，

//ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
    //Server类，封装了socket
    ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
    //创建服务端socket，名字为socketName即zygote
    zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
    //进入死循环，等待AMS发请求过来
    zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
}

看到ZygoteServer，

//ZygoteServer.java
void registerServerSocket(String socketName) {
    int fileDesc;
    //socket真正的名字被加了个前缀，即 "ANDROID_SOCKET_" + "zygote"
    final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;

    String env = System.getenv(fullSocketName);
    fileDesc = Integer.parseInt(env);

    //创建文件描述符fd
    FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
    fd.setInt$(fileDesc);
    //创建LocalServerSocket对象
    mServerSocket = new LocalServerSocket(fd);
}

void runSelectLoop(String abiList){
    //进入死循环
    while (true) {
        for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
            if (i == 0) {
                //...
            } else {
                //得到一个连接对象ZygoteConnection，调用他的runOnce
                boolean done = peers.get(i).runOnce(this);
            }
        }
    }
}

来到ZygoteConnection的runOnce，

//ZygoteConnection.java
boolean runOnce(ZygoteServer zygoteServer){
    //读取socket请求的参数列表
    String args[] = readArgumentList();
    //创建应用进程
    int pid = Zygote.forkAndSpecialize(...);
    if (pid == 0) {
        //如果是应用进程(Zygote fork出来的子进程)，处理请求参数
        handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
        return true;
    } else {
        return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
    }
}

handleChildProc方法调用了ZygoteInit的zygoteInit方法，里边主要做了3件事：

1. 启动binder线程池（后面分析）
2. 读取请求参数拿到ActivityThread类并执行他的main函数，执行thread.attach告知AMS并回传自己的binder句柄
3. 执行Looper.loop()启动消息循环（代码前面有）

这样应用进程就启动起来了。梳理一下，

下面看下binder线程池是怎么启动的。

启动binder线程池

Zygote的跨进程通信没有使用binder，而是socket，所以应用进程的binder机制不是继承而来，而是进程创建后自己启动的。

前边可知，Zygote收到socket请求后会得到一个ZygoteConnection，他的runOnce会调用handleChildProc，

//ZygoteConnection.java
private void handleChildProc(...){
    ZygoteInit.zygoteInit(...);
}

//ZygoteInit.java
public static final void zygoteInit(...){
    RuntimeInit.commonInit();
    //进入native层
    ZygoteInit.nativeZygoteInit();
    RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}

来到AndroidRuntime.cpp，

//AndroidRuntime.cpp
static void com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz){
    gCurRuntime->onZygoteInit();
}

来到app_main.cpp，

//app_main.cpp
virtual void onZygoteInit()
{
    //获取单例
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    //在这里启动了binder线程池
    proc->startThreadPool();
}

看下ProcessState.cpp，

//ProcessState.cpp
sp<ProcessState> ProcessState::self()
{
    //单例模式，返回ProcessState对象
    if (gProcess != NULL) {
        return gProcess;
    }
    gProcess = new ProcessState("/dev/binder");
    return gProcess;
}

//ProcessState构造函数
ProcessState::ProcessState(const char *driver)
    : mDriverName(String8(driver))
        , mDriverFD(open_driver(driver)) //打开binder驱动
        ,//...
{
    if (mDriverFD >= 0) {
        //mmap是一种内存映射文件的方法，把mDriverFD映射到当前的内存空间
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, 
                        MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
    }
}

//启动了binder线程池
void ProcessState::startThreadPool()
{
    if (!mThreadPoolStarted) {
        mThreadPoolStarted = true;
        spawnPooledThread(true);
    }
}

void ProcessState::spawnPooledThread(bool isMain)
{
    if (mThreadPoolStarted) {
        //创建线程名字"Binder:${pid}_${自增数字}"
        String8 name = makeBinderThreadName();
        sp<Thread> t = new PoolThread(isMain);
        //运行binder线程
        t->run(name.string());
    }
}

ProcessState有两个宏定义值得注意一下，感兴趣可以看 一次Binder通信最大可以传输多大的数据 这篇文章，

//ProcessState.cpp
//一次Binder通信最大可以传输的大小是 1MB-4KB*2
#define BINDER_VM_SIZE ((1 * 1024 * 1024) - sysconf(_SC_PAGE_SIZE) * 2)
//binder驱动的文件描述符fd被限制了最大线程数15
#define DEFAULT_MAX_BINDER_THREADS 15

我们看下binder线程PoolThread长啥样，

class PoolThread : public Thread
{
public:
    explicit PoolThread(bool isMain)
        : mIsMain(isMain){}
protected:
    virtual bool threadLoop()
    {   //把binder线程注册进binder驱动程序的线程池中
        IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
        return false;
    }
    
    const bool mIsMain;
};

来到IPCThreadState.cpp，

//IPCThreadState.cpp
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain)
{
    //向binder驱动写数据：进入死循环
    mOut.writeInt32(isMain ? BC_ENTER_LOOPER : BC_REGISTER_LOOPER);
    status_t result;
    do {
        //进入死循环，等待指令的到来
        result = getAndExecuteCommand();
    } while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
    //向binder驱动写数据：退出死循环
    mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);
}

status_t IPCThreadState::getAndExecuteCommand()
{
    //从binder驱动读数据，得到指令
    cmd = mIn.readInt32();
    //执行指令
    result = executeCommand(cmd);
    return result;
}

梳理一下binder的启动过程：

1. 打开binder驱动
2. 映射内存，分配缓冲区
3. 运行binder线程，进入死循环，等待指令

总结

综上，Android应用进程的启动可以总结成以下步骤：

1. 点击Launcher桌面的App图标
2. AMS发起socket请求
3. Zygote进程接收请求并处理参数
4. Zygote进程fork出应用进程，应用进程继承得到虚拟机实例
5. 应用进程启动binder线程池、运行ActivityThread类的main函数、启动Looper循环

完整流程图：

可见binder用得还是非常多的，下篇就补一补binder吧~

系列文章：

• 图解 | Android系统的启动
• 图解 | 一图摸清Android系统服务

细节补充

• 抛异常清空堆栈帧：Zygote不是直接执行ActivityThread的main函数的，而是通过抛出一个异常进行捕获，捕获后再执行，这样可以清除初始化过程产生的调用堆栈，让ActivityThread的main函数看起来像个应用程序进程的入口函数。

参考资料

• 书籍 - Android进阶解密
• 博客 - 一次Binder通信最大可以传输多大的数据

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