Android启动过程-万字长文(Android14)
在
计算机启动过程
和Linux内核Kernel启动过程
介绍了计算机启动和内核加载,本篇文章主要介绍Android系统是如何启动的。
一、Android启动流程
Android系统的启动流程与Linux接近:
- 1.引导加载程序(Bootloader)启动: 当设备上电或者重启时,首先会由引导加载程序负责启动。引导加载程序通常存储在设备的固件中,它的主要任务是初始化硬件,并加载并启动操作系统内核。引导加载程序会首先运行自身的初始化代码,然后加载操作系统内核到内存中。
- 2.内核加载: 引导加载程序会根据预定义的配置从设备存储中加载操作系统内核。在Android设备中,通常使用的是Linux内核。引导加载程序将内核加载到内存中的指定位置。
- 3.内核初始化: 一旦内核加载到内存中,引导加载程序会将控制权转交给内核。内核开始执行初始化过程,包括对硬件进行初始化、建立虚拟文件系统、创建进程和线程等。
- 4.启动 init 进程: 内核初始化完成后,会启动名为init的用户空间进程。init进程是Android系统的第一个用户空间进程,它负责系统的进一步初始化和启动。init进程会读取系统配置文件(例如 init.rc),并根据其中的指令启动系统服务和应用程序。
- 5.启动 Zygote 进程: 在init进程启动后,会启动名为Zygote的进程。Zygote进程是Android应用程序的孵化器,它会预加载常用的Java类和资源,以加速应用程序的启动。
- 6.启动系统服务: 在Zygote进程启动后,还会启动一系列系统服务,例如SurfaceFlinger、ActivityManager、PackageManager等。这些系统服务负责管理系统的各个方面,包括显示、应用程序生命周期、包管理等。
- 7.启动桌面程序: 一旦系统服务启动完成,Android系统就处于可用状态。就会启动桌面程序,用户可以开始启动应用程序并使用设备进行各种操作了。
在计算机启动过程
和Linux内核Kernel启动过程
已经介绍了计算机启动和内核加载,所以本篇文章从Zygote进程
开始介绍。
二、Zygote进程(孵化器进程)
1.Zygote简介
- Zygote进程是一个用户进程,由init进程(1号进程)fork而来。
- Zygote进程的主要任务是加载系统的核心类库(如Java核心库和Android核心库)和安卓系统服务(SystemService),然后进入一个循环,等待请求来创建新的 Android 应用程序进程。
- Zygote进程通过fork的方式创建新的应用程序进程。
2.Zygote进程的创建
Zygote进程在系统启动时由init进程创建。init进程是Linux系统中的第一个用户空间进程,它通过解析init.rc文件来启动各种服务和进程,包括Zygote。具体流程如下:
2.1 启动init进程:
- 系统启动后,内核会加载并运行
init进程
。 init进程
读取并解析init.rc
配置文件。
init进程的启动可参考Linux内核Kernel启动过程
2.2 init.rc
脚本:
init.rc
文件中包含启动Zygote的指令脚本的主要代码:
// 创建zygote服务 service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server class main // 创建zygote socket,与系统和应用程序做通信 socket zygote stream 660 root system // 定义了zygote服务重启时的一些操作 onrestart write /sys/android_power/request_state wake onrestart write /sys/power/state on onrestart restart media onrestart restart netd
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server:
- service zygote: 定义一个名为zygote的服务
- /system/bin/app_process:这是启动Zygote进程的可执行文件,64位系统为
app_process64
。 - -Xzygote:标志表明这是一个Zygote进程启动的特殊模式。
- /system/bin:指定进程的工作目录。
- --zygote:告诉app_process以Zygote模式启动。
- --start-system-server:Zygote启动时还要启动System Server进程,这是Android系统中管理关键系统服务的核心进程。
class main:
- 将Zygote服务归类为main类别。
- Android系统在启动过程中会启动所有“main”类别的服务。
socket zygote stream 660 root system:
创建了一个名为zygote的UNIX域Socket套接字,用于其他进程与Zygote进程通信。
onrestart write /sys/android_power/request_state wake:
当zygote服务重启时,系统应该将“/sys/android_power/request_state”文件的内容设置为“wake”,以唤醒设备。
onrestart write /sys/power/state on:
当zygote服务重启时,系统应该将“/sys/power/state”文件的内容设置为 “on”,以打开电源。
onrestart restart media:
当zygote服务重启时,系统应该重启媒体服务(如音频、视频等),以恢复媒体功能。
onrestart restart netd:
当zygote服务重启时,系统应该重启网络守护进程(netd),以恢复网络功能。
2.3 app_process
文件
/system/bin/app_process是Android中的一个关键可执行文件,负责启动Zygote进程和应用进程。
2.3.1 main
方法
app_process
主入口点是main
方法,它是整个进程启动流程的起点。以下是其主要代码和解释:
以下是关键代码说明:
int main(int argc, char* const argv[]) { // 创建并初始化AppRuntime对象runtime AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv)); // 初始化参数zygote,startSystemServer,application,niceName,className // 代码见源码,此处略 // 解析命令行参数 // 代码见源码,此处略 // 构建传递给 Java 初始化类的参数列表 // 代码见源码,此处略 if (zygote) { // 调用AppRuntime的start方法,开始加载ZygoteInit类 runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote); } else if (!className.isEmpty()) { runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote); } else { fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n"); app_usage(); LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied."); } }
2.3.2 AppRuntime
类(AndroidRuntime)
AppRuntime继承自AndroidRuntime(ART),是Android中的一个关键类,负责管理和启动 Android 应用程序或系统服务的 Java 虚拟机 (JVM)。
2.3.2.1 AndroidRuntime
类的start
方法
app_process
的main方法调用了AppRuntime
的start方法,也就是AppRuntime
的父类AndroidRuntime
的start方法
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote) { // 初始化Java Native Interface (JNI)。JNI是Java和C/C++之间的接口,它允许Java代码和C/C++代码相互调用 JniInvocation jni_invocation; jni_invocation.Init(NULL); JNIEnv* env; // JNIEnv环境指针 // 初始化虚拟机 if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote, primary_zygote) != 0) { return; } // 注册JNI方法 if (startReg(env) < 0) { return; } /* * 以下代码执行后,当前线程(即运行 AndroidRuntime::start 方法的线程)将成为Java虚拟机(JVM)的主线程,并且在调用env->CallStaticVoidMethod启动指定的Java类的 main 方法后,这个方法不会返回,直到 JVM 退出为止。(官方文档说明) */ // 将"com.android.internal.os.ZygoteInit"转换为"com/android/internal/os/ZygoteInit" char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : ""); jclass startClass = env->FindClass(slashClassName); if (startClass == NULL) { // 没有找到ZygoteInit.main()方法 } else { // 通过JNI调用ZygoteInit.main()方法 jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V"); } }
- 创建虚拟机
- 注册JNI方法
- 通过JNI调用ZygoteInit.main()
3.Zygote进程
在AndroidRuntime
的start方法,通过JNI调用ZygoteInit.main(),系统第一次进入Java层(ZygoteInit是系统运行的第一个Java类),当前线程也正式成为Java虚拟机(JVM)的主线程。
3.1 ZygoteInit.main()
通过main方法完成资源预加载、启动系统服务等功能,为Launcher桌面程序做准备。
public static void main(String[] argv) { // 创建ZygoteServer ZygoteServer zygoteServer = null; ... // 预加载资源 preload(bootTimingsTraceLog); ... // 初始化ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote); ... // 通过fork的形式初始化SystemServer Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer); if (r != null) { r.run(); return; } ... // 启动Loop,监听消息 caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList); ... }
3.2 ZygoteInit.preload()预加载
通过preload方法预加载系统常用的类、资源和库,能够显著减少应用启动时的延迟,并通过共享这些预加载的内容来降低内存使用,提高系统性能。
static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) { preloadClasses(); //加载常用的Java类 preloadResources(); //加载常用的资源(如布局、图片等) preloadOpenGL(); //加载OpenGL库 preloadSharedLibraries(); //加载常用的本地共享库 preloadTextResources(); //加载常用的文本资源 ... }
3.2.1 常用类
- Android框架中的基础类,如Activity、Service、BroadcastReceiver等。
- 常用的UI组件类,如TextView、Button、ImageView等。
3.2.2 常用资源
常用布局文件(layout)。
常用图片资源(drawable)。
常用字符串(strings.xml)。
3.2.3 常用库
标准C库(libc.so)。
图形处理库(libskia.so)。
OpenGL ES库(libGLESv2.so)。
3.3 启动System Server
System Server是Android系统中的关键进程,负责启动和管理核心系统服务。
启动过程的核心代码:
public static void main(String argv[]) { // 初始化ZygoteServer ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer(); // 启动System Server if (startSystemServer) { startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer); } // 进入Zygote的主循环,等待新进程的启动请求 zygoteServer.runSelectLoop(); } private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName, ZygoteServer zygoteServer) { /* 调用native方法fork系统服务器 */ int pid = Zygote.forkSystemServer(...); if (pid == 0) { // 在子进程中执行System Server的main方法 handleSystemServerProcess(parsedArgs); } } private static void handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) { // 通过反射调用SystemServer的main方法 ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader(); Class<?> clz = cl.loadClass("com.android.server.SystemServer"); Method m = clz.getMethod("main", new Class[] { String[].class }); m.invoke(null, new Object[] { parsedArgs.remainingArgs }); }
- ZygoteServer是一个Socket,Zygote进程通过这个Socket和SystemService及其他应用程序进程做通信
- 通过fork创建的SystemServer进程是一个独立运行的进程,避免SystemServer进程受到其他进程的影响。
- 关于SystemServer,后面还会更详细的介绍
三、系统服务 System Server
在Zygote
中通过Zygote.forkSystemServer
方法创建了System Server进程,然后通过Java的反射机制
调用com.android.server.SystemServer
的main
方法来启动System Server。
3.1 SystemServer.java
在SystemServer.java
的main
方法调用了自身的run
方法,在run方法中启动了具体的系统服务,代码如下:
public static void main(String[] args) { new SystemServer().run(); } private void run() { // 初始化系统属性,时区、语言、环境等,代码略 ... // 加载本地服务 System.loadLibrary("android_servers"); ... // 初始化系统上下文 createSystemContext(); // 初始化主线模块 ActivityThread.initializeMainlineModules(); ... // 创建系统服务管理器 mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext); ... /* 启动系统服务 */ // 启动引导服务 startBootstrapServices(t); // 启动核心服务 startCoreServices(t); // 启动其他服务 startOtherServices(t); // 启动 APEX 服务 startApexServices(t); ... }
3.2 System Server启动的主要服务
以下为System Server启动的主要服务列表,具体实现可在源码中查看。
服务名称 | 功能说明 |
---|---|
Activity Manager Service (AMS) | 管理应用程序的生命周期,包括启动和停止应用、管理任务和活动栈、处理广播等 |
Package Manager Service (PMS) | 管理应用包的安装、卸载、更新、权限分配等 |
System Config Service | 管理系统配置和资源 |
Power Manager Service | 管理设备的电源状态和电源策略,如休眠、唤醒等 |
Display Manager Service | 管理显示设备,如屏幕亮度、显示模式等 |
User Manager Service | 管理用户账户和用户信息 |
Battery Service | 监控和管理电池状态和电池使用情况 |
Vibrator Service | 控制设备的振动功能 |
Sensor Service | 管理设备的传感器,如加速度计、陀螺仪等 |
Window Manager Service (WMS) | 管理窗口和显示内容,包括窗口的创建、删除、布局等 |
Input Manager Service | 管理输入设备,如触摸屏、键盘等 |
Alarm Manager Service | 提供定时任务调度功能 |
Connectivity Service | 管理网络连接,如 Wi-Fi、移动数据等 |
Network Management Service | 管理网络接口和网络连接 |
Telephony Registry | 管理电话和短信服务 |
Input Method Manager Service (IMMS) | 管理输入法框架 |
Accessibility Manager Service | 管理无障碍服务,为有特殊需要的用户提供辅助功能 |
Mount Service | 管理存储设备的挂载和卸载 |
Location Manager Service | 管理位置服务,如 GPS 和网络定位 |
Search Manager Service | 管理系统搜索功能 |
Clipboard Service | 管理剪贴板功能 |
DevicePolicy Manager Service | 管理设备的安全策略和企业管理功能 |
Status Bar Service | 管理状态栏显示和操作 |
Wallpaper Manager Service | 管理壁纸设置和操作 |
Media Router Service | 管理媒体设备路由 |
在系统服务全部启动完成后,就开始启动系统桌面程序Launcher了。
四、桌面程序Launcher
- SystemServer 启动所有服务: SystemServer类在run方法中调用startOtherServices方法,启动其他系统服务,包括ActivityManagerService。
- ActivityManagerService准备系统: ActivityManagerService 在systemReady方法中调用mAtmInternal.startHomeOnAllDisplays方法,开始在所有显示器上启动桌面程序。
- ActivityTaskManagerService启动: Home Activity:ActivityTaskManagerService 调用RootWindowContainer的startHomeOnAllDisplays方法。
- RootWindowContainer循环所有显示器: RootWindowContainer 遍历每个显示器,并调用startHomeOnDisplay方法。
- 启动Home Activity: 在每个显示器上,通过TaskDisplayArea调用ActivityStartController的startHomeActivity方法,最终调用ActivityManagerService的startActivity方法启动Home Activity。
- Home应用启动: ActivityManagerService处理启动请求,启动Home应用的Activity展示桌面界面。
核心代码流转:
4.1 SystemServer.java
private void run() { ... // 启动其他服务 startOtherServices(t); ... } private void startOtherServices(@NonNull TimingsTraceAndSlog t) { ... // 启动ActivityManagerService mActivityManagerService = mSystemServiceManager.startService( ActivityManagerService.Lifecycle.class).getService(); ... // 启动Launcher mActivityManagerService.systemReady(...) ... }
4.2 桌面程序Launcher(Home)的启动流程
4.2.1 ActivityManagerService.java
public void systemReady(final Runnable goingCallback, TimingsTraceAndSlog t) { ... // 在所有显示器上启动Launcher mAtmInternal.startHomeOnAllDisplays(currentUserId, "systemReady"); ... }
- 此行代码最终会调用到
ActivityTaskManagerService.java
的startHomeOnAllDisplays
方法
4.2.2 ActivityTaskManagerService.java
void startHomeOnAllDisplays(int userId, String reason) { synchronized (mGlobalLock) { // 在所有显示器上启动Launcher return mRootWindowContainer.startHomeOnAllDisplays(userId, reason); } }
- 此行代码最终会调用到
RootWindowContainer.java
的startHomeOnAllDisplays
方法
4.2.3 RootWindowContainer.java
boolean startHomeOnAllDisplays(int userId, String reason) { boolean homeStarted = false; for (int i = getChildCount() - 1; i >= 0; i--) { final int displayId = getChildAt(i).mDisplayId; // 在每一个显示器上启动桌面程序 homeStarted |= startHomeOnDisplay(userId, reason, displayId); } return homeStarted; } boolean startHomeOnDisplay(int userId, String reason, int displayId) { return startHomeOnDisplay(userId, reason, displayId, false, false); } boolean startHomeOnDisplay(int userId, String reason, int displayId, boolean allowInstrumenting, boolean fromHomeKey) { ... // 调用startHomeOnTaskDisplayArea return display.reduceOnAllTaskDisplayAreas((taskDisplayArea, result) -> result | startHomeOnTaskDisplayArea(userId, reason, taskDisplayArea, allowInstrumenting, fromHomeKey),false); } boolean startHomeOnTaskDisplayArea(int userId, String reason, TaskDisplayArea taskDisplayArea, boolean allowInstrumenting, boolean fromHomeKey) { ... Intent homeIntent = mService.getHomeIntent(); mService.getActivityStartController().startHomeActivity(homeIntent, aInfo, myReason, taskDisplayArea); ... return true; }
- 最终通过Intent和startHomeActivity方法启动了桌面程序
五、总结
通过上述介绍,从用户按下电源键开始,经过Bootloader启动、内核启动、init进程启动、Zygote进程启动、SystemServer进程启动,以及系统应用的启动,最终进入桌面环境。
每个阶段都的核心工作:
-
Bootloader启动:初始化硬件并加载内核。
-
内核启动:内核是操作系统的核心,负责管理系统资源和硬件设备。
-
init进程启动:init进程通过解析init.rc文件来启动和配置系统服务。
-
Zygote进程启动:Zygote是Android系统的独有设计,负责创建应用进程。通过预加载资源和共享内存,Zygote大大提高了应用启动的速度和系统资源的利用率。
-
SystemServer进程启动:SystemServer进程启动了大量系统服务,如Activity Manager和Package Manager等,这些服务构成了Android系统的骨干,管理和协调应用的运行。
-
启动系统应用:Launcher应用的启动标志着系统启动的完成。用户进入桌面,可以开始正常使用设备。
通过深入理解Android的启动流程,可以更有效地进行系统开发和维护,从而提供更高性能和更稳定的用户体验。
如有任何疑问或建议,欢迎留言讨论。
【推荐】编程新体验,更懂你的AI,立即体验豆包MarsCode编程助手
【推荐】凌霞软件回馈社区,博客园 & 1Panel & Halo 联合会员上线
【推荐】抖音旗下AI助手豆包,你的智能百科全书,全免费不限次数
【推荐】博客园社区专享云产品让利特惠,阿里云新客6.5折上折
【推荐】轻量又高性能的 SSH 工具 IShell:AI 加持,快人一步
· 一个费力不讨好的项目,让我损失了近一半的绩效!
· 实操Deepseek接入个人知识库
· CSnakes vs Python.NET:高效嵌入与灵活互通的跨语言方案对比
· 【.NET】调用本地 Deepseek 模型
· Plotly.NET 一个为 .NET 打造的强大开源交互式图表库