理解Android进程创建流程

转载http://gityuan.com/2016/03/26/app-process-create/

基于Android 6.0的源码剖析， 分析Android进程是如何一步步创建的，本文涉及到的源码：

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/
    - ZygoteInit.java
    - ZygoteConnection.java
    - RuntimeInit.java
    - Zygote.java

/frameworks/base/core/java/android/os/Process.java
/frameworks/base/core/jni/com_android_internal_os_Zygote.cpp
/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
/frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp （内含AppRuntime类）

/bionic/libc/bionic/fork.cpp
/bionic/libc/bionic/pthread_atfork.cpp

/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/ZygoteHooks.java
/art/runtime/native/dalvik_system_ZygoteHooks.cc
/art/runtime/Runtime.cc
/art/runtime/Thread.cc
/art/runtime/signal_catcher.cc

一. 概述

准备知识

本文要介绍的是进程的创建，先简单说说进程与线程的区别。

进程：每个App在启动前必须先创建一个进程，该进程是由Zygote fork出来的，进程具有独立的资源空间，用于承载App上运行的各种Activity/Service等组件。进程对于上层应用来说是完全透明的，这也是google有意为之，让App程序都是运行在Android Runtime。大多数情况一个App就运行在一个进程中，除非在AndroidManifest.xml中配置Android:process属性，或通过native代码fork进程。

线程：线程对应用开发者来说非常熟悉，比如每次new Thread().start()都会创建一个新的线程，该线程并没有自己独立的地址空间，而是与其所在进程之间资源共享。从Linux角度来说进程与线程都是一个task_struct结构体，除了是否共享资源外，并没有其他本质的区别。

在接下来的文章，会涉及到system_server进程和Zygote进程，下面简要这两个进程：

• system_server进程：是用于管理整个Java framework层，包含ActivityManager，PowerManager等各种系统服务;
• Zygote进程：是Android系统的首个Java进程，Zygote是所有Java进程的父进程，包括 system_server进程以及所有的App进程都是Zygote的子进程，注意这里说的是子进程，而非子线程。

如果想更进一步了解system_server进程和Zygote进程在整个Android系统所处的地位，可查看我的另一个文章Android系统-开篇。

进程创建图

对于大多数的应用开发者来说创建线程比较熟悉，而对于创建进程并没有太多的概念。对于系统工程师或者高级开发者，还是有很必要了解Android系统是如何一步步地创建出一个进程的。先来看一张进程创建过程的简要图：

图解：

1. App发起进程：当从桌面启动应用，则发起进程便是Launcher所在进程；当从某App内启动远程进程，则发送进程便是该App所在进程。发起进程先通过binder发送消息给system_server进程；
2. system_server进程：调用Process.start()方法，通过socket向zygote进程发送创建新进程的请求；
3. zygote进程：在执行ZygoteInit.main()后便进入runSelectLoop()循环体内，当有客户端连接时便会执行ZygoteConnection.runOnce()方法，再经过层层调用后fork出新的应用进程；
4. 新进程：执行handleChildProc方法，最后调用ActivityThread.main()方法。

接下来，依次从system_server进程发起请求到Zygote创建进程，再到新进程的运行这3大块展开讲解进程创建是一个怎样的过程。

二. system_server发起请求

1. Process.start

[-> Process.java]

public static final ProcessStartResult start(final String processClass, final String niceName, int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int mountExternal, int targetSdkVersion, String seInfo, String abi, String instructionSet, String appDataDir, String[] zygoteArgs) {
    try {
         //【见小节2】
        return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids,
                debugFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,
                abi, instructionSet, appDataDir, zygoteArgs);
    } catch (ZygoteStartFailedEx ex) {
        throw new RuntimeException("");
    }
}

2. startViaZygote

[-> Process.java]

private static ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass, final String niceName, final int uid, final int gid, final int[] gids, int debugFlags, int mountExternal, int targetSdkVersion, String seInfo, String abi, String instructionSet, String appDataDir, String[] extraArgs) throws ZygoteStartFailedEx {
    synchronized(Process.class) {
        ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();

        argsForZygote.add("--runtime-args");
        argsForZygote.add("--setuid=" + uid);
        argsForZygote.add("--setgid=" + gid);
        argsForZygote.add("--target-sdk-version=" + targetSdkVersion);

        if (niceName != null) {
            argsForZygote.add("--nice-name=" + niceName);
        }
        if (appDataDir != null) {
            argsForZygote.add("--app-data-dir=" + appDataDir);
        }
        argsForZygote.add(processClass);

        if (extraArgs != null) {
            for (String arg : extraArgs) {
                argsForZygote.add(arg);
            }
        }
         //【见小节3】
        return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
    }
}

该过程主要工作是生成argsForZygote数组，该数组保存了进程的uid、gid、groups、target-sdk、nice-name等一系列的参数。

3. zygoteSendArgsAndGetResult

[-> Process.java]

private static ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult( ZygoteState zygoteState, ArrayList<String> args) throws ZygoteStartFailedEx {
    try {
        //其中zygoteState 【见小节3.1】
        final BufferedWriter writer = zygoteState.writer;
        final DataInputStream inputStream = zygoteState.inputStream;

        writer.write(Integer.toString(args.size()));
        writer.newLine();

        int sz = args.size();
        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            String arg = args.get(i);
            if (arg.indexOf('\n') >= 0) {
                throw new ZygoteStartFailedEx(
                        "embedded newlines not allowed");
            }
            writer.write(arg);
            writer.newLine();
        }

        writer.flush();

        ProcessStartResult result = new ProcessStartResult();
        //等待socket服务端（即zygote）返回新创建的进程pid;
        //对于等待时长问题，Google正在考虑此处是否应该有一个timeout，但目前是没有的。
        result.pid = inputStream.readInt();
        if (result.pid < 0) {
            throw new ZygoteStartFailedEx("fork() failed");
        }
        result.usingWrapper = inputStream.readBoolean();
        return result;
    } catch (IOException ex) {
        zygoteState.close();
        throw new ZygoteStartFailedEx(ex);
    }
}

这个方法的主要功能是通过socket通道向Zygote进程发送一个参数列表，然后进入阻塞等待状态，直到远端的socket服务端发送回来新创建的进程pid才返回。

3.1 openZygoteSocketIfNeeded

private static ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedEx {
    if (primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()) {
        try {
            //向主zygote发起connect()操作
            primaryZygoteState = ZygoteState.connect(ZYGOTE_SOCKET);
        } catch (IOException ioe) {
            ...
        }
    }

    if (primaryZygoteState.matches(abi)) {
        return primaryZygoteState;
    }

    if (secondaryZygoteState == null || secondaryZygoteState.isClosed()) {
        //当主zygote没能匹配成功，则采用第二个zygote，发起connect()操作
        secondaryZygoteState = ZygoteState.connect(SECONDARY_ZYGOTE_SOCKET);
    }

    if (secondaryZygoteState.matches(abi)) {
        return secondaryZygoteState;
    }
    ...
}

openZygoteSocketIfNeeded(abi)方法是根据当前的abi来选择与zygote还是zygote64来进行通信。

既然system_server进程的zygoteSendArgsAndGetResult()方法通过socket向Zygote进程发送消息，这是便会唤醒Zygote进程，来响应socket客户端的请求（即system_server端），接下来的操作便是在Zygote来创建进程【见小节4】

三. Zygote创建进程

文章Android系统启动-zygote篇已介绍，简单来说就是Zygote进程是由由init进程而创建的，进程启动之后调用ZygoteInit.main()方法，经过创建socket管道，预加载资源后，便进程runSelectLoop()方法。

4. ZygoteInit.main

[–>ZygoteInit.java]

public static void main(String argv[]) {
    try {
        runSelectLoop(abiList); //【见小节5】
        ....
    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run(); //【见小节16】
    } catch (RuntimeException ex) {
        closeServerSocket();
        throw ex;
    }
}

后续会讲到runSelectLoop()方法会抛出异常MethodAndArgsCaller，从而进入caller.run()方法。

5. runSelectLoop

[-> ZygoteInit.java]

private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
    ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
    //sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0]
    fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
    peers.add(null);

    while (true) {
        StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
        for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
            pollFds[i] = new StructPollfd();
            pollFds[i].fd = fds.get(i);
            pollFds[i].events = (short) POLLIN;
        }
        try {
             //处理轮询状态，当pollFds有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里
            Os.poll(pollFds, -1);
        } catch (ErrnoException ex) {
            ...
        }

        for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
            //采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行；
            // 否则进入continue，跳出本次循环。
            if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                continue;
            }
            if (i == 0) {
                //即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求；
                // 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。//【见小节5.1】
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds.
            } else {
                //i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作【见小节6】
                boolean done = peers.get(i).runOnce();
                if (done) {
                    peers.remove(i);
                    fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符
                }
            }
        }
    }
}

该方法主要功能：

• 客户端通过openZygoteSocketIfNeeded()来跟zygote进程建立连接。zygote进程收到客户端连接请求后执行accept()；然后再创建ZygoteConnection对象,并添加到fds数组列表；
• 建立连接之后，可以跟客户端通信，进入runOnce()方法来接收客户端数据，并执行进程创建工作。

5.1 acceptCommandPeer

[-> ZygoteInit.java]

private static ZygoteConnection acceptCommandPeer(String abiList) {
    try {
        return new ZygoteConnection(sServerSocket.accept(), abiList);
    } catch (IOException ex) {
        ...
    }
}

接收客户端发送过来的connect()操作，Zygote作为服务端执行accept()操作。 再后面客户端调用write()写数据，Zygote进程调用read()读数据。

没有连接请求时会进入休眠状态，当有创建新进程的连接请求时，唤醒Zygote进程，创建Socket通道ZygoteConnection，然后执行ZygoteConnection的runOnce()方法。

6. runOnce

[-> ZygoteConnection.java]

boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

    String args[];
    Arguments parsedArgs = null;
    FileDescriptor[] descriptors;

    try {
        //读取socket客户端发送过来的参数列表
        args = readArgumentList();
        descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
    } catch (IOException ex) {
        closeSocket();
        return true;
    }

    PrintStream newStderr = null;
    if (descriptors != null && descriptors.length >= 3) {
        newStderr = new PrintStream(new FileOutputStream(descriptors[2]));
    }

    int pid = -1;
    FileDescriptor childPipeFd = null;
    FileDescriptor serverPipeFd = null;

    try {
        //将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式
        parsedArgs = new Arguments(args);
        ...

        int [] fdsToClose = { -1, -1 };
        FileDescriptor fd = mSocket.getFileDescriptor();
        if (fd != null) {
            fdsToClose[0] = fd.getInt$();
        }

        fd = ZygoteInit.getServerSocketFileDescriptor();
        if (fd != null) {
            fdsToClose[1] = fd.getInt$();
        }
        fd = null;
        //【见小节7】
        pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
                parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,
                parsedArgs.appDataDir);
    } catch (Exception e) {
        ...
    }

    try {
        if (pid == 0) {
            //子进程执行
            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            serverPipeFd = null;
            //【见小节13】
            handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);

            // 不应到达此处，子进程预期的是抛出异常ZygoteInit.MethodAndArgsCaller或者执行exec().
            return true;
        } else {
            //父进程执行
            IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
            childPipeFd = null;
            return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
        }
    } finally {
        IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
        IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
    }
}

7. forkAndSpecialize

[-> Zygote.java]

public static int forkAndSpecialize(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int[][] rlimits, int mountExternal, String seInfo, String niceName, int[] fdsToClose, String instructionSet, String appDataDir) {
    VM_HOOKS.preFork(); //【见小节8】
    int pid = nativeForkAndSpecialize(
              uid, gid, gids, debugFlags, rlimits, mountExternal, seInfo, niceName, fdsToClose,
              instructionSet, appDataDir); //【见小节9】
    ...
    VM_HOOKS.postForkCommon(); //【见小节11】
    return pid;
}

VM_HOOKS是Zygote对象的静态成员变量：VM_HOOKS = new ZygoteHooks();

7.1 Zygote进程

先说说Zygote进程，如下图：

从图中可知Zygote进程有4个Daemon子线程分别是ReferenceQueueDaemon，FinalizerDaemon，FinalizerWatchdogDaemon，HeapTaskDaemon。图中线程名显示的并不完整是由于底层的进程结构体task_struct是由长度为16的char型数组保存，超过15个字符便会截断。

可能有人会问zygote64进程不是还有system_server，com.android.phone等子线程，怎么会只有4个呢？那是因为这些并不是Zygote子线程，而是Zygote的子进程。在图中用红色圈起来的是进程的VSIZE，virtual size)，代表的是进程虚拟地址空间大小。线程与进程的最为本质的区别便是是否共享内存空间，图中VSIZE和Zygote进程相同的才是Zygote的子线程，否则就是Zygote的子进程。

8. preFork

[-> ZygoteHooks.java]

 public void preFork() {
    Daemons.stop(); //停止4个Daemon子线程【见小节8.1】
    waitUntilAllThreadsStopped(); //等待所有子线程结束【见小节8.2】
    token = nativePreFork(); //完成gc堆的初始化工作【见小节8.3】
}

8.1 Daemons.stop

public static void stop() {
    HeapTaskDaemon.INSTANCE.stop(); //Java堆整理线程
    ReferenceQueueDaemon.INSTANCE.stop(); //引用队列线程
    FinalizerDaemon.INSTANCE.stop(); //析构线程
    FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.stop(); //析构监控线程
}

此处守护线程Stop方式是先调用目标线程interrrupt()方法，然后再调用目标线程join()方法，等待线程执行完成。

8.2 waitUntilAllThreadsStopped

private static void waitUntilAllThreadsStopped() {
    File tasks = new File("/proc/self/task");
    // 当/proc中线程数大于1，就出让CPU直到只有一个线程，才退出循环
    while (tasks.list().length > 1) {
        Thread.yield();
    }
}

8.3 nativePreFork

nativePreFork通过JNI最终调用如下方法：

[-> dalvik_system_ZygoteHooks.cc]

static jlong ZygoteHooks_nativePreFork(JNIEnv* env, jclass) {
    Runtime* runtime = Runtime::Current();
    runtime->PreZygoteFork(); // 见下文
    if (Trace::GetMethodTracingMode() != TracingMode::kTracingInactive) {
      Trace::Pause();
    }
    //将线程转换为long型并保存到token，该过程是非安全的
    return reinterpret_cast<jlong>(ThreadForEnv(env));
}

至于runtime->PreZygoteFork的过程：

void Runtime::PreZygoteFork() {
    // 堆的初始化工作。这里就不继续再往下追art虚拟机
    heap_->PreZygoteFork();
}

VM_HOOKS.preFork()的主要功能便是停止Zygote的4个Daemon子线程的运行，等待并确保Zygote是单线程（用于提升fork效率），并等待这些线程的停止，初始化gc堆的工作, 并将线程转换为long型并保存到token

9. nativeForkAndSpecialize

nativeForkAndSpecialize()通过JNI最终调用调用如下方法：

[-> com_android_internal_os_Zygote.cpp]

static jint com_android_internal_os_Zygote_nativeForkAndSpecialize(
    JNIEnv* env, jclass, jint uid, jint gid, jintArray gids,
    jint debug_flags, jobjectArray rlimits,
    jint mount_external, jstring se_info, jstring se_name,
    jintArray fdsToClose, jstring instructionSet, jstring appDataDir) {
    // 将CAP_WAKE_ALARM赋予蓝牙进程
    jlong capabilities = 0;
    if (uid == AID_BLUETOOTH) {
        capabilities |= (1LL << CAP_WAKE_ALARM);
    }
    //【见流程10】
    return ForkAndSpecializeCommon(env, uid, gid, gids, debug_flags,
            rlimits, capabilities, capabilities, mount_external, se_info,
            se_name, false, fdsToClose, instructionSet, appDataDir);
}

10. ForkAndSpecializeCommon

[-> com_android_internal_os_Zygote.cpp]

static pid_t ForkAndSpecializeCommon(JNIEnv* env, uid_t uid, gid_t gid, jintArray javaGids, jint debug_flags, jobjectArray javaRlimits, jlong permittedCapabilities, jlong effectiveCapabilities, jint mount_external, jstring java_se_info, jstring java_se_name, bool is_system_server, jintArray fdsToClose, jstring instructionSet, jstring dataDir) {
  //设置子进程的signal信号处理函数
  SetSigChldHandler();
  //fork子进程 【见流程10.1】
  pid_t pid = fork();
  if (pid == 0) { //进入子进程
    DetachDescriptors(env, fdsToClose); //关闭并清除文件描述符

    if (!is_system_server) {
        //对于非system_server子进程，则创建进程组
        int rc = createProcessGroup(uid, getpid());
    }
    SetGids(env, javaGids); //设置设置group
    SetRLimits(env, javaRlimits); //设置资源limit

    int rc = setresgid(gid, gid, gid);
    rc = setresuid(uid, uid, uid);

    SetCapabilities(env, permittedCapabilities, effectiveCapabilities);
    SetSchedulerPolicy(env); //设置调度策略

     //selinux上下文
    rc = selinux_android_setcontext(uid, is_system_server, se_info_c_str, se_name_c_str);

    if (se_info_c_str == NULL && is_system_server) {
      se_name_c_str = "system_server";
    }
    if (se_info_c_str != NULL) {
      SetThreadName(se_name_c_str); //设置线程名为system_server，方便调试
    }
    //在Zygote子进程中，设置信号SIGCHLD的处理器恢复为默认行为
    UnsetSigChldHandler();
    //等价于调用zygote.callPostForkChildHooks() 【见流程10.2】
    env->CallStaticVoidMethod(gZygoteClass, gCallPostForkChildHooks, debug_flags,
                              is_system_server ? NULL : instructionSet);
    ...

  } else if (pid > 0) {
    //进入父进程，即Zygote进程
  }
  return pid;
}

10.1 fork()

fork()采用copy on write技术，这是linux创建进程的标准方法，调用一次，返回两次，返回值有3种类型。

• 父进程中，fork返回新创建的子进程的pid;
• 子进程中，fork返回0；
• 当出现错误时，fork返回负数。（当进程数超过上限或者系统内存不足时会出错）

fork()的主要工作是寻找空闲的进程号pid，然后从父进程拷贝进程信息，例如数据段和代码段，fork()后子进程要执行的代码等。 Zygote进程是所有Android进程的母体，包括system_server和各个App进程。zygote利用fork()方法生成新进程，对于新进程A复用Zygote进程本身的资源，再加上新进程A相关的资源，构成新的应用进程A。其中下图中Zygote进程的libc、vm、preloaded classes、preloaded resources是如何生成的，可查看另一个文章Android系统启动-zygote篇，见下图：

copy-on-write过程：当父子进程任一方修改内存数据时（这是on-write时机），才发生缺页中断，从而分配新的物理内存（这是copy操作）。

copy-on-write原理：写时拷贝是指子进程与父进程的页表都所指向同一个块物理内存，fork过程只拷贝父进程的页表，并标记这些页表是只读的。父子进程共用同一份物理内存，如果父子进程任一方想要修改这块物理内存，那么会触发缺页异常(page fault)，Linux收到该中断便会创建新的物理内存，并将两个物理内存标记设置为可写状态，从而父子进程都有各自独立的物理内存。

10.1.1 fork.cpp

[-> bionic/fork.cpp]

#define FORK_FLAGS (CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD)
int fork() {
  __bionic_atfork_run_prepare(); //[见小节2.1.1]

  pthread_internal_t* self = __get_thread();

  //fork期间，获取父进程pid，并使其缓存值无效
  pid_t parent_pid = self->invalidate_cached_pid();
  //系统调用【见小节2.2】
  int result = syscall(__NR_clone, FORK_FLAGS, NULL, NULL, NULL, &(self->tid));
  if (result == 0) {
    self->set_cached_pid(gettid());
    __bionic_atfork_run_child(); //fork完成执行子进程回调方法[见小节2.1.1]
  } else {
    self->set_cached_pid(parent_pid);
    __bionic_atfork_run_parent(); //fork完成执行父进程回调方法
  }
  return result;
}

功能说明：在执行syscall的前后都有相应的回调方法。

• __bionic_atfork_run_prepare： fork完成前，父进程回调方法
• __bionic_atfork_run_child： fork完成后，子进程回调方法
• __bionic_atfork_run_paren： fork完成后，父进程回调方法

以上3个方法的实现都位于bionic/pthread_atfork.cpp。如果有需要，可以扩展该回调方法，添加相关的业务需求。

10.2 Zygote.callPostForkChildHooks

[-> Zygote.java]

private static void callPostForkChildHooks(int debugFlags, boolean isSystemServer, String instructionSet) {
    //调用ZygoteHooks.postForkChild()
    VM_HOOKS.postForkChild(debugFlags, isSystemServer, instructionSet);
}

[-> ZygoteHooks.java]

public void postForkChild(int debugFlags, String instructionSet) {
    //【见流程10.3】
    nativePostForkChild(token, debugFlags, instructionSet);
    Math.setRandomSeedInternal(System.currentTimeMillis());
}

在这里，设置了新进程Random随机数种子为当前系统时间，也就是在进程创建的那一刻就决定了未来随机数的情况，也就是伪随机。

10.3 nativePostForkChild

nativePostForkChild通过JNI最终调用调用如下方法：

[-> dalvik_system_ZygoteHooks.cc]

static void ZygoteHooks_nativePostForkChild(JNIEnv* env, jclass, jlong token, jint debug_flags, jstring instruction_set) {
    //此处token是由[小节8.3]创建的，记录着当前线程
    Thread* thread = reinterpret_cast<Thread*>(token);
    //设置新进程的主线程id
    thread->InitAfterFork();
    ..
    if (instruction_set != nullptr) {
      ScopedUtfChars isa_string(env, instruction_set);
      InstructionSet isa = GetInstructionSetFromString(isa_string.c_str());
      Runtime::NativeBridgeAction action = Runtime::NativeBridgeAction::kUnload;
      if (isa != kNone && isa != kRuntimeISA) {
        action = Runtime::NativeBridgeAction::kInitialize;
      }
      //【见流程10.4】
      Runtime::Current()->DidForkFromZygote(env, action, isa_string.c_str());
    } else {
      Runtime::Current()->DidForkFromZygote(env, Runtime::NativeBridgeAction::kUnload, nullptr);
    }
}

10.4 DidForkFromZygote

[-> Runtime.cc]

void Runtime::DidForkFromZygote(JNIEnv* env, NativeBridgeAction action, const char* isa) {
  is_zygote_ = false;
  if (is_native_bridge_loaded_) {
    switch (action) {
      case NativeBridgeAction::kUnload:
        UnloadNativeBridge(); //卸载用于跨平台的桥连库
        is_native_bridge_loaded_ = false;
        break;
      case NativeBridgeAction::kInitialize:
        InitializeNativeBridge(env, isa);//初始化用于跨平台的桥连库
        break;
    }
  }
  //创建Java堆处理的线程池
  heap_->CreateThreadPool();
  //重置gc性能数据，以保证进程在创建之前的GCs不会计算到当前app上。
  heap_->ResetGcPerformanceInfo();
  if (jit_.get() == nullptr && jit_options_->UseJIT()) {
    //当flag被设置，并且还没有创建JIT时，则创建JIT
    CreateJit();
  }
  //设置信号处理函数
  StartSignalCatcher();
  //启动JDWP线程，当命令debuger的flags指定"suspend=y"时，则暂停runtime
  Dbg::StartJdwp();
}

关于信号处理过程，其代码位于signal_catcher.cc文件中，后续会单独讲解。

11. postForkCommon

[-> ZygoteHooks.java]

public void postForkCommon() {
    Daemons.start();
}

public static void start() {
    ReferenceQueueDaemon.INSTANCE.start();
    FinalizerDaemon.INSTANCE.start();
    FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.start();
    HeapTaskDaemon.INSTANCE.start();
}

VM_HOOKS.postForkCommon的主要功能是在fork新进程后，启动Zygote的4个Daemon线程，java堆整理，引用队列，以及析构线程。

12. forkAndSpecialize小结

该方法主要功能：

• preFork： 停止Zygote的4个Daemon子线程的运行，初始化gc堆；
• nativeForkAndSpecialize：调用fork()创建新进程，设置新进程的主线程id，重置gc性能数据，设置信号处理函数等功能。
• postForkCommon：启动4个Deamon子线程。

其调用关系链：

Zygote.forkAndSpecialize
    ZygoteHooks.preFork
        Daemons.stop
        ZygoteHooks.nativePreFork
            dalvik_system_ZygoteHooks.ZygoteHooks_nativePreFork
                Runtime::PreZygoteFork
                    heap_->PreZygoteFork()
    Zygote.nativeForkAndSpecialize
        com_android_internal_os_Zygote.ForkAndSpecializeCommon
            fork()
            Zygote.callPostForkChildHooks
                ZygoteHooks.postForkChild
                    dalvik_system_ZygoteHooks.nativePostForkChild
                        Runtime::DidForkFromZygote
    ZygoteHooks.postForkCommon
        Daemons.start

时序图： 点击查看大图

到此App进程已完成了创建的所有工作，接下来开始新创建的App进程的工作。在前面ZygoteConnection.runOnce方法中，zygote进程执行完forkAndSpecialize()后，新创建的App进程便进入handleChildProc()方法，下面的操作运行在App进程。

四. 新进程运行

在前面[流程6]runOnce()过程中调用forkAndSpecialize()创建完新进程后，返回值pid=0(即运行在子进程)继续开始执行handleChildProc()方法。

13. handleChildProc

[-> ZygoteConnection.java]

private void handleChildProc(Arguments parsedArgs, FileDescriptor[] descriptors, FileDescriptor pipeFd, PrintStream newStderr) throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

    //关闭Zygote的socket两端的连接
    closeSocket();
    ZygoteInit.closeServerSocket();

    if (descriptors != null) {
        try {
            Os.dup2(descriptors[0], STDIN_FILENO);
            Os.dup2(descriptors[1], STDOUT_FILENO);
            Os.dup2(descriptors[2], STDERR_FILENO);
            for (FileDescriptor fd: descriptors) {
                IoUtils.closeQuietly(fd);
            }
            newStderr = System.err;
        } catch (ErrnoException ex) {
            Log.e(TAG, "Error reopening stdio", ex);
        }
    }

    if (parsedArgs.niceName != null) {
        //设置进程名
        Process.setArgV0(parsedArgs.niceName);
    }

    if (parsedArgs.invokeWith != null) {
        //据说这是用于检测进程内存泄露或溢出时场景而设计，后续还需要进一步分析。
        WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
                parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
                VMRuntime.getCurrentInstructionSet(),
                pipeFd, parsedArgs.remainingArgs);
    } else {
        //执行目标类的main()方法 【见流程14】
        RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
                parsedArgs.remainingArgs, null);
    }
}

14. zygoteInit

[–>RuntimeInit.java]

public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader) throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

    redirectLogStreams(); //重定向log输出

    commonInit(); // 通用的一些初始化【见流程14.1】
    nativeZygoteInit(); // zygote初始化 【见流程14.2】
    applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader); // 应用初始化【见流程14.3】
}

14.1 commonInit

[–>RuntimeInit.java]

private static final void commonInit() {
    // 设置默认的未捕捉异常处理方法
    Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new UncaughtHandler());

    // 设置市区，中国时区为"Asia/Shanghai"
    TimezoneGetter.setInstance(new TimezoneGetter() {
        public String getId() {
            return SystemProperties.get("persist.sys.timezone");
        }
    });
    TimeZone.setDefault(null);

    //重置log配置
    LogManager.getLogManager().reset();
    new AndroidConfig();

    // 设置默认的HTTP User-agent格式,用于 HttpURLConnection。
    String userAgent = getDefaultUserAgent();
    System.setProperty("http.agent", userAgent);

    // 设置socket的tag，用于网络流量统计
    NetworkManagementSocketTagger.install();
}

默认的HTTP User-agent格式，例如：

 "Dalvik/1.1.0 (Linux; U; Android 6.0.1；LenovoX3c70 Build/LMY47V)".

14.2 nativeZygoteInit

nativeZygoteInit()所对应的jni方法如下：

[–>AndroidRuntime.cpp]

static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz) {
    //此处的gCurRuntime为AppRuntime，是在AndroidRuntime.cpp中定义的
    gCurRuntime->onZygoteInit();
}

14.2.1 onZygoteInit

[–>app_main.cpp]

virtual void onZygoteInit() {
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    proc->startThreadPool(); //启动新binder线程
}

• ProcessState::self():主要工作是调用open()打开/dev/binder驱动设备，再利用mmap()映射内核的地址空间，将Binder驱动的fd赋值ProcessState对象中的变量mDriverFD，用于交互操作。startThreadPool()是创建一个新的binder线程，不断进行talkWithDriver().
• startThreadPool(): 启动Binder线程池, 详见进程的Binder线程池工作过程

14.3 applicationInit

[–>RuntimeInit.java]

private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader) throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    //true代表应用程序退出时不调用AppRuntime.onExit()，否则会在退出前调用
    nativeSetExitWithoutCleanup(true);

    //设置虚拟机的内存利用率参数值为0.75
    VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
    VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);

    final Arguments args;
    try {
        args = new Arguments(argv); //解析参数
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        return;
    }

    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);

    //调用startClass的static方法 main() 【见流程15】
    invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}

此处args.startClass为”android.app.ActivityThread”。

15. invokeStaticMain

[–>RuntimeInit.java]

private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader) throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    Class<?> cl = Class.forName(className, true, classLoader);

    Method m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });

    int modifiers = m.getModifiers();
    ...

    //通过抛出异常，回到ZygoteInit.main()。这样做好处是能清空栈帧，提高栈帧利用率。【见流程16】
    throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

invokeStaticMain()方法中抛出的异常MethodAndArgsCaller caller，该方法的参数m是指main()方法, argv是指ActivityThread. 根据前面的【流程4】中可知，下一步进入caller.run()方法，也就是MethodAndArgsCaller.run()。

16. MethodAndArgsCaller

[–>ZygoteInit.java]

public static class MethodAndArgsCaller extends Exception implements Runnable {

    public void run() {
        try {
            //根据传递过来的参数，此处反射调用ActivityThread.main()方法【见流程17】
            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);
        }
    }
}

到此，总算是进入到了ActivityThread类的main()方法。

17. ActivityThread.main

[–> ActivityThread.java]

public static void main(String[] args) {
    ...
    Environment.initForCurrentUser();
    ...
    Process.setArgV0("<pre-initialized>");
    //创建主线程looper
    Looper.prepareMainLooper();

    ActivityThread thread = new ActivityThread();
    //attach到系统进程
    thread.attach(false);

    if (sMainThreadHandler == null) {
        sMainThreadHandler = thread.getHandler();
    }

    //主线程进入循环状态
    Looper.loop();

    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}

五. 总结

Process.start()方法是阻塞操作，等待直到进程创建完成并返回相应的新进程pid，才完成该方法。

当App第一次启动时或者启动远程Service，即AndroidManifest.xml文件中定义了process:remote属性时，都需要创建进程。比如当用户点击桌面的某个App图标，桌面本身是一个app（即Launcher App），那么Launcher所在进程便是这次创建新进程的发起进程，该通过binder发送消息给system_server进程，该进程承载着整个java framework的核心服务。system_server进程从Process.start开始，执行创建进程，流程图（以进程的视角）如下：

点击查看大图

上图中，system_server进程通过socket IPC通道向zygote进程通信，zygote在fork出新进程后由于fork调用一次，返回两次，即在zygote进程中调用一次，在zygote进程和子进程中各返回一次，从而能进入子进程来执行代码。该调用流程图的过程：

1. system_server进程（即流程1~3）：通过Process.start()方法发起创建新进程请求，会先收集各种新进程uid、gid、nice-name等相关的参数，然后通过socket通道发送给zygote进程；
2. zygote进程（即流程4~12）：接收到system_server进程发送过来的参数后封装成Arguments对象，图中绿色框forkAndSpecialize()方法是进程创建过程中最为核心的一个环节（详见流程6），其具体工作是依次执行下面的3个方法：
   • preFork()：先停止Zygote的4个Daemon子线程（java堆内存整理线程、对线下引用队列线程、析构线程以及监控线程）的运行以及初始化gc堆；
   • nativeForkAndSpecialize()：调用linux的fork()出新进程，创建Java堆处理的线程池，重置gc性能数据，设置进程的信号处理函数，启动JDWP线程；
   • postForkCommon()：在启动之前被暂停的4个Daemon子线程。
3. 新进程（即流程13~15）：进入handleChildProc()方法，设置进程名，打开binder驱动，启动新的binder线程；然后设置art虚拟机参数，再反射调用目标类的main()方法，即Activity.main()方法。

再之后的流程，如果是startActivity则将要进入Activity的onCreate/onStart/onResume等生命周期；如果是startService则将要进入Service的onCreate等生命周期。

system_server进程等待zygote返回进程创建完成(ZygoteConnection.handleParentProc), 一旦Zygote.forkAndSpecialize()方法执行完成, 那么分道扬镳, zygote告知system_server进程进程已创建, 而子进程继续执行后续的handleChildProc操作.

Tips: [小节11]RuntimeInit.java的方法nativeZygoteInit()会调用到onZygoteInit()，这个过程中有startThreadPool()创建Binder线程池。也就是说每个进程无论是否包含任何activity等组件，一定至少会包含一个Binder线程。