Android启动篇

http://blog.csdn.net/u011014707/article/details/46744867

       Android启动过程相当复杂，从引导器加载系统映像、通过init.rc脚本进行初始化配置到系统完全启动均属于启动过程的范畴。在系统启动过程中，根据系统内存的情况，还涉及垃圾回收、进程终止等内容；就单个应用的启动而言，涉及APK包解析、证书校验、权限检查等内容。

1.系统的启动过程

        在Android中，在BootLoader加载系统映像后，会通过system\core\rootdir\目录下的init.rc脚本进行初始化配置。在init.rc中可以配置系统时区、设置日志等级、设置全局环境变量、挂载文件系统、初始化网络配置、配置系统属性、启动守护进程等，具体的实现过程如下图所示：

               

        启动过程中的配置是系统正常运行的基本保证。

        （1）系统属性配置

                系统属性包括多个方面，在开机启动时，Android将进行一系列的配置。

                配置系统时区：在系统启动之初，最重要的工作自然是进行环境配置，其中最重要的配置是时间配置。Android默认设置系统时区为GMT 0。设置系统时区的方法是：sysclktz 0        //北京位于东八区，北京时间为GTM 8

                设置日志登记：在Android中，日志分为多个等级，包括2（VERBOSE）、3（DEBUG）、4（INFO）、5（WARN）、6（ERROR）、7（ASSERT）。通常并不是所有日志均具有重要价值，因此必须设置控制台输出的日志等级，默认为3。设置日志登记为3的方法是：loglevel 3。

                设置全局变量：在系统的启动过程中，Android需要设置的全局变量包括PATH、LD_LIBRARY_PATH、ANDROID_BOOTLOGO、ANDROID_ROOT、ANDROID_ASSETS、ANDROID_DATA、EXTERNAL_STORAGE、ASEC_MOUNTPOINT、LOOP_MOUNTPOINT和BOOTCLASSPATH等，具体如下：

                        export PATH /sbin:/vendor/bin:/system/sbin:/system/bin:/system/xbin

                        export LD_LIBRARY_PATH /vendor/lib:/system/lib

                        export ANDROID_BOOTLOGO 1

                        export ANDROID_ROOT /system

                        export ANDROID_ASSETS /system/app        /加载应用的路径

                        export ANDROID_DATA /data

                        export EXTERNAL_STORAGE /mnt/sdcard

                        export ASEC_MOUNTPOINT /mnt/asec

                        export LOOP_MOUNTPOINT /mnt/obb

                        export BOOTCLASSPATH /system/framework/core.jar:/system/framework/bouncycastle.jar:/system/framework/ext.jar:/system/framework/framework.jar:/system/framework/android.policy.jar:/system/framework/services.jar:/system/framework/core-junit.jar

                初始化网络配置：在Android中，网络配置包括对io和其他网络接入点的信息进行配置，配置网络参数的工具是ifup，具体方法是：

                        ifup lo

                        hostname localhost

                        domainname localdomain

                        lo的网络参数配置完成后的其他相关问题可查阅init.goldfish.rc。

                配置系统属性：在Android中，系统属性是非常重要的一个概念，可以在编译脚本中对其进行设置。ActivityManagerService中用到的一些配置oom_adj值的系统属性如下：

                        setprop ro.POREGROUND_APP_ADJ 0        //前台进程

                        setprop ro.VISIBLE_APP_ADJ 1        //可视进程

                        setprop ro.PERCEPTIBLE_APP_ADJ  2        //感知进程

                        setprop ro.HEAVT_WEIGHT_APP_ADJ 3        //重量级进程

                        setprop ro.SECONDARY_SERVER_ADJ 4        //后台服务

                        setprop ro.BACKUP_APP_ADJ 5        //备份进程

                        setprop ro.HOME_APP_ADJ 6        //启动器

                        setprop ro.HIDDEN_APP_MIN_ADJ 7        //隐藏进程

                        setprop ro.EMPTY_APP_ADJ 15        //空进程

                oom_adj值通常被Android特有的内存管理驱动Low memory killer使用，它会在系统内存低于设定值时释放相应进程，保证系统的稳定运行。Low memory killer根据两个原则（进程的重要性和释放这个进程可获取的空闲内存数量）来决定释放的进程。oom_adj值越小，表示该类型的重要性越高。在oom_adj相同的情况下，占用内存大的进程优先被撤销，进程占用的内存可以通过get_mm_rss进行判断。

        （2）文件系统挂载

                配置好文件系统分区并设置好分区表后，在设备实际启动前，需要挂载文件系统。

                1）创建挂载点并设置权限

                        完成环境变量设置后，接下来就是创建挂载点并根据安全需要设置相应的权限，这是非常重要的一步。对于敏感信息，应避免普通用户对其拥有可写甚至可读的权限。权限的主要设置方法如下：

                                mkdir /mnt 0775 root system

                                mkdir /mnt/sdcard 0000 system system

                                symlink /mnt/sdcard /sdcard

                                mkdir /system

                                mkdir /data 0771 system system

                                mkdir /cache 0770 system cache

                                mkdir /config 0500 root root

                        从以上设置可以看出，Android拥有两个比较重要的用户权限，即root、system，其中root权限是最高的，对于系统和读写的路径至少应设置system权限。事实上目前刷机盛行，虽然OEM设置诸多屏障，但是仍有人能轻易获得Android的root权限，甚至还开发出了专门破解root权限的应用，这在一定程度上使Android的安全性让人担忧。

                2）挂载文件系统

                        挂载点配置完成后，就该挂载文件系统了。目前Android默认的几个文件系统为system、date、cache等，挂载文件系统的方法如下：

                                mount yaffs2 mtd@system /system

                                mount yaffs2 mtd@system /system ro remount

                                mount yaffs2 mtd@userdata /data nosuid nodev

                                mount yaffs2 mtd@cache /cache nosuid nodev

                        在默认情况下，Android支持的文件系统类型为yaffs2（当然针对/tmp，Android采用的是tmpfs文件系统，此处为狭义理解），当然OEM厂商可以根据自己的需要自行制作其他类型的文件系统进行挂载。

                        至于分区大小，各厂商可根据自己的实际情况确定。

        （3）守护进程启动

                守护进程时运行在后台的Android核心的进程，主要包括servicemanager、vold、netd、debuggerd、ril-daemon、zygote、drm、drmio、media、bootanim、dbus、bluetoothd、hfag、hsag、opush、pbap、installd、flash_recovery、racoon、mtpd、keystore、dumpstate等。

                1）守护进程的配置

                         由于不同守护进程之间可能存在依赖关系，或者守护进程对其他配置存在依赖，在启动守护进程时，需要做些配置。在system\core\init\目录下的readme.txt中介绍了包括守护进程在内的启动项配置方法，其中守护进程的配置方法如下：

                                 service <name> <pathname> [<argument>] *

                                         <option>

                                         <option>

                                 Critical:关键服务，如果这类服务在4分钟内4次退出，系统将重启进入恢复模式。

                                 Disabled: 服务不能根据类名自动重启，必须显示启动。

                                 setenv<name> <value>:设置环境变量。

                                 socket<name><type><perm>[<user>[<group>]]:创建套接字，type可以为dgram、stream、seqpacket、user和group默认为0.

                                 user<username>:服务所属的用户名，默认为root。

                                 group<groupname>[<groupname>]*:服务所属的组名，默认为root。

                                 oneshot:当服务重启时，执行相应的命令。

                                 class<name>:服务的类名，归属于同一类的服务必须一起启动或关闭，默认的类为default。

                2）守护进程的启动

                        （1）servicemanager

                                  servicemanager是系统服务的管理器，它通过一个HashMap<String, IBinder>来管理系统服务。当servicemanager重启时，会导致zygote和media重启。下面是servicemanager的启动配置：

                                          service servicemanager /system/bin/servicemanager

                                                  user system

                                                  critical

                                                  onrestart restart zygote

                                                  onrestart restart media

                        （2）vold的配置

                                vold（volume daemon）主要用来处理热插拔，其实际上是负责完成系统的CDROM、USB大容量存储和MMC卡等扩展存储的挂载任务的守护进程。vold和linux标准的udev类似，均通过sysfs的内核和用户层提供通信。下面是vold的启动配置：

                                        service vold /sysyem/bin/vold

                                                socket vold stream 0660 root mount

                                                ioprio be 2

                                热插拔的处理框架如下图：

                                       

                                和vold相关的代码主要位于system/vold目录下，有兴趣的读者可以做进一步的研究。

                        （3）netd

                                netd（network daemon）主要用来监控网络状态，进行网络管理，其实现位于system\netd目录下，其启动配置如下：

                                        service netd /system/bin/netd

                                                socket netd stream 0660 root system

                                                socket dnsproxyd stream 0660 root inet

                        （4）debuggerd

                                debuggerd（debugger daemon）主要用于调试，启动后会监听UNIX套接字Android:deguggerd，其实现位于system\core\debuggerd目录下，其启动配置如下：

                                        service debuggerd /system/bin/debuggerd

                        （5）ril-daemon

                                RIL守护进程会初始化芯片厂商的RIL，管理所有来自Android通信服务的通信，通过套套接字实现与芯片厂商的RIL的通信，其实现与hardware/ril/rild无关，其启动配置如下：

                                        service ril-daemon /system/bin/rild

                                                socket rild stream 660 root radio

                                                socket rild-debug stream 660 radio system

                                                user root

                                                group radip cache inet misc audio sdcard_rw

                        （6）zygote

                                 zygote服务是Android启动后启动的第一个Linux进程，其他的Linux进程，比如各个应用，均是由zygote产生的。关于zygote的实现可以参考ZygoteInit.Java。zygote服务的重启会导致media和netd服务的重启，其启动配置如下：

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

                                        socket zygote stream 666

                                        onrestart write /sys/android_power/request_state wake

                                        onrestart write /sys/power/state on

                                        onrestart restart media

                                        onrestart restart netd

                        （7）drm

                                drm 用于数字版权保护，其启动配置如下：

                                        service drm /system/bin/drmserver

                                                user drm

                                                group system root inet

                        （8）drmio

                                drmio同样用于数字版权保护，其启动配置如下：

                                        service drmio /system/bin/drmioserver

                                                user drmio

                        （9）media

                                media服务是提供多媒体服务的守护进程，它会启动AudioFlinger、MediaPlayerService、CameraService、AudioPolicyService等服务。media服务的入口实现如下：

                                        int main(int argc, char**argv)

                                        {

                                                sp<PrecessState> proc(ProcessState::self());

                                                sp<IServiceManager> sm=defaultServiceManager();

                                                AudioFlinger::instantiate();

                                                MediaPlayerService::instantiate();

                                                CameraService::instantiate();

                                                AudioPolicyService::instantate();

                                                ProcessState::self()->startThreadPool();

                                                IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

                                        }

                                media服务的启动配置如下：

                                        service media /system/bin/mediaserver

                                                user media

                                                group system audio camera graphics inet net_bt net_bt_admin net_raw

                                                ioprio rt 4

                        （10）bootanim

                                boottanim服务即所谓的开机动画服务，其具体实现位于BootAnimation.cpp中。SurfaceFlinger在完成准备工作后会在其readToRun()方法中通过property_set("ctl.start", "bootanim")启动bootanim服务。在bootanim服务启动的过程中，会加载用户开机动画和系统开机动画，这些动画均为ZIP压缩文件，所在位置为\data\local\bootanimation.zip和\system\media\bootanimation.zip，动画中图片的格式应为RGB565，其实现位于frameworks\base\cmds\bootanimation目录中。bootanim服务的启动配置如下：

                                        service bootanim /system/bin/bootanimation

                                                user graphics

                                                group graphics

                                                disabled

                                                oneshot

                        （11）dbus

                                dbus和OpenBinder一样是进程间的通信机制，在Linux中dbus应用的非常广泛，如著名的Linux桌面环境Qt和Gnome。在Android中，进程间通信主要利用的是OpenBinder，dbus仅用于蓝牙协议栈Bluez中。dbus的启动配置如下：

                                        service dbus /system/bin/dbus-daemon --system --nofork

                                               socket dbus stream 660 bluetooth bluetooth

                                               user bluetooth

                                               group bluetooth net_bt_admin

                        （12）bluetoothd

                                bluetoothd是Bluez的守护进程，默认是不启动的。bluetoothd的启动配置如下：

                                        service bluetoothd /system/bin/bluetoothd -n

                                                socket bluetooth stream 660 bluetooth bluetooth

                                                socket dbus_bluetooth stream 660 bluetooth bluetooth bluetooth

                                                group bluetooth net_bt_admin_misc

                                                disabled

                        （13）hfag

                                hfag也用于Bluez，作用是启动蓝牙免提音频网关（Bluetooth Handsfree Audio Gateway)。hfag默认是不启动的，其启动配置如下：

                                        service hfag /system/bin/sdptool add --channel=10 HFAG

                                                user bluetooth

                                                group bluetooth net_bt_admin

                                                disabled

                                                oneshot

                        （14）hsag

                                hsag也用于Bluez，作用是启动蓝牙耳机音频网关（Bluetooth headset audio gateway）。hsag默认是不启动的，其启动配置如下：

                                        service hsag /system/bin/sdptool add --channel=11 HSAG

                                                user bluetooth

                                                groupbluetooth net_bt_admin

                                                disabled

                                                oneshot

                        （15）opush

                                opush即OBM Push，实现了Exchange ActiveSync服务器协议，同样也用于Bluez。opush默认是不启动的，其启动配置如下：

                                        service opush /system/bin/sdptool add --channel=12 OPUSH

                                                user bluetooth

                                                group bluetooth net_bt_admin

                                                disabled

                                                oneshot

                        （16）pbap

                                pbap即电话簿访问协议（Phonebook Access Profile），同样也用于Bluez。pbap默认是不启动的，其启动配置如下：

                                        service pbap /system/bin/sdptool add --channel=19 PBAP

                                                user bluetooth

                                                group bluetooth net_bt_admin

                                                disabled

                                                oneshot

                        （17）installd

                                install即安装守护进程，用于APK的安装，其启动配置如下：

                                        service installd /system/bin/installd

                                                socket installd stream 600 system system

                        （18）flash_recovery

                                flash_recovery用于系统发生故障时的恢复，其启动配置如下：

                                        service flash_recovery /system/etc/install_recovery.sh

                                                oneshot

                        （19）racoon

                                racoon是VPN的守护进程，其启动配置如下：

                                        service racoon /system/bin/racoon

                                                socket racoon stream 600 system system group net_admin

                                                disabled

                                                oneshot

                        （20）mtpd

                                mtpd是媒体传输协议（Media Transfer Protocol, MTP）的守护进程，其启动配置如下：

                                        service mtpd /system/bin/mtpd

                                                scoket mtpd stream 600 system system

                                                user vpn

                                                group vpn net_admin net_raw

                                                disabled

                                                oneshot

                        （21）keystore

                                keystore和数字签名证书有关，其启动配置如下：

                                        service dumpstate /system/bin/dumpstate -s

                                                socket dumpstate stream 0660 shell log

                                                disabled

                                                oneshot

2.应用的启动过程

        AAPT（Android Asset Packaging Tool）允许开发者查看、创建、更新与ZIP兼容的压缩文件（ZIP、JAR、APK），同时还将资源编译到断言（assert）中。

        通过WinRAR查看APK包可以看到，APK包大致包括res、AndroidManifest.xml、classes.dex、resource.arsc、META-INF和libs等几项。其中res文件夹包含的是资源文件，res文件夹下的XML是已经编译过的，减小了存储空间。AndroidManifest.xml为应用的配置文件，但是已经编译过。而classes.dex为应用的DEX字节码文件，是CLASS字节码去除冗余信息后的集合。resource.arsc为资源文件，在Android 2.3前采用的是UTF-16编码，在Android 2.3及以后的版本中，采用的是UTF-8编码，这样改变以为这在Android 2.3及以后版本中，基于英文应用的APK包会比原来的小，而基于中文应用的APK包会比原来大些。这是因为在UTF-16编码中，中文和英文均采用了2字节编码，而在UTF-8中，英文占用1字节，而中文要占用3字节。在META-INF中存放的是Android的数字签名证书。在libs中存放的通常是JAR和原生代码生成的共享库文件。

        需要说明的是，在Android中，采用的Java混淆器为开源的ProGuard 4.4。ProGuard可以在一定程度上防止别有用意的人的窥视，但对于需要保护的敏感信息，其安全性是无法保证的，因为专业人员极易渗透其信息含义。所以，Android发展至今，盗版应用泛滥，这对于保护开发者的知识产权和商业机密十分不利。如果需要增强实现的安全性，建议将敏感信息放置在原生代码中实现，尽量不要在Java代码中实现。原生代码和Java代码的互操作需要通过JNI进行。

        Android生成的Java字节码为DEX字节码，而非传统的CLASS字节码，但是在编译过程中，Android会先将Java文件编译为CLASS字节码，然后再将CLASS字节码转化为DEX字节码。商业因素是制定这一策略的主要因素。

        DEX字节码借鉴了Linux的BusyBox和Qt中的SingleBuild编译模式采用的最大限度复用信息的设计思想，能够有效地减少生成文件的大小。

        Android不允许安装同名的不同程序，否则会提示证书有误。

        （1）应用的启动配置

                对于所有应用程序而言，均有唯一的入口，在Java和C/C++中，这个入口均为main函数。

                在Android中，从AndroidManifest.xml中可以看到，Android应用由一个继承了ContextWrapper的Application构成，其中Application有Activity、Service、Receiver、Provider、user-library等组件构成。

                Android应用程序的组件之间的关系如下图：

                       

                需要注意的是，应用程序并非必须拥有Activity，如果仅是后台程序，那么仅有Application也是可以的。下面是一个基于Service的应用的实现：

                        public class NfcService extends Application{

                                public void onCreate(){

                                        super.onCreate();

                                }

                                public void onTerminate(){

                                        super.onTerminate();

                                }

                        }

                在AndroidManifest.xml文件中，对应用程序的定义如下：

                        <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

                        <manifest xmlns:android=http://schemas.android.com/apk/res/android

                                package="com.android.nfc"

                                android:sharedUserId="android.uid.nfc"

                                android:sharedUserLabel="@string/nfcUserLabel">

                                <application android:name=".NfcService"

                                        android:icon="@drawable/icon"

                                        android:lable="@string/app_name"

                                        android:persistent="ture">

                                </application>

                        </manifest>

                如果不希望应用在系统低内存时被系统销毁，需将application标签的android:persistent属性设置为true。

        （2）应用的启动过程

                要启动一个应用，首先要创建一个进程，然后启动UI主线程，接着打开Activity，具体流程见下图所示：

                       

                Android进程分为zygote进程和普通进程。当启动一个应用时，Dalvik虚拟机会先通过NativeStart接口初始化JNI，为通过zygote进程创建新进程做好准备。原生代码的启动位于app_main.cpp中，具体如下：

                        if(0==strcmp("--zygote", arg)){//zygote进程

                                bool startSystemServer=(i<argc)?strcmp(argv[i], "--start-system-server")==0, false;

                                setArgv0(argv0,"zygote");

                                set_process_name("zygote");

                                runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", startSystemServer);

                        }else{//普通进程

                                set_Process_name(argv0);

                                runtime.mClassName=arg;

                                runtime.mArgC=argc-i;

                                runtime.mArgV=argv+i;

                                runtime.start();  //调用AndroidRuntime::start()方法

                        }

                在AndroidRuntime.cpp中，需要设置环境变量、启动虚拟器等，具体实现如下：

                        void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)

                        {

                                char* slashClassName=NULL;

                                char* cp;

                                JNIEnv* env;

                                blockSigpipe();

                                if(startSystemServer){

                                }

                                const char* rootDir=getenv("ANDROID_ROOT"); //环境变量

                                if(rootDir==NULL){

                                        rootDir="/system";

                                        if(!hasDir("/system")){

                                                goto bail;

                                        }

                                        setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1);

                                }

                                if(startVm(&mJavaVM, &env)!=0)        //启动虚拟机

                                        goto bail;

                                        if(startReg(env) < 0){        //注册方法

                                                goto bail;

                                        }

                                }

                        }

                所有的普通进程均是通过zygote进程创建出来的，新进程的创建主要是ZygoteInit()中进行的。方法如下：

                        public static void main(String argv[]){

                                try{

                                        VMRuntime.getRuntime().setMinimumHeapSize(5*1024*1024);        //设置最小堆

                                        SamplingProfilerIntegration.start();

                                        registerZygoteSocket();        //注册套接字

                                        EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START, SystemClock.uptimeMillis());

                                        preloadClasses();        //加载公共实现

                                        preloadResources();        //加载公共资源

                                        EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END, SystemClock.uptimeMillis());

                                        SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();

                                        gc();        //启动垃圾回收

                                        if(argv.length!=2){

                                                throw new RuntimeException(argv[0] + USAGE_STRING);

                                        }

                                        if(argv[1].equals("true")){        //如果是系统服务

                                                startSystemServer();        //启动系统服务

                                        else if(!argv[1].equals("false")){        //普通进程

                                                throw new runtimeException(argv[0] + USAGE_STRING);

                                        }

                                        if(ZYGOTE_FORK_MODE){        //Fork进程，默认为false

                                                runForkMode();

                                        }else {        //构建事件循环

                                                runSelectLoopMode();

                                        }

                                        closeServerSocket();

                                }catch (MethodAndArgsCaller caller){

                                        caller.run();        //抛出MethodAndArgsCaller异常

                                }catch(RuntimeException ex){

                                        closeServerSocket();

                                        throw ex;

                                }

                        }

                runSelectLoopMode()方法的本质为启动一个死循环，利用zygoteConnection通过套接字来处理消息。

                当触发MethodAndArgsCaller异常时，系统会通过Method的invoke方法调用invokeNative方法创建出UI主线程Activitythread，以及设置事件循环等。

                当收到LAUNCH_ACTIVITY事件时，ActivityThread的handleMessage方法会处理消息并调用handleLaunchActivity方法的实现。

                在启动Activity的过程中，为了进行JUnit测试，具体Activity的onCreate方法的调用是通过Instrumentation的callActivityOnCreate方法进行的，在应用的启动过程中会不断调用Instrumentation。