Android4.4的zygote进程

Android4.4的zygote进程
侯亮

1背景

前些天为了在科室做培训，我基于Android 4.4重新整理了一份关于zygote的文档。从技术的角度看，这几年zygote并没有出现什么大的变化，所以如果有人以前研究过zygote，应该不会对本文写的内容感到陌生。

2zygote进程的描述

在Android中，zygote是整个系统创建新进程的核心装置。从字面上看，zygote是受精卵的意思，它的主要工作就是进行细胞分裂。

zygote进程在内部会先启动Dalvik虚拟机，继而加载一些必要的系统资源和系统类，最后进入一种监听状态。在后续的运作中，当其他系统模块（比如AMS）希望创建新进程时，只需向zygote进程发出请求，zygote进程监听到该请求后，会相应地“分裂”出新的进程，于是这个新进程在初生之时，就先天具有了自己的Dalvik虚拟机以及系统资源。

系统启动伊始，zygote进程就会被init进程启动起来，init进程的详情可参考我写的《Android4.4的init进程》一文，此处不再赘述。我们直接来看init.rc脚本里的相关描述吧。在这个脚本中是这样描述zygote的：




可以看到，zygote对应的可执行文件就是/system/bin/app_process，也就是说系统启动时会执行到这个可执行文件的main()函数里。

3zygote进程的实现细节

zygote服务的main()函数位于frameworks\base\cmds\app_process\App_main.cpp文件中，其代码截选如下：

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3.1AppRuntime的start()

main()函数里先构造了一个AppRuntime对象，即AppRuntime runtime；而后把进程名改成“zygote”，并利用runtime对象，把工作转交给java层的ZygoteInit类处理。

这个AppRuntime类继承于AndroidRuntime类，却没有重载其start(...)函数，所以main()函数中调用的runtime.start(...)其实走的是AndroidRuntime的start(...)，而且传入了类名参数，即字符串——“com.android.internal.os.ZygoteInit”。start()函数的主要代码截选如下：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

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代码中会先初始化JNI接口，并启动Dalvik虚拟机（startVm()），然后注册一些系统需要的jni函数，接着将传入的类名字符串参数辗转传给FindClass()，最后调用env->CallStaticVoidMethod()一句。

抛开Java层和C++层的概念，上面的流程说白了就是，Zygote进程的main()函数在启动Dalvik虚拟机后，会调用另一个ZygoteInit类的main()静态函数。调用示意图如下：

3.1.1加载合适的虚拟机动态库

一开始需要初始化JNI接口。

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这两句是在Android 4.4上出现的，在Android 4.0上，还没有它们呢。

jni_invocation的init()的代码如下：

【libnativehelper/JniInvocation.cpp】

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因为我们使用的是Android系统，所以已经定义了HAVE_ANDROID_OS宏，而且library参数为NULL，于是在JniInvocation的Init()函数中，会走到

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其中，kLibrarySystemProperty的定义是“persist.sys.dalvik.vm.lib”，这是个系统属性，它记录着系统实际需要用到的是哪种虚拟机，是dalvik还是ART，它们分别对应libdvm.so或libart.so。接着，dlopen()尝试加载libdvm.so或libart.so。这两个so中都export出了JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs，JNI_CreateJavaVM和JNI_GetCreatedJavaVMs这三个接口函数。

具体加载动态库的函数是dlopen()，代码如下：

【bionic/linker/Dlfcn.cpp】

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本文不需细究dlopen()的实现，大家只需知道，它是个强大的库函数，可以打开某个动态库，并将之装入内存。调用dlopen()时传入的第二个参数是RTLD_NOW，它表示加载器会立即计算库的依赖性，从而在dlopen()返回之前，解析出每个未定义变量的地址。

3.1.2启动Dalvik虚拟机，startVm()

初始化JNI环境后，就可以启动Dalvik虚拟机了。下面是startVm()的代码截选：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

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因为本文阐述的重点不是Dalvik虚拟机，所以就不再深究JNI_CreateJavaVM()了。我们大概知道该函数会调用到刚刚jni_invocation的init()中，FindSymbol()得到的动态库中相应的函数指针即可。

3.1.3注册Android内部需要的函数，startReg()

当虚拟机成功启动后，JNI环境也就建立好了，现在可以把JNIEnv*传递给startReg()来注册一些重要的JNI接口了。startReg()的代码截选如下：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

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注册jni函数的动作很简单，只是在遍历array数组，并尝试回调每个数组项的mProc回调函数。具体数组项类型的定义如下，而且struct定义的上方还顺带定义了REG_JNI宏。：

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gRegJNI的定义截选如下：

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这些注册动作内部，基本上就是为自己关心的类注册jni接口啦。比如上面的register_com_android_internal_os_RuntimeInit()函数，它的代码如下：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

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它关心的就是RuntimeInit类，现在为这个类的native成员注册对应的实现函数，这些实现函数就记录在gMethods数组中：

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其他“注册动作”的格局大概也都是这样，我们就不赘述了。

3.1.4加载ZygoteInit类

AppRuntime的start()最后会加载Java层次的ZygoteInit类，并利用JNI技术的CallStaticVoidMethod()调用其静态的main()函数。

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这是很关键的一步，就在这一步，控制权就转移到Java层次了。

3.2走入Java层——ZygoteInit.java

随着控制权传递到Java层次，ZygoteInit要做一些和Android平台紧密相关的重要动作，比如创建LocalServerSocket对象、预加载一些类以及资源、启动“Android系统服务”、进入核心循环等等。我们先画一张示意图：





相应地，我们还可以把前文的调用关系也丰富一下，得到下图：

3.2.1registerZygoteSocket()

我们先看ZygoteInit的main()函数调用的那个registerZygoteSocket()。这个函数内部其实会利用一个叫作“ANDROID_SOCKET_zygote”的环境变量。可是这个环境变量又是从哪里来的呢？为了解答这个问题，我们需要先看一下init进程service_start()函数。

3.2.1.1先看一下init进程的service_start()

前文我们已经列出了在init.rc脚本中，zygote服务是如何声明的。现在我们只关心其中和socket相关的部分：

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这个服务的socket选项表明，它需要一个名为“zygote”的“流型（stream）”socket。

当init进程真的启动zygote服务时，会走到service_start()。我们现在只关心service_start()里和socket相关的动作。

【system/core/init/Init.c】

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每次为service创建新的子进程后，都会查看该service需要什么socket。比如zygote服务，明确提出需要一个“流型（stream）”的socket。

create_socket()会在/dev/socket目录中创建一个Unix范畴的socket，而后，publish_socket()会把新建的socket的文件描述符记录在以“ANDROID_SOCKET_”打头的环境变量中。比如zygote对应的socket选项中的socket名为“zygote”，那么该socket对应的环境变量名就是“ANDROID_SOCKET_zygote”。

create_socket()的代码截选如下：

【system/core/init/Util.c】

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当用socket()函数创建套接字以后，使用bind()将“指定的地址”赋值给“用文件描述符代表的套接字”，一般来说，该操作被称为“给套接字命名”。通常情况下，在一个SOCK_STREAM套接字接收连接之前，必须通过bind()函数用本地地址为套接字命名。对于zygote，其套接字地址应该是“/dev/socket/zygote”。在调用bind()函数之后，socket()函数创建的套接字已经和指定的地址关联起来了，现在向这个地址发送的数据，就可以通过套接字读取出来了。

接下来，service_start()还调用了个publish_socket()函数，该函数的代码如下：

【system/core/init/Init.c】

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这么看来，所谓的“发布”（publish），主要是把socket的文件描述符记录进环境变量。

上面代码中的ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX的定义如下：

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那么对于zygote而言，就是在环境变量“ANDROID_SOCKET_zygote”里记录文件描述符对应的字符串。

add_environment()的代码如下：

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无非是把字符串记入一个静态数组而已，在后续的代码里，service_start()会调用execve()，并把ENV环境变量传递给execve()。

3.2.1.2registerZygoteSocket()里创建LocalServerSocket

OK，我们已经看到init进程在新fork出的zygote进程里，是如何记录“ANDROID_SOCKET_zygote”环境变量的。现在我们可以回过头来看zygote中的registerZygoteSocket()了，此处会切实地用到这个环境变量。

registerZygoteSocket()的代码如下：

【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java】

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先从环境变量里读出socket的文件描述符，然后创建LocalServerSocket对象，并记入静态变量sServerSocket中。以后zygote进程会循环监听这个socket，一旦accept到连接请求，就创建命令连接（Command Connection）。监听动作的细节是在runSelectLoop()中，我们会在后文阐述，这里先放下。

现在我们可以画一张创建zygote socket接口的示意图，如下：





请注意，图中明确画出了两个进程，一个add环境变量，另一个get环境变量。

3.2.2预加载一些类——preloadClasses()

注册完socket接口，ZygoteInit会预加载一些类，这些类记录在frameworks/base/preloaded-classes文本文件里。下面是该文件的一部分截选：

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在Android4.4上，这个脚本文件已经长达两千七百多行了，它里面记录着加载时间超过1250微秒的类，ZygoteInit尝试在系统启动时就把它们预加载进来，从而省去后续频繁加载时带来的系统开销。

preloadClasses()的代码截选如下：

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在一个while循环里，每次读取一行，然后调用Class.forName()方法来装载类。这个工作量可不小，毕竟有两千多行哩。

3.2.3预加载一些系统资源——preloadResources()

除了预加载一些类，zygote进程还要预加载一些系统资源。

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首先，从preloaded_drawables数组资源中读取一个类型数组（TypedArray），具体的资源文件可参考frameworks/base/core/res/res/values/arrays.xml，截选如下：




基本上有两大类资源：

1）一类和图片有关（preloaed_drawables）

2）另一类和颜色有关（preloaded_color_state_lists）

加载第一类资源需要调用preloadDrawables()，逐个加载TypedArray里记录的图片资源：

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说起来之前mResources.obtainTypedArray()获取TypedArray时，其内部用的是AssetManager。得到TypedArray之后，我们就可以通过调用ar.getResourceId(i, 0)来得到数组项对应的资源id了。

其中的mResources是ZygoteInit的私有静态成员：

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mResources的getDrawable()函数内部，会调用loadDrawable()。这样，这些图片资源就都加载到ZygoteInit的mResources里了。

另一些资源是颜色资源，是用preloadColorStateLists()加载的：

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也是在一个for循环里逐个加载颜色集，比如arrays.xml里的

<item>@color/primary_text_dark</item>

这个颜色集的参考文件是frameworks/base/core/res/res/color/primary_text_dark.xml，





现在，我们画一张加载系统资源的调用关系图：

3.2.4启动Android系统服务——startSystemServer()

接下来就是启动Android的重头戏了，此时ZygoteInit的main()函数会调用startSystemServer()，该函数用于启动整个Android系统的系统服务。其大体做法是先fork一个子进程，然后在子进程中做一些初始化动作，继而执行SystemServer类的main()静态函数。需要注意的是，startSystemServer()并不是在函数体内直接调用Java类的main()函数的，而是通过抛异常的方式，在startSystemServer()之外加以处理的。

startSystemServer()的代码如下：

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args[]中的字符串	对应
"--setuid=1000"	parsedArgs.uid
"--setgid=1000"	parsedArgs.gid
"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008, 1009,1010,1018,1021,1032,3001,3002,3003,3006,3007"	parsedArgs.gids
"--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities	capabilitiesSpecified = true; permittedCapabilities = Long.decode(capStrings[0]); effectiveCapabilites = Long.decode(capString[1]);
"--runtime-init"	parsedArgs.runtimeInit设为true
"--nice-name=system_server"	parsedArgs.niceName
"com.android.server.SystemServer"	parsedArgs.remainingArgs

3.2.4.1Zygote.forkSystemServer()

Zygote.forkSystemServer()的代码如下：

【libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/Zygote.java】

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其中的nativeForkSystemServer()是个native成员函数，其对应的C++层函数为Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer()。

【dalvik/vm/native/dalvik_system_Zygote.cpp】

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forkAndSpecializeCommon()内部其实会调用fork()，而后设置gid、uid等信息。

3.2.4.2SystemServer的handleSystemServerProgress()函数

接着，startSystemServer()会在新fork出的子进程中调用handleSystemServerProgress()，让这个新进程成为真正的系统进程（SystemServer进程）。

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注意，调用handleSystemServerProcess()时，程序是运行在新fork出的进程中的。handleSystemServerProcess()的代码如下：

【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java】

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3.2.4.2.1closeServerSocket()
因为当前已经不是运行在zygote进程里了，所以zygote里的那个监听socket就应该关闭了。这就是closeServerSocket()的意义，其代码如下：

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在handleSystemServerProcess()函数里，parsedArgs.niceName就是“system_server”，而且因为parsedArgs.invokeWith没有指定，所以其值为null，于是程序会走到RuntimeInit.zygoteInit()。

3.2.4.2.2RuntimeInit.zygoteInit()
RuntimeInit.zygoteInit()的代码如下：

【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java】

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3.2.4.2.2.1.调用redirectLogStreams()
首先，在新fork出的系统进程里，需要重新定向系统输出流。

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3.2.4.2.2.2.调用commonInit()

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当前正处于系统进程的主线程中，可以调用Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler()来设置一个默认的异常处理器，处理程序中的未捕获异常。其他的初始化动作，我们暂不深究。

3.2.4.2.2.3.调用nativeZygoteInit()
接下来调用的nativeZygoteInit()是个JNI函数，在AndroidRuntime.cpp文件中可以看到：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

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nativeZygoteInit()对应的本地函数为com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit()。

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gCurRuntime是C++层的AndroidRuntime类的静态变量。在AndroidRuntime构造之时，

gCurRuntime = this。不过实际调用的onZygoteInit()应该是AndroidRuntime的子类AppRuntime的：

【frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp】

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里面构造了进程的ProcessState全局对象，而且启动了线程池。

ProcessState对象是典型的单例模式，它的self()函数如下：

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ProcessState对于Binder通信机制而言非常重要，现在system server进程的PrecessState算是初始化完毕了。

我们整理一下思路，画一张startSystemServer()的调用关系图：





接下来我们来讲上图中zygoteInit()调用的最后一行：applicationInit()。

3.2.4.2.2.4.调用applicationInit()
applicationInit()函数的代码如下：

【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java】

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其中的invokeStaticMain()一句最为关键，它承担向外抛出“特殊异常”的作用。我们先画一张startSystemServer()的调用关系图：





看到了吧，最后一步抛出了异常。这相当于一个“特殊的goto语句”！上面的cl = Class.forName(className)一句，其实加载的就是SystemServer类。这个类名是从前文的parsedArgs.remainingArgs得来的，其值就是“com.android.server.SystemServer”。此处抛出的异常，会被本进程的catch语句接住，在那里才会执行SystemServer类的main()函数。示意图如下：





如上图所示，新fork出的SystemServer子进程直接跳过了中间那句runSelectLoop()，径直跳转到caller.run()一步了。

当然，父进程Zygote在fork动作后，会退出startSystemServer()函数，并走到runSelectLoop()，从而进入一种循环监听状态，每当Activity Manager Service向它发出“启动新应用进程”的命令时，它又会fork一个子进程，并在子进程里抛出一个异常，这样子进程还是会跳转到catch一句。

我们可以把上面的示意图再丰富一下：




还有一点需要说明一下，fork出的SystemServer进程在跳转到catch语句后，会执行SystemServer类的main()函数，而其他情况下，fork出的应用进程在跳转的catch语句后，则会执行ActivityThread类的main()函数。这个ActivityThread对于应用程序而言非常重要，但因为和本篇主题关系不大，我们就不在这里展开讲了。

3.2.4.3 SystemServer的main()函数

前文我们已经看到了，startSystemServer()创建的新进程在执行完applicationInit()之后，会抛出一个异常，并由新fork出的SystemServer子进程的catch语句接住，继而执行SystemServer类的main()函数。

那么SystemServer的main()函数又在做什么事情呢？其调用关系图如下：





在Android4.4版本中，ServerThread已经不再继承于Thread了，它现在只是个辅助类，其命名还残留有旧代码的味道。在以前的Android版本中，ServerThread的确继承于Thread，而且在线程的run()成员函数里，做着类似addService、systemReady的工作。

因为本文主要是阐述zygote进程的，所以我们就不在这里继续细说system server进程啦，有兴趣的同学可以继续研究。我们还是回过头继续说zygote里的动作吧。

3.2.5监听zygote socket

3.2.5.1runSelectLoop()

ZygoteInit的main()函数在调用完startSystemServer()之后，会进一步走到runSelectLoop()。runSelectInit()的代码如下：

【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java】

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在一个while循环中，不断调用selectReadable()。该函数是个native函数，对应C++层的com_android_internal_os_ZygoteInit_selectReadable()。

【frameworks/base/core/jni/com_android_internal_os_ZygoteInit.cpp】

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可以看到，主要就是调用select()而已。在Linux的socket编程中，select()负责监视若干文件描述符的变化情况，我们常见的变化情况有：读、写、异常等等。在zygote中，

err = select (nfds, &fdset, NULL, NULL, NULL);一句的最后三个参数都为NULL，表示该select()操作只打算监视文件描述符的“读变化”，而且如果没有可读的文件，select()就维持阻塞状态。

在被监视的文件描述符数组（fds）中，第一个文件描述符对应着“zygote接收其他进程连接申请的那个socket（及sServerSocket）”，一旦它发生了变化，我们就尝试建立一个ZygoteConnection。

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看到了吗，新创建的ZygoteConnection会被再次写入文件描述符数组（fds）。

如果select动作发现文件描述符数组（fds）的其他文件描述符有东西可读了，说明有其他进程通过某个已建立好的ZygoteConnection发来了命令，此时我们需要调用runOnce()。

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建立ZygoteConnection的acceptCommandPeer()的代码如下：

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3.2.5.1.1ZygoteConnection的runOnce()
ZygoteConnection的runOnce()代码截选如下：

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3.2.5.1.2readArgumentList()
runOnce()中从socket中读取参数数据的动作是由readArgumentList()完成的，该函数的代码如下：

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可是是谁在向这个socket写入参数的呢？当然是AMS啦。

我们知道，当AMS需要启动一个新进程时，会调用类似下面的句子：

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包括ActivityThread类名等重要信息的参数，最终就会通过socket传递给zygote。

3.2.5.1.3handleChildProc()
runOnce()在读完参数之后，会进一步调用到handleChildProc()。正如前文所说，该函数会间接抛出特殊的MethodAndArgsCaller异常，只不过此时抛出的异常携带的类名为ActivityThread。

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4小结

至此，zygote进程就阐述完毕了。作为一个最原始的“受精卵”，它必须在合适的时机进行必要的细胞分裂。分裂动作也没什么大的花样，不过就是fork()新进程而已。如果fork()出的新进程是system server，那么其最终执行的就是SystemServer类的main()函数，而如果fork()出的新进程是普通的用户进程的话，那么其最终执行的就是ActivityThread类的main()函数。有关ActivityThread的细节，我们有时间再深入探讨，这里就不细说了。

本篇文章和我的上一篇文章《Android4.4的init进程》可以算是姊妹篇啦。读完这两篇文章，我相信大家对Android的启动流程能有一些大面上的认识了。