Android启动篇 — init原理(1)

Android启动篇 — init原理（一）

【开篇说明】

　　在【Android启示录】中，提到了主要的分析对象和分享内容，抛开Android内核级的知识点，学习Android第一步便是“init”，作为天字第一号进程，代码羞涩难懂，但是也极其重要，熟悉init的原理对后面Zygote --
SystemServer -- 核心服务等一些列源码的研究是有很大作用的，所以既然说研究Android源码，就先拿init “庖丁解牛”！

【正文开始】

　　Init进程，它是一个由内核启动的用户级进程，当Linux内核启动之后，运行的第一个进程是init，这个进程是一个守护进程，确切的说，它是Linux系统中用户控件的第一个进程，所以它的进程号是1。它的生命周期贯穿整个linux 内核运行的始终， linux中所有其它的进程的共同始祖均为init进程，可以通过“adb shell ps | grep init”查看进程号。

  Android init进程的入口文件在system/core/init/init.cpp中，由于init是命令行程序，所以分析init.cpp首先应从main函数开始：

int main(int argc, char** argv) {    // 入口函数main
if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
return ueventd_main(argc, argv);
}

if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
return watchdogd_main(argc, argv);
}

// Clear the umask.
umask(0);    // 清除屏蔽字(file mode creation mask)，保证新建的目录的访问权限不受屏蔽字影响。
add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);

bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);    // 判断是否是系统启动的第一阶段，只有启动参数中有--second-stage才为第二阶段

// Get the basic filesystem setup we need put together in the initramdisk
// on / and then we'll let the rc file figure out the rest.
if (is_first_stage) {
mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");                        // 挂载tmpfs文件系统
mkdir("/dev/pts", 0755);
mkdir("/dev/socket", 0755);
mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);                                 // 挂载devpts文件系统
#define MAKE_STR(x) __STRING(x)
mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));     // 挂载proc文件系统
mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);                                       // 挂载sysfs文件系统
}

　　以上代码主要做的工作就是：【创建文件系统目录并挂载相关的文件系统】

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
// We must have some place other than / to create the device nodes for
// kmsg and null, otherwise we won't be able to remount / read-only
// later on. Now that tmpfs is mounted on /dev, we can actually talk
// to the outside world.
open_devnull_stdio();    // 重定向标准输入输出到/dev/_null_  -->  定义在system/core/init/Util.cpp中
// init进程通过klog_init函数，提供输出log信息的设备  -->  定义在system/core/libcutils/Klog.c中
klog_init();      // 对klog进行初始化
klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL);  // NOTICE level

　　继续分析源码，接下来要做的就是初始化属性域：

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
/* 03. 初始化属性域 */
NOTICE("init %s started!\n", is_first_stage ? "first stage" : "second stage");
if (!is_first_stage) {      // 引入SELinux机制后，通过is_first_stage区分init运行状态
// Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.
close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));      /* 检测/dev/.booting文件是否可读写、创建等*/

property_init();        // 初始化属性域 --> 定义于system/core/init/Property_service.cpp

// If arguments are passed both on the command line and in DT,
// properties set in DT always have priority over the command-line ones.
process_kernel_dt();
process_kernel_cmdline();     // 处理内核命令行
// Propagate the kernel variables to internal variables
// used by init as well as the current required properties.
export_kernel_boot_props();
}

　　看一下property_init方法：位于system/core/init/Property_service.cpp中

void property_init() {
if (__system_property_area_init()) {         // 调用此函数初始化属性域
ERROR("Failed to initialize property area\n");
exit(1);
}
}

　　继续分析main函数：

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
/* 03. 初始化属性域 */
/* 04. 完成SELinux相关工作 */
// Set up SELinux, including loading the SELinux policy if we're in the kernel domain.
selinux_initialize(is_first_stage);     // 调用selinux_initialize启动SELinux

　　详细看一下selinux_initialize()函数：

static void selinux_initialize(bool in_kernel_domain) {     // 区分内核态和用户态
Timer t;      //使用Timer计时，计算selinux初始化耗时

selinux_callback cb;
cb.func_log = selinux_klog_callback;              // 用于打印Log的回调函数
selinux_set_callback(SELINUX_CB_LOG, cb);
cb.func_audit = audit_callback;                    // 用于检查权限的回调函数
selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);

if (in_kernel_domain) {        // 内核态处理流程，第一阶段in_kernel_domain为true
INFO("Loading SELinux policy...\n");        // 该行log打印不出，INFO级别
// 用于加载sepolicy文件。该函数最终将sepolicy文件传递给kernel，这样kernel就有了安全策略配置文件
if (selinux_android_load_policy() < 0) {
ERROR("failed to load policy: %s\n", strerror(errno));
security_failure();
}

bool kernel_enforcing = (security_getenforce() == 1);      // 内核中读取的信息
bool is_enforcing = selinux_is_enforcing();                // 命令行中得到的信息
if (kernel_enforcing != is_enforcing) {
// 用于设置selinux的工作模式。selinux有两种工作模式：
// 1、”permissive”，所有的操作都被允许（即没有MAC），但是如果违反权限的话，会记录日志
// 2、”enforcing”，所有操作都会进行权限检查。在一般的终端中，应该工作于enforing模式
if (security_setenforce(is_enforcing)) {        //设置selinux的模式，是开还是关
ERROR("security_setenforce(%s) failed: %s\n",
is_enforcing ? "true" : "false", strerror(errno));
security_failure();    // 将重启进入recovery mode
}
}

if (write_file("/sys/fs/selinux/checkreqprot", "0") == -1) {
security_failure();
}

NOTICE("(Initializing SELinux %s took %.2fs.)\n",
is_enforcing ? "enforcing" : "non-enforcing", t.duration());   //输出selinux的模式，与初始化耗时

} else {
selinux_init_all_handles(); //如果启动第二阶段，调用该函数
}
}

 　　回到main函数中继续分析：

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
/* 03. 初始化属性域 */
/* 04. 完成SELinux相关工作 */
/* 05. 重新设置属性 */
// If we're in the kernel domain, re-exec init to transition to the init domain now
// that the SELinux policy has been loaded.
if (is_first_stage) {
if (restorecon("/init") == -1) {    // 按selinux policy要求，重新设置init文件属性

ERROR("restorecon failed: %s\n", strerror(errno));
security_failure();
}
char* path = argv[0];
char* args[] = { path, const_cast<char*>("--second-stage"), nullptr };     //设置参数--second-stage

 

if (execv(path, args) == -1) {        // 执行init进程，重新进入main函数
ERROR("execv(\"%s\") failed: %s\n", path, strerror(errno));
security_failure();
}
}

// These directories were necessarily created before initial policy load
// and therefore need their security context restored to the proper value.
// This must happen before /dev is populated by ueventd.
NOTICE("Running restorecon...\n");
restorecon("/dev");
restorecon("/dev/socket");
restorecon("/dev/__properties__");
restorecon("/property_contexts");

restorecon_recursive("/sys");

epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);         // 调用epoll_create1创建epoll句柄
if (epoll_fd == -1) {
ERROR("epoll_create1 failed: %s\n", strerror(errno));
exit(1);
}

　　接着往下分析：

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
/* 03. 初始化属性域 */
/* 04. 完成SELinux相关工作 */·
/* 05. 重新设置属性 */
/* 06. 创建epoll句柄 */
/* 07. 装载子进程信号处理器 */
signal_handler_init();       // 装载子进程信号处理器

    Note：init是一个守护进程，为了防止init的子进程成为僵尸进程(zombie
process)，需要init在子进程结束时获取子进程的结束码，通过结束码将程序表中的子进程移除，防止成为僵尸进程的子进程占用程序表的空间（程序表的空间达到上限时，系统就不能再启动新的进程了，会引起严重的系统问题）。

　　细化signal_handler_init()函数：

void signal_handler_init() {        // 函数定位于：system/core/init/Singal_handler.cpp
// 在linux当中，父进程是通过捕捉SIGCHLD信号来得知子进程运行结束的情况
// Create a signalling mechanism for SIGCHLD.
int s[2];
// 利用socketpair创建出已经连接的两个socket，分别作为信号的读、写端
if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC, 0, s) == -1) {
ERROR("socketpair failed: %s\n", strerror(errno));
exit(1);
}

signal_write_fd = s[0];
signal_read_fd = s[1];

// Write to signal_write_fd if we catch SIGCHLD.
struct sigaction act;
memset(&act, 0, sizeof(act));
// 信号处理器为SIGCHLD_handler，其被存在sigaction结构体中，负责处理SIGCHLD消息
act.sa_handler = SIGCHLD_handler;       // 信号处理器：SIGCHLD_handler
act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;            // 仅当进程终止时才接受SIGCHLD信号
// 调用信号安装函数sigaction，将监听的信号及对应的信号处理器注册到内核中
sigaction(SIGCHLD, &act, 0);
// 相对于6.0的代码，进一步作了封装，用于终止出现问题的子进程
ServiceManager::GetInstance().ReapAnyOutstandingChildren();

register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);        // 定义在system/core/init/Init.cpp
}

　　Linux进程通过互相发送接收消息来实现进程间的通信，这些消息被称为“信号”。每个进程在处理其它进程发送的信号时都要注册处理者，处理者被称为信号处理器。

　　注意到sigaction结构体的sa_flags为SA_NOCLDSTOP。由于系统默认在子进程暂停时也会发送信号SIGCHLD，init需要忽略子进程在暂停时发出的SIGCHLD信号，因此将act.sa_flags 置为SA_NOCLDSTOP，该标志位表示仅当进程终止时才接受SIGCHLD信号。

　　观察SIGCHLD_handler具体工作：

static void SIGCHLD_handler(int) {
/* init进程是所有进程的父进程，当其子进程终止产生SIGCHLD信号时，SIGCHLD_handler对signal_write_fd执行写操作，由于socketpair的绑定关系，这将触发信号对应的signal_read_fd收到数据。*/
if (TEMP_FAILURE_RETRY(write(signal_write_fd, "1", 1)) == -1) {
ERROR("write(signal_write_fd) failed: %s\n", strerror(errno));
}
}

　　在装在信号监听器的最后，有如下函数：register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);

void register_epoll_handler(int fd, void (*fn)()) {        // 回到init.cpp中
epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.ptr = reinterpret_cast<void*>(fn);
// epoll_fd增加一个监听对象fd,fd上有数据到来时，调用fn处理
// 当epoll句柄监听到signal_read_fd中有数据可读时，将调用handle_signal进行处理。
if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {
ERROR("epoll_ctl failed: %s\n", strerror(errno));
}
}

【小结】

　　当init进程调用signal_handler_init后，一旦收到子进程终止带来的SIGCHLD消息后，将利用信号处理者SIGCHLD_handler向signal_write_fd写入信息； epoll句柄监听到signal_read_fd收消息后，将调用handle_signal进行处理。

　　


　　查看handle_signal函数：

static void handle_signal() {      // --> 位于system/core/init/signal_handler.cpp中
// Clear outstanding requests.
char buf[32];
read(signal_read_fd, buf, sizeof(buf));

ServiceManager::GetInstance().ReapAnyOutstandingChildren();
}

　　从代码中可以看出，handle_signal只是清空signal_read_fd中的数据，然后调用ServiceManager::GetInstance().ReapAnyOutstandingChildren()。

　　继续分析：

// 定义于system/core/init/service.cpp中，是一个单例对象。
ServiceManager::ServiceManager() {     // 默认private属性
}

ServiceManager& ServiceManager::GetInstance() {
static ServiceManager instance;
return instance;
}
void ServiceManager::ReapAnyOutstandingChildren() {
while (ReapOneProcess()) {    // 实际调用了ReapOneProcess函数
}
}

　　接下来看下ReapOneProcess这个函数：

bool ServiceManager::ReapOneProcess() {
int status;
//用waitpid函数获取状态发生变化的子进程pid
//waitpid的标记为WNOHANG，即非阻塞，返回为正值就说明有进程挂掉了
pid_t pid = TEMP_FAILURE_RETRY(waitpid(-1, &status, WNOHANG));
if (pid == 0) {
return false;
} else if (pid == -1) {
ERROR("waitpid failed: %s\n", strerror(errno));
return false;
}
// 利用FindServiceByPid函数，找到pid对应的服务。
// FindServiceByPid主要通过轮询解析init.rc生成的service_list，找到pid与参数一直的svc
Service* svc = FindServiceByPid(pid);

std::string name;
if (svc) {
name = android::base::StringPrintf("Service '%s' (pid %d)",
svc->name().c_str(), pid);
} else {
name = android::base::StringPrintf("Untracked pid %d", pid);
}

if (WIFEXITED(status)) {
NOTICE("%s exited with status %d\n", name.c_str(), WEXITSTATUS(status));
} else if (WIFSIGNALED(status)) {
NOTICE("%s killed by signal %d\n", name.c_str(), WTERMSIG(status));         // 输出服务结束原因
} else if (WIFSTOPPED(status)) {
NOTICE("%s stopped by signal %d\n", name.c_str(), WSTOPSIG(status));
} else {
NOTICE("%s state changed", name.c_str());
}

if (!svc) {
return true;
}

if (svc->Reap()) {                 // 结束服务，相对于6.0作了进一步的封装，重启一些子进程，不做具体分析
waiting_for_exec = false;
RemoveService(*svc);           // 移除服务对应的信息
}

return true;
}

　　继续分析main()函数：

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
/* 03. 初始化属性域 */
/* 04. 完成SELinux相关工作 */·
/* 05. 重新设置属性 */
/* 06. 创建epoll句柄 */
/* 07. 装载子进程信号处理器 */
/* 08. 启动匹配属性的服务端*/
property_load_boot_defaults();      // 进程调用property_load_boot_defaults进行默认属性配置相关的工作
export_oem_lock_status();

std::string bootmode = property_get("ro.bootmode");      // 获取启动模式
if (strncmp(bootmode.c_str(), "ffbm", 4) == 0){
property_set("ro.logdumpd","0");
}else{
property_set("ro.logdumpd","1");
}
start_property_service();      // 启动属性服务

　　看下property_load_boot_defaults()函数：位于system/core/init/Property_service.cpp中

// property_load_boot_defaults实际上就是调用load_properties_from_file解析配置文件       /* 09. 设置默认系统属性 */
// 然后根据解析的结果，设置系统属性
void property_load_boot_defaults() {
load_properties_from_file(PROP_PATH_RAMDISK_DEFAULT, NULL);
}

　　接着继续分析main：

int main(int argc, char** argv) {
/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */
/* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */
/* 03. 初始化属性域 */
/* 04. 完成SELinux相关工作 */·
/* 05. 重新设置属性 */
/* 06. 创建epoll句柄 */
/* 07. 装载子进程信号处理器 */
/* 08. 设置默认系统属性 */
/* 09. 启动配置属性的服务端 */
/* 10. 匹配命令和函数之间的对应关系 */

const BuiltinFunctionMap function_map;          // system/core/init/builtins.cpp
Action::set_function_map(&function_map);        // 在Action中保存function_map对象，记录了命令与函数之间的对应关系

【结尾】