android進階——深入理解應用程序的進程是如何啓動的

一、簡介

當我們打開android手機的時候，不知道你是否想過app是如何啓動的呢？

接下來，我將從源碼角度進行解析，當然，本文作爲上篇，是介紹應用程序的進程啓動過程，而不是應用程序的啓動過程，他們的區別就是煮飯前要準備鍋具，沒有鍋具就無法煮飯，本文就是準備鍋具的，但是也不簡單哦。

文章將從兩個方面介紹，一個AMS發送請求，一個是Zygote接受請求。

AMS就是Activity Manager System，管理Activity的，而Zygote就是創建進程的一個進程，所以AMS要想創建進程必須從Zygote那裏進行申請，一系列的故事，就此展開。

二、AMS發送請求

從圖中可以簡略看出，首先AMS自己調用了自己的startProcessLocked方法，會創建相應的用戶id，用戶id組，以及對應的應用程序進程的主線程名——android.app.ActivityThread。

private final void startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
        String hostingNameStr, String abiOverride, String entryPoint, String[] entryPointArgs) {
    ...
    try {
        int uid = app.uid;
        int[] gids = null;
        int mountExternal = Zygote.MOUNT_EXTERNAL_NONE;
        if (!app.isolated) {
            int[] permGids = null;
            if (ArrayUtils.isEmpty(permGids)) {
                gids = new int[3];
            } else {
                gids = new int[permGids.length + 3];
                System.arraycopy(permGids, 0, gids, 3, permGids.length);
            }
            gids[0] = UserHandle.getSharedAppGid(UserHandle.getAppId(uid));
            gids[1] = UserHandle.getCacheAppGid(UserHandle.getAppId(uid));
            gids[2] = UserHandle.getUserGid(UserHandle.getUserId(uid));
        }
        String requiredAbi = (abiOverride != null) ? abiOverride : app.info.primaryCpuAbi;
        if (requiredAbi == null) {
            requiredAbi = Build.SUPPORTED_ABIS[0];
        }


    ...
        if (entryPoint == null) entryPoint = "android.app.ActivitThread";
        ...
        if (hostingType.equals("webview_service")) {
            ...
        } else {
            startResult = Process.start(entryPoint,
                    app.processName, uid, uid, gids, debugFlags, mountExternal,
                    app.info.targetSdkVersion, seInfo, requiredAbi, instructionSet,
                    app.info.dataDir, invokeWith, entryPointArgs);
        }
       ...
}

這裏面的start中有一個參數名爲requireAbi，在下面會改成abi起到比對的重要作用。

startProcessLocked方法內部會調用Process的start方法，而這個start方法只幹了一件事，就是調用ZygoteProcess的start方法。

ZygoteProcess的作用在於保持與Zygote通信的狀態，在其start方法中，會調用StartViaZygote方法，這裏的出現了下面很重要的abi。

public final Process.ProcessStartResult start(final String processClass,
                                                  final String niceName,
                                                  int uid, int gid, int[] gids,
                                                  ...
                                                  String abi,
                                                  ...
                                                  String[] zygoteArgs) {
        try {
            return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids,
                    debugFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,
                    abi, instructionSet, appDataDir, invokeWith, zygoteArgs);
       ...
    }

StartViaZygote方法會維護一個名爲argsForZygote的列表，顧名思義，所有能夠啓動應用程序的進程的參數，都會保存在這裏。然後這個列表作爲一個參數，被傳入到ZygoteSendArgsAndGetResult方法中，這個方法也是在StartViaZygote方法中被調用.另外要注意的是，openZygoteSocketIfNeeded方法也是作爲參數傳入了ZygoteSendArgsAndGetResult方法中。

private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass,
                                                  final String niceName,
                                                  final int uid, final int gid,
                                                  final int[] gids,
                                                  ...
                                                  String abi,
                                                  ...)
                                                  throws ZygoteStartFailedEx {
    ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();
    argsForZygote.add("--runtime-args");
    argsForZygote.add("--setuid=" + uid);
    argsForZygote.add("--setgid=" + gid);
   ...
    synchronized(mLock) {
        return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
    }
}

ZygoteSendArgsAndGetResult方法作用是將傳入的參數，也就是argsForZygote中保存的數據寫入到ZygoteState中，從圖中我們雖然將ZygoteState和ZygoteProcess做了並列處理，但是ZygoteState是ZygoteProcess的一個靜態內部類，上面提到的ZygoteProcess的作用在於保持與Zygote通信的狀態，其功能的完成就是在ZygoteState中。

private static Process.ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult(
        ZygoteState zygoteState, ArrayList<String> args)
        throws ZygoteStartFailedEx {
    try {
     
        final BufferedWriter writer = zygoteState.writer;
        final DataInputStream inputStream = zygoteState.inputStream;


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


        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            String arg = args.get(i);
            writer.write(arg);
            writer.newLine();
        }


        writer.flush();
    ...
        result.pid = inputStream.readInt();
        result.usingWrapper = inputStream.readBoolean();
        ...
}

從上面的方法看出，ZygoteSendArgsAndGetResult方法的第一個參數變成了ZygoteState，也就是說，openZygoteSocketIfNeeded方法的返回值是ZygoteState。

openZygoteSocketIfNeeded方法也處於ZygoteProcess中，就寫在StartViaZygote下面，可以看到，在第6行與Zygote進程建立了連接。

private ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedE
    Preconditions.checkState(Thread.holdsLock(mLock), "ZygoteProcess lock not held");


    if (primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()) {
        try {
            primaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSocket);//建立連接
        } catch (IOException ioe) {
            throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to primary zygote", ioe);
        }
    }
  //這裏primaryZygoteState是連接主模式後返回的ZygoteState,比對其是否與需要的abi匹配
    if (primaryZygoteState.matches(abi)) {
        return primaryZygoteState;
    }
  //如果主模式不成功，連接輔模式
    if (secondaryZygoteState == null || secondaryZygoteState.isClosed()) {
        try {
            secondaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSecondarySocket);
        } catch (IOException ioe) {
            throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to secondary zygote", ioe);
        }
    }
  //匹配輔模式的abi
    if (secondaryZygoteState.matches(abi)) {
        return secondaryZygoteState;
    }


    throw new ZygoteStartFailedEx("Unsupported zygote ABI: " + abi);

爲什麼第6行可以連接Zygote呢？因爲Zygote是最先創建的進程，如果沒有Zygote，我們的應用程序的進程也無從談起，而Zygote爲了創建其他進程，他會設置一個Socket監聽，就是通過這個Socket，完成與Zygote的連接。

而對於主模式和輔助模式，這裏不細講，就是有兩次連接並匹配abi的機會。

要匹配abi的原因在於，Zygote雖然可以fork自己不斷創建進程，但是畢竟是有限的，而且需要資源，只有啓動某個應用程序所必須的進程纔有被創建的意義，這時候就在一開始的AMS中給設置一個abi，如果與後來的Zygote匹配，證明是需要被創建的。

當匹配完成時，就會返回一個primaryZygoteState，此時AMS發送請求這一流程就結束了，接下來，就是Zygote如何接受請求並創建應用程序的進程的過程了。

三、Zygote接受請求

依然是時序圖，甚至說，有了時序圖，根本就不需要看後面的文章啦。

看起來比上一個圖稍微複雜些，不過可以發現還是很有規律的，Zygote先到ZygoteServer再回來，再到ZygoteConnection，再回來……

所以，後面幾個方法都在ZygoteInit中被調用，而且時間先後就是圖中所示。

在AMS發送請求完成後，Zygote會連接到一個ZygoteState，而這個ZygoteState在之前的ZygoteSendArgsAndGetResult方法中被寫入了argsForZygote所保存的數據，這些數據就是請求的具體參數。

現在Zygote將會收到這些參數，並在ZygoteInit中進行相應操作。

ZygoteInit首先會執行其main方法。

 public static void main(String argv[]) {
       ...
        try {
           ...
            //設置Socket監聽
            zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
            if (!enableLazyPreload) {
                bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
                EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                    SystemClock.uptimeMillis());
                preload(bootTimingsTraceLog);
                EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                    SystemClock.uptimeMillis());
                bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
            } else {
                Zygote.resetNicePriority();
           ...

            if (startSystemServer) {
                startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);//啓動SystemServer進程
            }


            Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
            zygoteServer.runSelectLoop(abiList);//等待AMS請求


            zygoteServer.closeServerSocket();
        ...
    }

這裏最後一個註釋，就是一切都準備好了，只等AMS發來請求，現在我們看看RunSelectLoop方法是如何做的，猜測既然是等待，那肯定有一個死循環while，這個函數就在ZygoteServer之中。

void runSelectLoop(String abiList) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
    fds.add(mServerSocket.getFileDescriptor());
    peers.add(null);
    while (true) {
        ...
        for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
            if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                continue;
            }
            if (i == 0) {
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDesciptor());

 } else {
                //一個連接一個連接的運行
                boolean done = peers.get(i).runOnce(this);
                if (done) {
                    peers.remove(i);
                    fds.remove(i);
                }
            }
        }
    }
}

果然有一個while(true)，哈哈，獎勵自己晚上早睡十分鐘。

可以看到這裏維護了一個ZygoteConnection型的列表，每當連接不夠時，就會增加，然後一個一個連接的進行執行，執行玩一個連接，就移除一個。

runOnce方法的作用就是讀取argsForZygote所保存的數據，完成交接，這個方法顯然，在ZygoteConnection中。

boolean runOnce(ZygoteServer zygoteServer) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    String args[];
    Arguments parsedArgs = null;
    FileDescriptor[] descriptors;
    try {
        args = readArgumentList(); //讀取之前寫入的數據
        descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
    } catch (IOException ex) {
        Log.w(TAG, "IOException on command socket " + ex.getMessage());
        closeSocket();
        return true;
    }
  ...
    try {
        parsedArgs = new Arguments(args);
    ...
        //創建應用程序進程
        pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
                parsedArgs.niceName, fdsToClose, fdsToIgnore, parsedArgs.instructionSet,
                parsedArgs.appDataDir);
    }
    ...
    try {
        if (pid == 0) {//當前邏輯運行在子程序中
            zygoteServer.closeServerSocket();
            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            serverPipeFd = null;
            handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);


            return true;
        }
        ...
    }
}

如果在18行處的pid返回值爲0，那麼恭喜，此時的子進程已經創建完成，各種id和參數都傳進去了，此時就會調用handleChildProc方法來處理出現的應用程序的進程（還是要提醒，本文創建的是應用程序的進程，而非應用程序本身）。

handleChildProc方法回調了ZygoteInit中的zygoteInit方法，注意，這裏的z是小寫！

private void handleChildProc(Arguments parsedArgs,
        FileDescriptor[] descriptors, FileDescriptor pipeFd, PrintStream newStderr)
        throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    ...
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
    if (parsedArgs.invokeWith != null) {
        WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
                parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
                VMRuntime.getCurrentInstructionSet(),
                pipeFd, parsedArgs.remainingArgs);
    } else {
        ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
                parsedArgs.remainingArgs, null /* classLoader */);
    }
}

現在我們回到ZygoteInit中，看看zygoteInit是怎麼寫的。

public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
        ClassLoader classLoader) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    if (RuntimeInit.DEBUG) {
        Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
    }


    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
    RuntimeInit.redirectLogStreams();


    RuntimeInit.commonInit();
    ZygoteInit.nativeZygoteInit();
    RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}

注意到這個方法是一個靜態的final方法，在12行代碼處，會執行RuntimeInit的applicationInit方法。

protected static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[]
        throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    ...
    final Arguments args;
    try {
        args = new Arguments(argv);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        Slog.e(TAG, ex.getMessage());
        // let the process exit
        return;
    }
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
    invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}

同樣在最後一行，調用了invokeStaticMain方法，這裏傳入了三個參數，第一個參數args.startClass就是本文一開始說的那個主線程的名字android.app.MainThread。

終於我們到了最後一站！現在我們進入invokeStaticMain方法。

private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader
        throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    Class<?> cl;


    try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);//反射獲取MainThread
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing class when invoking static main " + className,
                ex);
    }


    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });//獲得main
    } catch (NoSuchMethodException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing static main on " + className, ex);
    } catch (SecurityException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Problem getting static main on " + className, ex);
   ...
    throw new Zygote.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

這裏的className就是我們剛剛提到的args.startClass，也就是主線程名字，通過第6行的反射獲取到對應的類，命名爲c1，然後再通過15行代碼獲取主方法main，並將main傳入到MethodAndArgsCaller方法中，當做異常拋出。

爲什麼這裏要用拋出異常的方法呢？

聯想到這是最後一步，拋出異常的方式將會清除設置過程中需要的堆棧幀，僅僅留下一個main方法，使得main方法看起來像一個入口方法，畢竟，前面那麼多的工作，那麼多類的流血犧牲，最後都是爲了成就他。當他出現時，前面的東西，也就沒有必要存在了。

現在異常拋出了，誰來接受呢？當然，是main了，main位於ZygoteInit中。

public static void main(String argv[]) {
    ...
        zygoteServer.closeServerSocket();
    } catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run();
    } catch (Throwable ex) {
        Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
        zygoteServer.closeServerSocket();
        throw ex;
    }
}

可以看到，當出現了一個MethodAndArgsCaller型的異常的時候，main會捕捉到，並且執行他的run方法，這個run方法在MethodAndArgsCaller中，他是一個靜態類。

public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
        implements Runnable {
    ...
    public void run() {
        try {
            mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        } catch (InvocationTargetException ex) {
           ...
        }
    }
}

調用了invoke方法後，ActivityThread裏面的main方法就會被動態調用，應用程序的進程就進入了這一main方法中。

經過上面的種種操作，我們創建了應用程序的進程並且運行了ActivityThread。

小結

簡單來說就是要想創建應用程序的進程，需要AMS發送請求，傳入主線程名，這一請求必須符合Zygote的abi，並且將請求參數寫在ZygoteState中。

然後Zygote讀取參數，fork自身去生成新的進程，如果返回的pid爲0，那麼就完成了應用程序的進程的創建。

然後通過反射將主線程名轉換爲主線程的類，獲得其main方法，通過拋出一個異常清除掉之前的堆棧幀，在main方法裏面接受這個異常，並執行run方法以激活main方法，使得應用程序的進程進入到main方法中得以運行。

寫了一早上，呼~，準備喫飯啦，還有什麼不懂的可以評論區提問哦。

作者：神鷹夢澤
鏈接：https://juejin.im/post/5f0165e1e51d453493111cf5

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