学习笔记--从开机到SystemServer系统服务启动

从开机到SystemServer系统服务启动

注意事项写在前头：

本篇的阅读顺序为流程图--流程概述---围绕流程概述的源码分析。
本篇的源码分析部分(包括已作省略的伪代码)都务必配合注释食用,才能便于理解。
另外之前发布的一篇文章开头也涉及开机流程，可参考其中的启动流程图加深理解：AOSP下的系统开发

带着问题去思考，可能会好一点？

三个为什么?

流程图

Android的开机流程图是由下往上看的，从Loader-->Kernel--->C++ Framework---->Android Framework----->App应用

开机流程图

从开机到SystemServer系统服务启动概述（全文分析围绕的重点！！！）

Loader：当设备主板通电后, 引导芯片开始执行固化在ROM里的预设代码,加载引导程序到RAM(内存)中,主要负责进行内存检查,硬件参数的初始化功能。而当开机引导程序执行完成之后,就会开始加载Linux Kernel核心代码，进入Kernel。
Kernel：主要负责加载一些硬件设备驱动,初始化进程管理,内存管理,加载Driver驱动,比如相机驱动,显示屏驱动,输入驱动以及Media服务驱动等,启动内核核心进程。但是当上层应用需要访问硬件设备,仍要通过HAL(Hardware Abstract Layer),也就是通常描述的硬件抽象层。HAL主要是用来解决各家厂商硬件标准化不统一的问题,这些问题都由HAL（硬件抽象层）进行适配,提供统一的Api给上层应用调用。
C++ Framework：硬件驱动加载完成之后,会创建第一个用户进程,也就是init进程,它启动后会孵化出adbd,logd等用户守护进程（正是由于adbd和logd进程的存在，才能进行运行时断点调试以及日志输出的功能）,同时还会fork出Zygote进程。Zygote进程是承上启下（连接Java世界和Native世界）的存在，因为Zygote进程创建成功之后会反射调用com.android.internal.os.ZygoteInit（ZygoteInit.java类）从而进入Java世界。在ZygoteInit这个类的入口（main）方法中,会去创建Android Framework系统服务SystemServer进程，SystemSever进程是负责启动和管理整个Android Framework，包括ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等服务，并且后续的所有App应用进程都是由Zygote进程孵化而来。
App层：在每一个App应用进程创建完成后，都会由ZygoteInit类反射调用App进程的入口类ActivityThread类，从而启动App。这样App应用才开始运行起来。

在上面的概述（重点）之后，探究一个问题：

上面描述中，Zygote进程会调用ZygoteInit.java这个类，从而开始进入Java世界,我们已经知道Java可以通过JNI调用C++方法,那C++是如何主动访问Java实例方法和静态方法的呢?

~~众所周知~~在Java中class文件是由ClassLoader进行加载的,而其实ClassLoader也是通过C++进行加载Java类的。所以C++加载一个Class文件是很简单的。下面就看看Zygote进程是如何调用ZygoteInit这个类的:

// 1.Zygote进程创建完成后会固定加载ZygoteInit这个类
// 通过指定该类的全路径全类名,从classpath路径下搜索ZygoteInit这个类，并返回该类的Class对象
jClass clazz = (*env)->FindClass(env, "com/android/internal/os/ZygoteInit");

// 2.通过GetMethodID方法获取类的默认构造方法ID,该ID是为了下面创建对象使用的
jmethodID mid_construct = (*env)->GetMethodID(env,clazz, "<init>","()V"); 

// 3.创建该类的实例
jobject jobj = (*env)->NewObject(env,clazz,mid_construct); 

// 4.查找需要执行的实例方法的ID
jmethodID mid_instance = (*env)->GetMethodID(env, clazz, "main", "(Ljava/lang/String;I)V"); 

// 5.通过该类的实例对象调用对象的实例方法
 jstring str_arg = (*env)->NewStringUTF(env,"我是实例方法");
(*env)->CallVoidMethod(env,jobj,mid_instance,str_arg,200);

从Zygote进程开始分析

在概述3提到，Zygote进程是连接native世界和Java世界的存在，上面问题分析了native层是如何反射调用ZygoteInit类，我们可以接着分析ZygoteInit做了什么？
在ZygoteInit的入口方法也就是(main方法)中会启动SystemServer(系统服务进程),SystemServer进程创建成功后会执行它的入口类SystemServer.java类,在SystemServer.java类中会创建许多应用层熟知的系统服务,如ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等。在所有的系统服务启动完成之后，就会调起第一个App应用---Launcher了。下面我们配合注释来看下ZygoteInit.java的关键代码(代码有省略和删减,只选择了关键部分):

//------------------------------ZygoteInit.java伪代码------------------------------

public static void main(String argv[]){
    // 1.预加载frameworks/base/preloaded-classes和framework_res.apk资源
    // linux在fork进程时，只是为子进程创建一个数据结构，使子进程地址空间映射到与父进程相同的物理内存空间。
    // 虚拟机的创建也是实例拷贝,共享系统资源，如果每创建一个虚拟机都加载一份系统资源，将会非常耗时和浪费。
    // 子进程在刚fork生成时，完全共享父进程的进程物理空间，采用写时复制的方式共享资源。
    // 这样就能加快App启动速度了
    preloadClasses(); // 加载系统类文件
    preloadResources();// 加载系统资源文件
    preloadSharedLibraries(); // 加载系统动态库
       
    // 2.启动system_server进程。该进程是framework的核心。
    // 根据传入的参数是否包含start-system-server字符串,决定是否启动SystemServer进程。
    // SystemServer进程是Android Framework核心进程。
    if(argv[1].equals("start-system-server")){
        startSystemServer(); 
    } 
  
    // 3.创建Socket服务，用来接收ActivityManagerService进程创建的请求
    registerZygoteSocket();
  
    // 4.进入阻塞状态，等待连接，用以处理来自AMS申请进程创建的请求
    runSelectLoopMode(); 
 
}

SystemServer创建成功之后，也会进入它的入口类SystemServer.java。在它的main方法里，会启动各种各样的系统服务。

//------------------------------SystemServer.java伪代码------------------------------

public static void main(String argv[]){
    // 创建系统的服务的管理者
    SystemServiceManager mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
    // 启动引导服务
    startBootstrapServices();
    // 启动核心服务
    startCoreServices();
    // 启动其他一般服务
    startOtherServices();
}

SystemServer开启的系统服务们

SystemServer开启服务

//------------------------------SystemServer.java------------------------------

// 截取的SystemServer#startBootstrapServices部分代码中展示被开启的部分系统服务:mActivityManagerService,PowerManagerService
private void startBootstrapServices() {
    ...
    mSystemServiceManager.startService(DeviceIdentifiersPolicyService.class);
    ...
    mSystemServiceManager.startService(DeviceIdentifiersPolicyService.class);
    ...
    // Activity manager runs the show.
    traceBeginAndSlog("StartActivityManager");
    // TODO: Might need to move after migration to WM.
    ActivityTaskManagerService atm = mSystemServiceManager.startService(
    ActivityTaskManagerService.Lifecycle.class).getService();
    mActivityManagerService = ActivityManagerService.Lifecycle.startService(
        mSystemServiceManager, atm);
    mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
    mActivityManagerService.setInstaller(installer);
    mWindowManagerGlobalLock = atm.getGlobalLock();
    traceEnd();

    // Power manager needs to be started early because other services need it.
    // Native daemons may be watching for it to be registered so it must be ready
    // to handle incoming binder calls immediately (including being able to verify
    // the permissions for those calls).
    traceBeginAndSlog("StartPowerManager");
    mPowerManagerService = mSystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class);
    traceEnd();

    traceBeginAndSlog("StartThermalManager");
    mSystemServiceManager.startService(ThermalManagerService.class);
    traceEnd();
    ...
    ...
}

SystemServer开启系统服务之后

那么在这些系统服务启动完成之后,还会做什么操作呢?
我们可以看到

//------------------------------SystemServer.java------------------------------

// 在startOtherServices方法的最后代码段的注释是这么说的 :
//                             是时候让ActivityManagerService去启动第三方应用了。这也是Launcher应用开始被调起的地方
private void startOtherServices() {
    ...
    // We now tell the activity manager it is okay to run third party
    // code.  It will call back into us once it has gotten to the state
    // where third party code can really run (but before it has actually
    // started launching the initial applications), for us to complete our
    // initialization.
    mActivityManagerService.systemReady(() -> {...}, BOOT_TIMINGS_TRACE_LOG);
}

所以在所有的系统服务开启完成之后,SystemServer会调用ActivityManagerService的systemReady方法去调起Launcher应用了。

小结：

在Zygote进程创建完成后，第一个会被创建的Java类是ZygoteInit类（进入Java世界），这个类的入口方法中会预加载系统的class类文件，系统的资源文件，系统的动态库，从而提高App的启动速度，同时也是为了App运行时能共享系统资源。
还会去创建系统服务进程SystemServer，而SystemServer进程的入口类是SystemServer.java类,这个类会启动上百个系统服务,为App应用进程的运行提供支持。
最后系统服务运行起来后会通知ActivityManagerService去启动Launcher应用。