Android N 開機啓動流程概述

前言

做android開發已經好些年頭，一直對android系統的開機啓動流程一知半解。前前後後看了不少文章和源碼，在這裏把自己的一些總結記錄下來，也算是加深自己的理解。

Android N 開機啓動流程概述

相信只要接觸過Android的人，都會看過下面這張圖： 

Android層次架構圖

 

圖片展示了Android的五層架構，從上到下依次是：應用層，應用框架層，庫層，運行時層以及Linux內核層。而Android的啓動流程是自下而上的，大體上分爲三個階段：1. BootLoader引導；2. 啓動Kernel；3. 啓動Android。如果再細化一點，則如下圖所示：

 

Android的啓動流程圖

 

 Android的啓動過程可以分爲兩個階段，第一階段是Linux的啓動，第二階段纔是Android的啓動。上圖中1、2、3是linux啓動的過程，從4開始就是android啓動的過程。 
 下面我詳細描述一下過程：

Step 1. Boot Rom 
 當按開機鍵的時候，引導芯片開始從固化在ROM的預設代碼開始執行，然後加載引導程序到RAM。

Step 2. Bootloader 
 BootLoader，又稱爲引導程序。它是在操作系統運行之前運行的一段程序，是運行的第一個程序。主要有檢查RAM，初始化硬件參數等功能，當然它的最終目的是把操作系統給拉起來。

 文件路徑：/bootable/bootloader/legacy/

 BootLoader的主要功能分析，我摘抄過來，一起看看：

其實Bootloader主要的必須的作用只有一個：就是把操作系統映像文件拷貝到RAM中去，然後跳轉到它的入口處去執行，我們稱之爲啓動加載模式，該過程沒有用戶的介入，是它正常工作的模式。它的步驟如下：

Stage1:

硬件設備初始化。爲stage2的執行及隨後內核的執行準備好基本的硬件環境

爲加載stage2 準備ram空間。爲了獲得更好的執行速度，通常吧stage2加載到ram中執行

複製stage2的代碼到ram中

設置好堆棧

跳轉到stage2的c程序入口

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Stage2：

初始化本階段要使用的硬件設備

檢測系統內存映射

將內核映像和根文件系統映像從flash讀到ram中

爲內核設置啓動參數

調用內核

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（摘自：http://www.cnblogs.com/little221/archive/2012/12/06/2804387.html）

 簡單的說，Bootloader負責初始化軟件運行所需要的最小硬件環境，最後加載內核到內存。

Step 3. 初始化Kernel 
 接着就進入C語言編寫的結構無關的代碼了。這個入口的函數是start_kernel函數。start_kernel 函數完成了內核的大部分初始化工作。實際上，可以將start_kernel 函數看做內核的main函數。start_kernel函數執行到最後調用了reset_init函數進行後續的初始化。 reset_init函數最主要的任務就是啓動內核線程kernel_init。kernel_init函數將完成設備驅動程序的初始化，並調用init_post函數啓動用戶空間的init進程。到init_post函數爲止，內核的初始化已經基本完成。

文件路徑：/kernel_imx/init/main.c

簡單的說，內核加載進內存後，將首先進入內核引導階段，在內核引導階段的最後，調用start_kernel進入內核啓動階段，主要是完成內核的大部分初始化工作。start_kernel會最終啓動用戶空間的init進程。

Step 4. init進程 
 當初始化內核之後，就會啓動一個相當重要的祖先進程，也就是init進程，在Linux中所有的進程都是由init進程直接或間接fork出來的。init進程負責創建系統中最關鍵的幾個核心daemon(守護)進程，尤其是zygote和servicemanager。前者是android啓動的第一個dalvik 虛擬機，它將負責啓動Java世界的進程；後者是BInder通信的基礎。另外，它還提供了property service（屬性服務），類似於windows系統的註冊表服務。

 在Android系統中，會有個init.rc腳本。init進程一啓動就會讀取並解析這個腳本文件，把其中的元素整理成自己的數據結構（鏈表）。

 換句話說， init進程負責解析init.rc配置文件，開啓系統守護進程。兩個最重要的守護進程是zygote進程和servicemanager，zygote是Android啓動的第一個Dalvik虛擬機，servicemanager是Binder通訊的基礎。

文件路徑： /system/core/init/init.c 
/system/core/rootdir/init.rc 
/system/core/init/readme.txt

Step 5. Zygote進程 
 當init進程創建之後，會fork出一個Zygote進程，這個進程是所有Java進程的父進程。我們知道，Linux是基於C的，而Android是基於Java的（當然底層也是C）。所以這裏就會fork出一個Zygote Java進程用來fork出其他的進程。在zygote開啓的時候，會調用ZygoteInit.main()進行初始化。下面我們看一段ZygoteInit.main()源碼：

    public static void main(String argv[]) {
        // Mark zygote start. This ensures that thread creation will throw
        // an error.
        ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();

        try {
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "ZygoteInit");
            RuntimeInit.enableDdms();
            // Start profiling the zygote initialization.
            SamplingProfilerIntegration.start();
// 加載zygote的時候，會傳入參數，startSystemServer變爲true
            boolean startSystemServer = false;
            String socketName = "zygote";
            String abiList = null;
            for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
                if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
                    startSystemServer = true;
                } else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
                    abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
                } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
                    socketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
                } else {
                    throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
                }
            }

            if (abiList == null) {
                throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
            }

            registerZygoteSocket(socketName);
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "ZygotePreload");
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                SystemClock.uptimeMillis());
            preload();
            EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                SystemClock.uptimeMillis());
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

            // Finish profiling the zygote initialization.
            SamplingProfilerIntegration.writeZygoteSnapshot();

            // Do an initial gc to clean up after startup
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PostZygoteInitGC");
            gcAndFinalize();
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

            // Disable tracing so that forked processes do not inherit stale tracing tags from
            // Zygote.
            Trace.setTracingEnabled(false);

            // Zygote process unmounts root storage spaces.
            Zygote.nativeUnmountStorageOnInit();

            ZygoteHooks.stopZygoteNoThreadCreation();
// 啓動SystemServer進程
            if (startSystemServer) {
                startSystemServer(abiList, socketName);
            }

            Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
            runSelectLoop(abiList);

            closeServerSocket();
        } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
            caller.run();
        } catch (Throwable ex) {
            Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
            closeServerSocket();
            throw ex;
        }
    }

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文件路徑：/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

從代碼中可以看出，zygote虛擬機啓動子進程system_server，同時也可以看出zygote中定義了一個Socket，用於接收ActivityManagerService啓動應用程序的請求。

Step 6. SystemServer進程 
 前面ZygoteInit.java裏面通過startSystemServer() fork出了SystemServer進程，這個進程在整個的Android中非常重要，它和Zygote進程一樣，是Android Framework層的兩大重要進程。系統裏面重要的服務都是在這個進程裏面開啓的，例如AMS, WindowsManager, PackageManagerService等等都是由這個SystemServer fork出來的。在下面SystemServer 的代碼中可以看到，這些服務如何開啓和具體開啓了哪些服務。

文件路徑：/frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

 從SystemServer.java文件代碼中可以看出，在SystemServer進程開啓的時候，就會初始化ActivityManagerService 。同時，會加載本地系統的服務庫，調用createSystemContext()創建系統上下文，創建ActivityThread及開啓各種服務等等。 
 也就是說在system_server中開啓了核心系統服務，並將系統服務添加到ServiceManager中，然後系統進入SystemReady狀態。

Step 7. Home Activity

 上面ActivityManagerService 開啓之後，會調用finishBooting() ，完成引導過程，同時發送開機廣播。

文件路徑：/frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java

 之後就會啓動Home程序，完成系統界面的加載與顯示。

其實這一步遠比上面所說的複雜，具體步驟是：

1、在systemReady狀態，ActivityManagerService會與zygote的Socket通信，請求啓動Home。 
2、zygote收到AMS的連接請求後，執行runSelectLoopMode處理請求。 
3、zygote處理請求會通過forkAndSpecialize啓動新的應用進程，並最終啓動Home。

Android的開機啓動流程就完成了。

總結一下整個開機啓動流程：

Step1 系統加電，執行bootloader。Bootloader負責初始化軟件運行所需要的最小硬件環境，最後加載內核到內存。 
Step2 內核加載進內存後，將首先進入內核引導階段，在內核引導階段的最後，調用start_kernel進入內核啓動階段。start_kernel最終啓動用戶空間的init程序。 
Step3 init程序負責解析init.rc配置文件，開啓系統守護進程。兩個最重要的守護進程是zygote進程和ServiceManager，zygote是Android啓動的第一個Dalvik虛擬機，ServiceManager是Binder通訊的基礎。 
Step4 zygote虛擬機啓動子進程system_server，在system_server中開啓了核心系統服務，並將系統服務添加到ServiceManager中，然後系統進入SystemReady狀態。 
Step5 在SystemReady狀態，ActivityManagerService與zygote中的socket通信，通過zygote啓動home應用，進入系統桌面。

從Step3開始，init啓動後，上層的實現。

Step1 init啓動的核心Daemon服務包括Android的第一個Dalvik虛擬機zygote。 
Step2 zygote定義一個socket，用於接受ActivityManagerService啓動應用的請求。 
Step3 zygote通過fork系統調用創建system_server進程 
Step4 在system_server進程中，將會啓動系統核心服務以及其他服務。 
Step5 系統服務啓動後會註冊到ServiceManager中，用於Binder通信。 
Step6 ActivityManagerService進入systemReady狀態。 
Step7 在systemReady狀態，ActivityManagerService會與zygote的Socket通信，請求啓動Home。 
Step8 zygote收到AMS的連接請求後，執行runSelectLoopMode處理請求。 
Step9 zygote處理請求會通過forkAndSpecialize啓動新的應用進程，並最終啓動Home。

參考文檔：http://blog.csdn.net/frakie_kwok/article/details/70196986 
http://www.jianshu.com/p/45cf56172d22 
http://blog.csdn.net/dd864140130/article/details/57624948