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Android系統架構與系統源碼目錄
前言
作為“Android框架層”這個大系列中的第一個系列，我們首先要了解的是Android系統啟動流程，在這個流程中會涉及到很多重要的知識點，這個系列我們就來一一講解它們，這一篇我們就來學習init進程。
1.init簡介
init進程是Android系統中用戶空間的第一個進程，作為第一個進程，它被賦予了很多極其重要的工作職責，比如創建zygote(孵化器)和屬性服務等。init進程是由多個源文件共同組成的，這些文件位于源碼目錄system/core/init。本文將基于Android7.0源碼來分析Init進程。
2.引入init進程
說到init進程，首先要提到Android系統啟動流程的前幾步：
1.啟動電源以及系統啟動
當電源按下時引導芯片代碼開始從預定義的地方（固化在ROM）開始執行。加載引導程序Bootloader到RAM，然后執行。
2.引導程序Bootloader
引導程序是在Android操作系統開始運行前的一個小程序，它的主要作用是把系統OS拉起來并運行。
3.linux內核啟動
內核啟動時，設置緩存、被保護存儲器、計劃列表，加載驅動。當內核完成系統設置，它首先在系統文件中尋找”init”文件，然后啟動root進程或者系統的第一個進程。
4.init進程啟動
講到第四步就發現我們這一節要講的init進程了。關于Android系統啟動流程的所有步驟會在本系列的最后一篇做講解。
3.init入口函數
init的入口函數為main，代碼如下所示。
system/core/init/init.cpp
int main(int argc, char** argv) {
if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
return ueventd_main(argc, argv);
}
if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {
return watchdogd_main(argc, argv);
}
umask(0);
add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);
bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);
//創建文件并掛載
if (is_first_stage) {
mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");
mkdir("/dev/pts", 0755);
mkdir("/dev/socket", 0755);
mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
#define MAKE_STR(x) __STRING(x)
mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));
mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);
}
open_devnull_stdio();
klog_init();
klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL);
NOTICE("init %s started!\n", is_first_stage ? "first stage" : "second stage");
if (!is_first_stage) {
// Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.
close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));
//初始化屬性相關資源
property_init();//1
process_kernel_dt();
process_kernel_cmdline();
export_kernel_boot_props();
}
...
//啟動屬性服務
start_property_service();//2
const BuiltinFunctionMap function_map;
Action::set_function_map(&function_map);
Parser& parser = Parser::GetInstance();
parser.AddSectionParser("service",std::make_unique<ServiceParser>());
parser.AddSectionParser("on", std::make_unique<ActionParser>());
parser.AddSectionParser("import", std::make_unique<ImportParser>());
//解析init.rc配置文件
parser.ParseConfig("/init.rc");//3
...
while (true) {
if (!waiting_for_exec) {
am.ExecuteOneCommand();
restart_processes();
}
int timeout = -1;
if (process_needs_restart) {
timeout = (process_needs_restart - gettime()) * 1000;
if (timeout < 0)
timeout = 0;
}
if (am.HasMoreCommands()) {
timeout = 0;
}
bootchart_sample(&timeout);
epoll_event ev;
int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, timeout));
if (nr == -1) {
ERROR("epoll_wait failed: %s\n", strerror(errno));
} else if (nr == 1) {
((void (*)()) ev.data.ptr)();
}
}
return 0;
}
init的main方法做了很多事情，我們只需要關注主要的幾點，在注釋1處調用 property_init來對屬性進行初始化并在注釋2處的 調用start_property_service啟動屬性服務，關于屬性服務，后面會講到。注釋3處 parser.ParseConfig("/init.rc")用來解析init.rc。解析init.rc的文件為system/core/init/init_parse.cpp文件，接下來我們查看init.rc里做了什么。
4.init.rc
init.rc是一個配置文件，內部由Android初始化語言編寫（Android Init Language）編寫的腳本，它主要包含五種類型語句：
Action、Commands、Services、Options和Import。init.rc的配置代碼如下所示。
system/core/rootdir/init.rc
on init
sysclktz 0
# Mix device-specific information into the entropy pool
copy /proc/cmdline /dev/urandom
copy /default.prop /dev/urandom
...
on boot
# basic network init
ifup lo
hostname localhost
domainname localdomain
# set RLIMIT_NICE to allow priorities from 19 to -20
setrlimit 13 40 40
...
這里只截取了一部分代碼，其中#是注釋符號。on init和on boot是Action類型語句，它的格式為：
on <trigger> [&& <trigger>]* //設置觸發器
<command>
<command> //動作觸發之后要執行的命令
為了分析如何創建zygote，我們主要查看Services類型語句，它的格式如下所示：
service <name> <pathname> [ <argument> ]* //<service的名字><執行程序路徑><傳遞參數>
<option> //option是service的修飾詞，影響什么時候、如何啟動services
<option>
...
需要注意的是在Android 7.0中對init.rc文件進行了拆分，每個服務一個rc文件。我們要分析的zygote服務的啟動腳本則在init.zygoteXX.rc中定義，這里拿64位處理器為例，init.zygote64.rc的代碼如下所示。
system/core/rootdir/init.zygote64.rc
service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
class main
socket zygote stream 660 root system
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart audioserver
onrestart restart cameraserver
onrestart restart media
onrestart restart netd
writepid /dev/cpuset/foreground/tasks /dev/stune/foreground/tasks
其中service用于通知init進程創建名zygote的進程，這個zygote進程執行程序的路徑為/system/bin/app_process64，后面的則是要傳給app_process64的參數。class main指的是zygote的class name為main，后文會用到它。
5.解析service
接下來我們來解析service，會用到兩個函數，一個是ParseSection，它會解析service的rc文件，比如上文講到的init.zygote64.rc，ParseSection函數主要用來搭建service的架子。另一個是ParseLineSection，用于解析子項。代碼如下所示。
system/core/init/service.cpp
bool ServiceParser::ParseSection(const std::vector<std::string>& args,
std::string* err) {
if (args.size() < 3) {
*err = "services must have a name and a program";
return false;
}
const std::string& name = args[1];
if (!IsValidName(name)) {
*err = StringPrintf("invalid service name '%s'", name.c_str());
return false;
}
std::vector<std::string> str_args(args.begin() + 2, args.end());
service_ = std::make_unique<Service>(name, "default", str_args);//1
return true;
}
bool ServiceParser::ParseLineSection(const std::vector<std::string>& args,
const std::string& filename, int line,
std::string* err) const {
return service_ ? service_->HandleLine(args, err) : false;
}
注釋1處，根據參數，構造出一個service對象，它的classname為"default"。當解析完畢時會調用EndSection：
void ServiceParser::EndSection() {
if (service_) {
ServiceManager::GetInstance().AddService(std::move(service_));
}
}
接著查看AddService做了什么：
void ServiceManager::AddService(std::unique_ptr<Service> service) {
Service* old_service = FindServiceByName(service->name());
if (old_service) {
ERROR("ignored duplicate definition of service '%s'",
service->name().c_str());
return;
}
services_.emplace_back(std::move(service));//1
}
注釋1處的代碼將service對象加入到services鏈表中。上面的解析過程總體來講就是根據參數創建出service對象，然后根據選項域的內容填充service對象，最后將service對象加入到vector類型的services鏈表中。，
6.init啟動zygote
講完了解析service，接下來該講init是如何啟動service，在這里我們主要講解啟動zygote這個service。在zygote的啟動腳本中我們得知zygote的class name為main。在init.rc有如下配置代碼：
system/core/rootdir/init.rc
...
on nonencrypted
# A/B update verifier that marks a successful boot.
exec - root -- /system/bin/update_verifier nonencrypted
class_start main
class_start late_start
...
其中class_start是一個COMMAND，對應的函數為do_class_start。我們知道main指的就是zygote，因此class_start main用來啟動zygote。do_class_start函數在builtins.cpp中定義，如下所示。
system/core/init/builtins.cpp
static int do_class_start(const std::vector<std::string>& args) {
/* Starting a class does not start services
* which are explicitly disabled. They must
* be started individually.
*/
ServiceManager::GetInstance().
ForEachServiceInClass(args[1], [] (Service* s) { s->StartIfNotDisabled(); });
return 0;
}
來查看StartIfNotDisabled做了什么：
system/core/init/service.cpp
bool Service::StartIfNotDisabled() {
if (!(flags_ & SVC_DISABLED)) {
return Start();
} else {
flags_ |= SVC_DISABLED_START;
}
return true;
}
接著查看Start方法，如下所示。
bool Service::Start() {
flags_ &= (~(SVC_DISABLED|SVC_RESTARTING|SVC_RESET|SVC_RESTART|SVC_DISABLED_START));
time_started_ = 0;
if (flags_ & SVC_RUNNING) {//如果Service已經運行，則不啟動
return false;
}
bool needs_console = (flags_ & SVC_CONSOLE);
if (needs_console && !have_console) {
ERROR("service '%s' requires console\n", name_.c_str());
flags_ |= SVC_DISABLED;
return false;
}
//判斷需要啟動的Service的對應的執行文件是否存在，不存在則不啟動該Service
struct stat sb;
if (stat(args_[0].c_str(), &sb) == -1) {
ERROR("cannot find '%s' (%s), disabling '%s'\n",
args_[0].c_str(), strerror(errno), name_.c_str());
flags_ |= SVC_DISABLED;
return false;
}
...
pid_t pid = fork();//1.fork函數創建子進程
if (pid == 0) {//運行在子進程中
umask(077);
for (const auto& ei : envvars_) {
add_environment(ei.name.c_str(), ei.value.c_str());
}
for (const auto& si : sockets_) {
int socket_type = ((si.type == "stream" ? SOCK_STREAM :
(si.type == "dgram" ? SOCK_DGRAM :
SOCK_SEQPACKET)));
const char* socketcon =
!si.socketcon.empty() ? si.socketcon.c_str() : scon.c_str();
int s = create_socket(si.name.c_str(), socket_type, si.perm,
si.uid, si.gid, socketcon);
if (s >= 0) {
PublishSocket(si.name, s);
}
}
...
//2.通過execve執行程序
if (execve(args_[0].c_str(), (char**) &strs[0], (char**) ENV) < 0) {
ERROR("cannot execve('%s'): %s\n", args_[0].c_str(), strerror(errno));
}
_exit(127);
}
...
return true;
}
通過注釋1和2的代碼，我們得知在Start方法中調用fork函數來創建子進程，并在子進程中調用execve執行system/bin/app_process，這樣就會進入framework/cmds/app_process/app_main.cpp的main函數，如下所示。
frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp
int main(int argc, char* const argv[])
{
...
if (zygote) {
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);//1
} else if (className) {
runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
} else {
fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
app_usage();
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
return 10;
}
}
從注釋1處的代碼可以得知調用runtime(AppRuntime)的start來啟動zygote。
7.屬性服務
Windows平臺上有一個注冊表管理器，注冊表的內容采用鍵值對的形式來記錄用戶、軟件的一些使用信息。即使系統或者軟件重啟，它還是能夠根據之前在注冊表中的記錄，進行相應的初始化工作。Android也提供了一個類似的機制，叫做屬性服務。
在本文的開始，我們提到在init.cpp代碼中和屬性服務相關的代碼有：
system/core/init/init.cpp
property_init();
start_property_service();
這兩句代碼用來初始化屬性服務配置并啟動屬性服務。首先我們來學習服務配置的初始化和啟動。
屬性服務初始化與啟動
property_init函數具體實現的代碼如下所示。
system/core/init/property_service.cpp
void property_init() {
if (__system_property_area_init()) {
ERROR("Failed to initialize property area\n");
exit(1);
}
}
__system_property_area_init函數用來初始化屬性內存區域。接下來查看start_property_service函數的具體代碼：
void start_property_service() {
property_set_fd = create_socket(PROP_SERVICE_NAME, SOCK_STREAM | SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK,
0666, 0, 0, NULL);//1
if (property_set_fd == -1) {
ERROR("start_property_service socket creation failed: %s\n", strerror(errno));
exit(1);
}
listen(property_set_fd, 8);//2
register_epoll_handler(property_set_fd, handle_property_set_fd);//3
}
注釋1處用來創建非阻塞的socket。注釋2處調用listen函數對property_set_fd進行監聽，這樣創建的socket就成為了server，也就是屬性服務；listen函數的第二個參數設置8意味著屬性服務最多可以同時為8個試圖設置屬性的用戶提供服務。注釋3處的代碼將property_set_fd放入了epoll句柄中，用epoll來監聽property_set_fd：當property_set_fd中有數據到來時，init進程將用handle_property_set_fd函數進行處理。
在linux新的內核中，epoll用來替換select，epoll最大的好處在于它不會隨著監聽fd數目的增長而降低效率。因為內核中的select實現是采用輪詢來處理的，輪詢的fd數目越多，自然耗時越多。
屬性服務處理請求
從上文我們得知，屬性服務接收到客戶端的請求時，會調用handle_property_set_fd函數進行處理：
system/core/init/property_service.cpp
static void handle_property_set_fd()
{
...
if(memcmp(msg.name,"ctl.",4) == 0) {
close(s);
if (check_control_mac_perms(msg.value, source_ctx, &cr)) {
handle_control_message((char*) msg.name + 4, (char*) msg.value);
} else {
ERROR("sys_prop: Unable to %s service ctl [%s] uid:%d gid:%d pid:%d\n",
msg.name + 4, msg.value, cr.uid, cr.gid, cr.pid);
}
} else {
//檢查客戶端進程權限
if (check_mac_perms(msg.name, source_ctx, &cr)) {//1
property_set((char*) msg.name, (char*) msg.value);//2
} else {
ERROR("sys_prop: permission denied uid:%d name:%s\n",
cr.uid, msg.name);
}
close(s);
}
freecon(source_ctx);
break;
default:
close(s);
break;
}
}
注釋1處的代碼用來檢查客戶端進程權限，在注釋2處則調用property_set函數對屬性進行修改，代碼如下所示。
int property_set(const char* name, const char* value) {
int rc = property_set_impl(name, value);
if (rc == -1) {
ERROR("property_set(\"%s\", \"%s\") failed\n", name, value);
}
return rc;
}
property_set函數主要調用了property_set_impl函數：
static int property_set_impl(const char* name, const char* value) {
size_t namelen = strlen(name);
size_t valuelen = strlen(value);
if (!is_legal_property_name(name, namelen)) return -1;
if (valuelen >= PROP_VALUE_MAX) return -1;
if (strcmp("selinux.reload_policy", name) == 0 && strcmp("1", value) == 0) {
if (selinux_reload_policy() != 0) {
ERROR("Failed to reload policy\n");
}
} else if (strcmp("selinux.restorecon_recursive", name) == 0 && valuelen > 0) {
if (restorecon_recursive(value) != 0) {
ERROR("Failed to restorecon_recursive %s\n", value);
}
}
//從屬性存儲空間查找該屬性
prop_info* pi = (prop_info*) __system_property_find(name);
//如果屬性存在
if(pi != 0) {
//如果屬性以"ro."開頭，則表示是只讀，不能修改，直接返回
if(!strncmp(name, "ro.", 3)) return -1;
//更新屬性值
__system_property_update(pi, value, valuelen);
} else {
//如果屬性不存在則添加該屬性
int rc = __system_property_add(name, namelen, value, valuelen);
if (rc < 0) {
return rc;
}
}
/* If name starts with "net." treat as a DNS property. */
if (strncmp("net.", name, strlen("net.")) == 0) {
if (strcmp("net.change", name) == 0) {
return 0;
}
//以net.開頭的屬性名稱更新后，需要將屬性名稱寫入net.change中
property_set("net.change", name);
} else if (persistent_properties_loaded &&
strncmp("persist.", name, strlen("persist.")) == 0) {
/*
* Don't write properties to disk until after we have read all default properties
* to prevent them from being overwritten by default values.
*/
write_persistent_property(name, value);
}
property_changed(name, value);
return 0;
}
property_set_impl函數主要用來對屬性進行修改，并對以ro、net和persist開頭的屬性進行相應的處理。到這里，屬性服務處理請求的源碼就講到這。
8.init進程總結
講到這，總結起來init進程主要做了三件事：
1.創建文件并掛載
2.初始化和啟動屬性服務
3.解析init.rc配置文件并啟動zygote進程
參考資料：
《深入理解Android系統》
《深入理解Android卷I》
Android的init過程詳解（一）
Android啟動過程深入解析
Android7.0解析Init.rc文件
Android 7.0 init.rc的一點改變
Android7.0 init進程源碼分析
Android情景分析之屬性服務
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