Android-深入理解zygote

Posted 2022-03-19 天津 唐秙

文章目录

• 1. zygote
• • 1.1 zygote分析
  • 1.2 AppRuntime分析
  • • • 1.2.0.1 创建虚拟机-startVm
      • 1.2.0.2 注册JNI函数-startReg
    • 1.2.1 Welcome to Java World
    • • 1.2.1.1 建立IPC通信服务端-registerZygoteSocket
      • 1.2.1.2 预加载类和资源
      • 1.2.1.3 启动system_server
      • 1.2.1.4 有求必应之等待请求-runSelectLoopMode
    • 1.2.2 关于zygote的总结
  • 1.3 SystemServer分析
  • • 1.3.1 SystemServer的诞生
    • 1.3.2 SystemServer的重要使命
    • • 1.3.2.1 zygoteInitNative分析
      • 1.3.2.2 invokeStaticMain分析
      • 1.3.2.3 SystemServer的真面目
    • 1.3.3 关于SystemServer的总结
  • 1.4 zygote的分裂
  • • 1.4.1 ActivityManagerService发送请求
    • 1.4.2 响应请求
    • 1.4.3 关于zygote分裂的总结
  • 1.5 拓展思考
  • • 1.5.1 虚拟机heapsize的限制
    • 1.5.2 开机速度优化
    • 1.5.3 Watchdog分析
    • • 1.5.3.1 创建和初始化Watchdog
      • 1.5.3.2 运行看门狗
      • 1.5.3.3 列队检查
  • 1.6 本章小结

1. zygote

1.1 zygote分析

  zygote最初的名字叫做app_process，这个名字在android.mk文件中指定的，但是在运行过程中，app_process通过Linux下的pctrl系统调用将自己的名字换成了zygote，代码如下：


  zygote的这个main很简单，其重要的功能是由AppRuntime的start来完成的

1.2 AppRuntime分析

  AppRuntime类的声明和实现均在App_main.cpp中，它是从AppRuntime类派生出来的，AppRuntime重载了onStarted、onZygoteInit和onExit函数

  前面的diamagnetic调用了AppRuntime的start函数，start函数使用的是基类AppRuntime的start


  通过上面的代码，有三个关键点:
    1.创建虚拟机
    2.注册JNI函数
    3.通过JNI调用Java函数，在调用ZygoteInit的main函数之后，zygote便进入了Java世界

1.2.0.1 创建虚拟机-startVm

  调用JNI的虚拟机创建函数，但是创建虚拟机时的一些参数是在startVm中确定的


  关于dalvik虚拟机的详细参数，可以参见Dalvik/Docs/Dexopt.html中的说明

1.2.0.2 注册JNI函数-startReg

  下一步需要给这个虚拟机注册一些JNI函数，因为后续Java世界用到的一些函数是采用native方式实现的，所以才必须提前注册这些函数，startReg函数如下：

  register_jni_procs代码如下

static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)

	for(size_t i = 0; i < count; i++)
	
		if(array[i].mProc(env) < 0)
		
			return -1;
		
	
	return 0;

  全局数组的gRegJNI变量

  REG_JNI是一个宏，宏里面包括的就是那个mProc函数

  mProc就是为了Java类注册了JNI函数，到目前为止，JNI函数已经注册，下一步就要分析CallStaticVoidMethod，通过这个函数，我们将进入Android打造的Java世界，并且最好情况就是永远不会回到Native世界

1.2.1 Welcome to Java World

  根据前面的分析可知，CallStaticVoidMethod最终将调用com.android.internal.os.ZygiteInit的main函数

  在ZygoteInit的main函数中，我们列出了5大关键点，分别在上图中标记

1.2.1.1 建立IPC通信服务端-registerZygoteSocket

  zygote及系统中其他程序的通信没有使用Binder，而是采用了基于AF_UNIX类型的Socket，registerZygoteSocket函数的使命正是建立这个Socket，代码如下：

  registerZygoteSocket就是创建一个服务端的Socket，考虑两个问题：1.谁是客户端？2.服务端会怎么处理客户端的消息？

1.2.1.2 预加载类和资源

  我们现在要分析的就是preloadClasses和preloadResources函数，先看preloadClasses：

  preloadClasses看起来非常简单，但是需要预先加载很多个类，preloadClass函数的执行时间比较长，这是导致Android系统启动慢的原因之一。
  preloadResources和preloadClass类似，主要是加载framework-res.apk中的资源，在UI编程中常使用的com.android.R.XXX资源是系统默认的资源，它们就是由zygote加载的。

1.2.1.3 启动system_server

  第三个关键点：startSystemServer，这个函数会创建Java世界中系统Service所驻留的进程system_server，该进程是framework的核心，如果它死了，就会导致zygote自杀，先来看看这个核心进程是如何启动的。

  这里是一个分水岭，即zygote进行了一次无性繁殖，分裂出了一个system_server进程，即代码中的Zygote.forkSystemServer这句话。

1.2.1.4 有求必应之等待请求-runSelectLoopMode

  等到zygote从startSystemServer返回后，将进入第四个关键函数，runSelectLoopMode，前面第一个关键点registerZygoteSocket中注册了一个用于IPC的Socket，不过那时还没有地方用，它的用途在runSelectLoopMode中体现出来。

runSelectLoopMode的逻辑：
  1.处理客户链接和客户请求，其中客户在zygote中用ZygoteConnection对象来表示
  2.客户的请求由ZygoteConnection的runOnce来处理

1.2.2 关于zygote的总结

  zygote在Android系统中创建了第一个Java虚拟机，同时成功的繁殖了framework的核心system_server进程，总结一下zygote创建java世界的步骤：
  1.创建AppRuntime对象，并调用它的start，此后的活动由AppRuntime来控制
  2.调用startVm创建Java虚拟机，然后调用startReg来注册JNI函数
  3.通过JNI调用com.android.internal.os.ZygoteInit类的main函数，从此进入了Java世界，这时候的Java世界因为刚开创，啥都没有。
  4.调用registerZygoteSocket，通过这个函数，它可以响应子孙后代的请求，同时zygote调用preloadClasses和preloadReesources，为java世界添砖加瓦。
  5.zygote通过startSystemServer分裂了一个子进程system_server来为java世界服务
  6.zygote完成了Java世界的初创工作，调用runSelectLoopMode后，便睡去了
  7.以后的日子，zygote随时守护在周围，当接收到子孙后代的请求时，会随时醒来，为它们工作

1.3 SystemServer分析

1.3.1 SystemServer的诞生

SS的创建

  SS是由Zygote通过Zygote.forkSystemServer函数fork诞生出来的，forkSystemServer是一个native函数，实现在dalvik_Zygote.c中，代码如下：

  forkAndSpecializeCommon，代码如下：

  setSignalHandler函数，它由Zygote在fork子进程前调用，代码如下：

  作为Zygote的嫡长子，SS有着很高的的地位，可以到了与Zygote生死与共的地步。

1.3.2 SystemServer的重要使命

SS代码如下：

  SS调用handleSystemServerProcess来承担自己的职责

  现在SS走到RuntimeInit中，代码在RuntimeInit.java中，如下：

1.3.2.1 zygoteInitNative分析

  zygoteInitNative是一个native函数，实现在AndroidRuntime.cpp中

  由于SS是zygote fork出来的，所以它也拥有zygote进程中定义的这个gCurRuntime，也就是AppRuntime对象，onZygoteInit的代码在App_main.cpp中，如下：

  SS调用zygoteInitNative后，将与Binder通信系统建立联系，这样SS就能够使用Binder了。

1.3.2.2 invokeStaticMain分析

invokeStaticMain代码如下：

  invokeStaticMain抛出了一个异常，在ZygoteInit的main函数中被截获，代码如下：

  抛出的这个异常最后会导致com.android.server.SystemServer类的main函数被调用，为什么不在invokeStaticMain那里直接调用，而是采用抛出异常的方式，因为这个调用是在ZygoteInit.main中，相当于Native的main函数，即入口函数，位于堆栈的顶层，如果不采用抛出异常的方式，而是在invokeStaticMain那里调用，则会浪费之前函数调用所占用的一些调用堆栈。关于这个问题的深层次思考，可以利用fork和exec知识，可以认为这种抛出异常的方式是对exec的一种模拟，后续交给com.android.server.SystemServer类来处理。

1.3.2.3 SystemServer的真面目

  ZygoteInit分裂产生的SS，其实就是为了调用com.android.server.SystemServer的main函数，代码如下：

  其中main函数将加载libandroid_server.so库，这个库所包含的源文件在文件夹framework/base/services/jni下

（1）init1分析
  init1是native函数，在com_android_server_SystemServer.cpp中实现，代码如下：

  system_init的实现在system_init.cpp中，代码如下：

  init1函数创建了一些服务，然后把调用调用线程加入到Binder通信中，不过其间还通过JNI调用了com.android.server.SystemServer类的init2函数

（2）init2分析
  init2在Java层，代码在SystemServer.java中，代码如下：

  启动了一个ServerThread线程，直接看run函数

  init2函数就是单独创建了一个线程，用以启动系统的各项服务，Java世界的核心Service都在这里启动，所以非常重要。

1.3.3 关于SystemServer的总结

SS的调用流程

1.4 zygote的分裂

  zygote分裂出嫡长子system_server后，就通过runSelectLoopMode等待并处理来自客户的消息，以Activity的启动为例，具体分析下zygote是如何分裂的。

1.4.1 ActivityManagerService发送请求

  ActivityManagerService也是由SystemServer创建的，假设通过startActivity来启动一个新的Activity，而这个Activity附属于一个还未启动的进程，那么这个还未启动的进程该如何启动？先看ActivityManagerService中的startProcessLocked函数，代码如下：

  再看看Process的start函数，这个Process类是android.os.Process，代码在Process.java中，代码如下：


  ActivityManagerService终于向zygote发送请求了，请求的参数中有一个字符串的值是"android.app.ActivityThread"，因为ActivityManagerService驻留于SystemServer进程中，所以正是SS向Zygote发送了消息。

1.4.2 响应请求

如何处理请求

  每当有请求数据发来时，Zygote就会调用ZygoteConnection的runOnce函数，ZygoteConnection代码在Zygote Connection.java文件中，来看看它的runOnce函数：

  看看新创建的子进程在handChildProc中做了啥


  zygote分裂子进程后，自己将在handleParentProc中做一些扫尾工作，然后继续等待请求进行下一次分裂。
  这个android.app.ActivityThread类，实际上是Android中apk程序所对应的进程，它的main函数就是apk程序的main函数，这个类的命名android.app中也可看出。
  android系统运行的那些apk程序，其父进程都是zygote，这可以通过adb shell登陆后，用ps命令查看进程和父进程号来确认。

1.4.3 关于zygote分裂的总结

zygote的分裂由SS控制，这里用时序图表达zygote响应请求的过程：

1.5 拓展思考

1.5.1 虚拟机heapsize的限制

  在分析zygote创建虚拟机的时候说过系统默认的Java虚拟机队长最大为16MB，这个值对于需要使用较大内存的程序，如图片处理程序就远远不够，但是，我们可以修改这个默认值，这个改动是全局性的，也就是说所有的Java程序都会是这个32MB。
我们可以动态配置这个值吗？
  设置一个配置文件，每个进程启动的时候根据配置文件中的参数来设置堆大小，这样做不太行，因为zygote是通过fork来创建子进程的，Zygote本身设置的信息会被子进程全部继承，例如Zygote设置的堆栈值为16MB，那么子进程也会是16MB。

关于这个问题的解决方案：
  1.为Dalivk增加一个函数，这个函数允许动态调整最大堆的大小
  2.zygote通过fork子进程后，调用exec家族的函数来加载另一个映像，该映像对应的程序会重新创建虚拟机，重新注册JNI函数，也就是模拟zygote创世界中前两天的工作，最后调用android.app.ActivityThread的main函数，这种方式应该是可行的，但是难度较大并且会影响运行速度。

1.5.2 开机速度优化

  Android的开机速度慢一直是个问题，从目前的情况看，有三个地方开机的时候耗时比较长：
  1.ZygoteInit的main函数中preloadClasses加载了一千多个类，这个耗费时不少
  2.开机启动时，会对系统内所有的apk文件进行扫描并收集信息，这个动作耗时非常长
  3.SystemServer创建的那些Service会占用不少时间
  如何减少preloadClasses的时间，其实，这个函数是可以去掉的，因为系统最终还是会在使用这个类的时候去加载，但是这样就破坏了Android采用fork机制来创建Java进程的本意，zygote预加载这些class，在fork子进程时，仅需要一个复制就行，这样就节约了子进程的启动时间。根据fork的copy-on-write机制可知，有些类如果不做改变，甚至都不用复制，他们就会直接和父进程共享数据，这样就会节省不少内存的占用。

1.5.3 Watchdog分析

  最初存在的意义时因为早期嵌入式设备上的程序经常跑飞，所以专门设置了一个硬件看门狗，每隔一段时间，看门狗就去检查一下某个参数是不是被设置了，如果发现该参数没有被设置，则判断为系统出错，然后强制重启。
  在软件层面上，Android对SystemServer的参数是否被设置也很谨慎，所以专门为它增加了一个看门狗，主要是看几个Service的门，一旦发现Service出现了问题，就会杀掉system_server，而这个会使zygote随其一起自杀，最后导致Java世界重启。
SS和Watchdog的交互流程可以总结为三个步骤：
  1.Watchdog.getInstance().init()
  2.Watchdog.getInstance().start()
  3.Watchdog.getInstance().addMonitor()

1.5.3.1 创建和初始化Watchdog

  getInstance用于创建Watchdog，代码如下：

  Watchdog有了之后，看看init函数，代码如下：

1.5.3.2 运行看门狗

  SystemServer调用Watchdog的start函数，这将导致Watchdog的run在另一个线程中被执行，代码如下：


  隔一段时间给另一个线程发送一条MONITOR消息，那个线程将检查各个Service的健康情况，看门狗等待检查结果，如果第二次还没有返回结果，那么就会杀掉SS

1.5.3.3 列队检查

  检查线程检查Service主要是有三个Service需要交给Watchdog检查：
    1.ActivityManagerService
    2.PowerManagerService
    3.WindowManagerService
  如果想要支持看门狗进行检查，就需要Service实现monitor接口，然后Watchdog就会调用monitor函数进行检查，检查的地方是在HeartbeatHandler类的handleMessage中，代码如下：

  以PowerManagerService为例，看看是怎么把自己交给看门狗进行检查的，代码如下：

  Watchdog调用各个monitor函数到底又检查了些什么，代码如下？

  monitor检查的就是Service是不是发生了锁死，因为Watchdog最害怕系统服务死锁，对于这种情况只能采取杀死系统的方式。另外，Watchdog还能检查内存的使用情况。

1.6 本章小结

  1.zygote主要工作是开创了Java世界
  2.本章介绍了创世界的七大步骤
  3.介绍了zygote的嫡长子System_server进程（SS），这个进程是Java世界中的系统Service的驻留地
  4.SS进程介绍了创建和初始化过程
  5.分析了一个Activity所属进程的创建过程，进程是由ActivityManagerService发送请求给zygote，最后由zygote通过fork的方式创建的
  6.讨论了Dalvik虚拟机对heap大小的设置，以及可能的修改方法
  7.探讨Android系统的开机速度问题
  8.分析了System_server中Watchdog的工作流程