理解Android进程创建流程
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了理解Android进程创建流程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
进程：每个App在启动前必须先创建一个进程，该进程是由Zygote fork出来的，进程具有独立的资源空间，用于承载App上运行的各种Activity/Service等组件。进程对于上层应用来说是完全透明的，这也是google有意为之，让App程序都是运行在android Runtime。大多数情况一个App就运行在一个进程中，除非在AndroidManifest.xml中配置Android:process属性，或通过native代码fork进程。
线程：线程对应用开发者来说非常熟悉，比如每次new Thread().start()都会创建一个新的线程，该线程并没有自己独立的地址空间，而是与其所在进程之间资源共享。从Linux角度来说进程与线程都是一个task_struct结构体，除了是否共享资源外，并没有其他本质的区别。
在接下来的文章，会涉及到system_server进程和Zygote进程，下面简要这两个进程：
system_server进程：是用于管理整个Java framework层，包含ActivityManager，PowerManager等各种系统服务;
Zygote进程：是Android系统的首个Java进程，Zygote是所有Java进程的父进程，包括 system_server进程以及所有的App进程都是Zygote的子进程，注意这里说的是子进程，而非子线程。
如果想更进一步了解system_server进程和Zygote进程在整个Android系统所处的地位，可查看我的另一个文章Android系统-开篇。
进程创建图
对于大多数的应用开发者来说创建线程比较熟悉，而对于创建进程并没有太多的概念。对于系统工程师或者高级开发者，还是有很必要了解Android系统是如何一步步地创建出一个进程的。先来看一张进程创建过程的简要图：
图解：
App发起进程：当从桌面启动应用，则发起进程便是Launcher所在进程；当从某App内启动远程进程，则发送进程便是该App所在进程。发起进程先通过binder发送消息给system_server进程；
system_server进程：调用Process.start()方法，通过socket向zygote进程发送创建新进程的请求；
zygote进程：在执行ZygoteInit.main()后便进入runSelectLoop()循环体内，当有客户端连接时便会执行ZygoteConnection.runOnce()方法，再经过层层调用后fork出新的应用进程；
新进程：执行handleChildProc方法，最后调用ActivityThread.main()方法。
接下来，依次从system_server进程发起请求到Zygote创建进程，再到新进程的运行这3大块展开讲解进程创建是一个怎样的过程。
二. system_server发起请求
1. Process.start
[-> Process.java]
public static final ProcessStartResult start(final String processClass, final String niceName, int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int mountExternal, int targetSdkVersion, String seInfo, String abi, String instructionSet, String appDataDir, String[] zygoteArgs) {
try {
//【见小节2】
return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids,
debugFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,
abi, instructionSet, appDataDir, zygoteArgs);
} catch (ZygoteStartFailedEx ex) {
throw new RuntimeException("");
}
}
2. startViaZygote
[-> Process.java]
private static ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass, final String niceName, final int uid, final int gid, final int[] gids, int debugFlags, int mountExternal, int targetSdkVersion, String seInfo, String abi, String instructionSet, String appDataDir, String[] extraArgs) throws ZygoteStartFailedEx {
synchronized(Process.class) {
ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();
argsForZygote.add("--runtime-args");
argsForZygote.add("--setuid=" + uid);
argsForZygote.add("--setgid=" + gid);
argsForZygote.add("--target-sdk-version=" + targetSdkVersion);
if (niceName != null) {
argsForZygote.add("--nice-name=" + niceName);
}
if (appDataDir != null) {
argsForZygote.add("--app-data-dir=" + appDataDir);
}
argsForZygote.add(processClass);
if (extraArgs != null) {
for (String arg : extraArgs) {
argsForZygote.add(arg);
}
}
//【见小节3】
return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
}
}
该过程主要工作是生成argsForZygote数组，该数组保存了进程的uid、gid、groups、target-sdk、nice-name等一系列的参数。
3. zygoteSendArgsAndGetResult
[-> Process.java]
private static ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult( ZygoteState zygoteState, ArrayList<String> args) throws ZygoteStartFailedEx {
try {
//其中zygoteState 【见小节3.1】
final BufferedWriter writer = zygoteState.writer;
final DataInputStream inputStream = zygoteState.inputStream;
writer.write(Integer.toString(args.size()));
writer.newLine();
int sz = args.size();
for (int i = 0; i < sz; i++) {
String arg = args.get(i);
if (arg.indexOf('\\n') >= 0) {
throw new ZygoteStartFailedEx(
"embedded newlines not allowed");
}
writer.write(arg);
writer.newLine();
}
writer.flush();
ProcessStartResult result = new ProcessStartResult();
//等待socket服务端（即zygote）返回新创建的进程pid;
//对于等待时长问题，Google正在考虑此处是否应该有一个timeout，但目前是没有的。
result.pid = inputStream.readInt();
if (result.pid < 0) {
throw new ZygoteStartFailedEx("fork() failed");
}
result.usingWrapper = inputStream.readBoolean();
return result;
} catch (IOException ex) {
zygoteState.close();
throw new ZygoteStartFailedEx(ex);
}
}
这个方法的主要功能是通过socket通道向Zygote进程发送一个参数列表，然后进入阻塞等待状态，直到远端的socket服务端发送回来新创建的进程pid才返回。
3.1 openZygoteSocketIfNeeded
private static ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedEx {
if (primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()) {
try {
//向主zygote发起connect()操作
primaryZygoteState = ZygoteState.connect(ZYGOTE_SOCKET);
} catch (IOException ioe) {
...
}
}
if (primaryZygoteState.matches(abi)) {
return primaryZygoteState;
}
if (secondaryZygoteState == null || secondaryZygoteState.isClosed()) {
//当主zygote没能匹配成功，则采用第二个zygote，发起connect()操作
secondaryZygoteState = ZygoteState.connect(SECONDARY_ZYGOTE_SOCKET);
}
if (secondaryZygoteState.matches(abi)) {
return secondaryZygoteState;
}
...
}
openZygoteSocketIfNeeded(abi)方法是根据当前的abi来选择与zygote还是zygote64来进行通信。
三. Zygote创建进程
文章Android系统启动-zygote篇已介绍，简单来说就是Zygote进程是由由init进程而创建的，进程启动之后调用ZygoteInit.main()方法，经过创建socket管道，预加载资源后，便进程runSelectLoop()方法。
4. ZygoteInit.main
[–>ZygoteInit.java]
public static void main(String argv[]) {
try {
runSelectLoop(abiList); //【见小节5】
....
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
caller.run(); //【见小节16】
} catch (RuntimeException ex) {
closeServerSocket();
throw ex;
}
}
后续会讲到runSelectLoop()方法会抛出异常MethodAndArgsCaller，从而进入caller.run()方法。
5. runSelectLoop
[-> ZygoteInit.java]
private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
//sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0]
fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
peers.add(null);
while (true) {
StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
pollFds[i] = new StructPollfd();
pollFds[i].fd = fds.get(i);
pollFds[i].events = (short) POLLIN;
}
try {
//处理轮询状态，当pollFds有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里
Os.poll(pollFds, -1);
} catch (ErrnoException ex) {
...
}
for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
//采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行；
// 否则进入continue，跳出本次循环。
if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
continue;
}
if (i == 0) {
//即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求；
// 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。//【见小节5.1】
ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
peers.add(newPeer);
fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds.
} else {
//i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作【见小节6】
boolean done = peers.get(i).runOnce();
if (done) {
peers.remove(i);
fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符
}
}
}
}
}
该方法主要功能：
客户端通过openZygoteSocketIfNeeded()来跟zygote进程建立连接。zygote进程收到客户端连接请求后执行accept()；然后再创建ZygoteConnection对象,并添加到fds数组列表；
建立连接之后，可以跟客户端通信，进入runOnce()方法来接收客户端数据，并执行进程创建工作。
5.1 acceptCommandPeer
[-> ZygoteInit.java]
private static ZygoteConnection acceptCommandPeer(String abiList) {
try {
return new ZygoteConnection(sServerSocket.accept(), abiList);
} catch (IOException ex) {
...
}
}
接收客户端发送过来的connect()操作，Zygote作为服务端执行accept()操作。再后面客户端调用write()写数据，Zygote进程调用read()读数据。
没有连接请求时会进入休眠状态，当有创建新进程的连接请求时，唤醒Zygote进程，创建Socket通道ZygoteConnection，然后执行ZygoteConnection的runOnce()方法。
6. runOnce
[-> ZygoteConnection.java]
boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
String args[];
Arguments parsedArgs = null;
FileDescriptor[] descriptors;
try {
//读取socket客户端发送过来的参数列表
args = readArgumentList();
descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
} catch (IOException ex) {
closeSocket();
return true;
}
PrintStream newStderr = null;
if (descriptors != null && descriptors.length >= 3) {
newStderr = new PrintStream(new FileOutputStream(descriptors[2]));
}
int pid = -1;
FileDescriptor childPipeFd = null;
FileDescriptor serverPipeFd = null;
try {
//将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式
parsedArgs = new Arguments(args);
...
int [] fdsToClose = { -1, -1 };
FileDescriptor fd = mSocket.getFileDescriptor();
if (fd != null) {
fdsToClose[0] = fd.getInt$();
}
fd = ZygoteInit.getServerSocketFileDescriptor();
if (fd != null) {
fdsToClose[1] = fd.getInt$();
}
fd = null;
//【见小节7】
pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,
parsedArgs.appDataDir);
} catch (Exception e) {
...
}
try {
if (pid == 0) {
//子进程执行
IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
serverPipeFd = null;
//【见小节13】
handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
// 不应到达此处，子进程预期的是抛出异常ZygoteInit.MethodAndArgsCaller或者执行exec().
return true;
} else {
//父进程执行
IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
childPipeFd = null;
return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
}
} finally {
IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
}
}
7. forkAndSpecialize
[-> Zygote.java]
public static int forkAndSpecialize(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int[][] rlimits, int mountExternal, String seInfo, String niceName, int[] fdsToClose, String instructionSet, String appDataDir) {
VM_HOOKS.preFork(); //【见小节8】
int pid = nativeForkAndSpecialize(
uid, gid, gids, debugFlags, rlimits, mountExternal, seInfo, niceName, fdsToClose,
instructionSet, appDataDir); //【见小节9】
...
VM_HOOKS.postForkCommon(); //【见小节11】
return pid;
}
VM_HOOKS是Zygote对象的静态成员变量：VM_HOOKS = new ZygoteHooks();
7.1 Zygote进程
先说说Zygote进程，如下图：
从图中可知Zygote进程有4个Daemon子线程分别是ReferenceQueueDaemon，FinalizerDaemon，FinalizerWatchdogDaemon，HeapTaskDaemon。图中线程名显示的并不完整是由于底层的进程结构体task_struct是由长度为16的char型数组保存，超过15个字符便会截断。
可能有人会问zygote64进程不是还有system_server，com.android.phone等子线程，怎么会只有4个呢？那是因为这些并不是Zygote子线程，而是Zygote的子进程。在图中用红色圈起来的是进程的VSIZE，virtual size)，代表的是进程虚拟地址空间大小。线程与进程的最为本质的区别便是是否共享内存空间，图中VSIZE和Zygote进程相同的才是Zygote的子线程，否则就是Zygote的子进程。
8. preFork
[-> ZygoteHooks.java]
public void preFork() {
Daemons.stop(); //停止4个Daemon子线程【见小节8.1】
waitUntilAllThreadsStopped(); //等待所有子线程结束【见小节8.2】
token = nativePreFork(); //完成gc堆的初始化工作【见小节8.3】
}
8.1 Daemons.stop
public static void stop() {
HeapTaskDaemon.INSTANCE.stop(); //Java堆整理线程
ReferenceQueueDaemon.INSTANCE.stop(); //引用队列线程
FinalizerDaemon.INSTANCE.stop(); //析构线程
FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.stop(); //析构监控线程
}
此处守护线程Stop方式是先调用目标线程interrrupt()方法，然后再调用目标线程join()方法，等待线程执行完成。
8.2 waitUntilAllThreadsStopped
private static void waitUntilAllThreadsStopped() {
File tasks = new File("/proc/self/task");
// 当/proc中线程数大于1，就出让CPU直到只有一个线程，才退出循环
while (tasks.list().length > 1) {
Thread.yield();
}
}
8.3 nativePreFork
nativePreFork通过JNI最终调用如下方法：
[-> dalvik_system_ZygoteHooks.cc]
static jlong ZygoteHooks_nativePreFork(JNIEnv* env, jclass) {
Runtime* runtime = Runtime::Current();
runtime->PreZygoteFork(); // 见下文
if (Trace::GetMethodTracingMode() != TracingMode::kTracingInactive) {
Trace::Pause();
}
//将线程转换为long型并保存到token，该过程是非安全的
return reinterpret_cast<jlong>(ThreadForEnv(env));
}
至于runtime->PreZygoteFork的过程：
void Runtime::PreZygoteFork() {
// 堆的初始化工作。这里就不继续再往下追art虚拟机
heap_->PreZygoteFork();
}
VM_HOOKS.preFork()的主要功能便是停止Zygote的4个Daemon子线程的运行，等待并确保Zygote是单线程（用于提升fork效率），并等待这些线程的停止，初始化gc堆的工作, 并将线程转换为long型并保存到token
以上是关于理解Android进程创建流程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
源码分析——从AIDL的使用开始理解Binder进程间通信的流程
Android 逆向ART 脱壳 ( DexClassLoader 脱壳 | DexClassLoader 构造函数 | 参考 Dalvik 的 DexClassLoader 类加载流程 )(代码片段
Android 逆向ART 脱壳 ( DexClassLoader 脱壳 | DexClassLoader 构造函数 | 参考 Dalvik 的 DexClassLoader 类加载流程 )(代码片段
Android 逆向整体加固脱壳 ( DEX 优化流程分析 | DexPrepare.cpp 中 dvmOptimizeDexFile() 方法分析 | /bin/dexopt 源码分析 )(代码片段
Android 逆向Android 进程注入工具开发 ( Visual Studio 开发 Android NDK 应用 | Visual Studio 中 SDK 和 NDK 安装位置 )(代码片段