Android4.4的zygote进程（上）

Posted 2022-12-07 悠然红茶

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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Android4.4的zygote进程（上）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

android4.4的zygote进程

侯亮

1背景

前些天为了在科室做培训，我基于Android 4.4重新整理了一份关于zygote的文档。从技术的角度看，这几年zygote并没有出现什么大的变化，所以如果有人以前研究过zygote，应该不会对本文写的内容感到陌生。

2zygote进程的描述

在Android中，zygote是整个系统创建新进程的核心装置。从字面上看，zygote是受精卵的意思，它的主要工作就是进行细胞分裂。

zygote进程在内部会先启动Dalvik虚拟机，继而加载一些必要的系统资源和系统类，最后进入一种监听状态。在后续的运作中，当其他系统模块（比如AMS）希望创建新进程时，只需向zygote进程发出请求，zygote进程监听到该请求后，会相应地“分裂”出新的进程，于是这个新进程在初生之时，就先天具有了自己的Dalvik虚拟机以及系统资源。

系统启动伊始，zygote进程就会被init进程启动起来，init进程的详情可参考我写的《Android4.4的init进程》一文，此处不再赘述。我们直接来看init.rc脚本里的相关描述吧。在这个脚本中是这样描述zygote的：

可以看到，zygote对应的可执行文件就是/system/bin/app_process，也就是说系统启动时会执行到这个可执行文件的main()函数里。

3zygote进程的实现细节

zygote服务的main()函数位于frameworks\\base\\cmds\\app_process\\App_main.cpp文件中，其代码截选如下：

int main(int argc, char* const argv[])

    . . . . . .
AppRuntime runtime;
    const char* argv0 = argv[0];    // /system/bin/app_process
    argc--;
    argv++;
    . . . . . .
    int i = runtime.addVmArguments(argc, argv);	// 会跳过-Xzygote，i的位置对应/system/bin
    . . . . . .
    while (i < argc) 
        const char* arg = argv[i++];		// 应该是/system/bin目录
        if (!parentDir) 
            parentDir = arg;
         else if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) 
            zygote = true;
            niceName = "zygote";
         else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) 
            startSystemServer = true;
         
        . . . . . .
    

    if (niceName && *niceName) 
        setArgv0(argv0, niceName);
        set_process_name(niceName);     // 一般改名为“zygote”
    
    runtime.mParentDir = parentDir;
    if (zygote) 
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
                startSystemServer ? "start-system-server" : "");
     else if (className) 
        . . . . . .
     else 
        . . . . . .

3.1AppRuntime的start()

main()函数里先构造了一个AppRuntime对象，即AppRuntime runtime；而后把进程名改成“zygote”，并利用runtime对象，把工作转交给java层的ZygoteInit类处理。

这个AppRuntime类继承于AndroidRuntime类，却没有重载其start(...)函数，所以main()函数中调用的runtime.start(...)其实走的是AndroidRuntime的start(...)，而且传入了类名参数，即字符串——“com.android.internal.os.ZygoteInit”。start()函数的主要代码截选如下：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

void AndroidRuntime::start(const char* className, const char* options)

    . . . . . .
    const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT");
    . . . . . .
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);				// 初始化JNI接口
    JNIEnv* env;
    if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0) 		// 启动虚拟机
        return;
    
    onVmCreated(env);

    if (startReg(env) < 0) 				// 注册系统需要的jni函数
        ALOGE("Unable to register all android natives\\n");
        return;
    
    . . . . . .
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    . . . . . .
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        . . . . . .
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
    . . . . . .

代码中会先初始化JNI接口，并启动Dalvik虚拟机（startVm()），然后注册一些系统需要的jni函数，接着将传入的类名字符串参数辗转传给FindClass()，最后调用env->CallStaticVoidMethod()一句。

抛开Java层和C++层的概念，上面的流程说白了就是，Zygote进程的main()函数在启动Dalvik虚拟机后，会调用另一个ZygoteInit类的main()静态函数。调用示意图如下：

3.1.1加载合适的虚拟机动态库

一开始需要初始化JNI接口。

JniInvocation jni_invocation;
jni_invocation.Init(NULL);

这两句是在Android 4.4上出现的，在Android 4.0上，还没有它们呢。

jni_invocation的init()的代码如下：
【libnativehelper/JniInvocation.cpp】

bool JniInvocation::Init(const char* library) 

#ifdef HAVE_ANDROID_OS
  char default_library[PROPERTY_VALUE_MAX];
  property_get(kLibrarySystemProperty, default_library, kLibraryFallback);
#else
  const char* default_library = kLibraryFallback;
#endif
  if (library == NULL) 
    library = default_library;
  

  handle_ = dlopen(library, RTLD_NOW);
  . . . . . .
  . . . . . .
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_),
                  "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs")) 
    return false;
  
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_CreateJavaVM_),
                  "JNI_CreateJavaVM")) 
    return false;
  
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetCreatedJavaVMs_),
                  "JNI_GetCreatedJavaVMs")) 
    return false;
  
  return true;

因为我们使用的是Android系统，所以已经定义了HAVE_ANDROID_OS宏，而且library参数为NULL，于是在JniInvocation的Init()函数中，会走到

property_get(kLibrarySystemProperty, default_library, kLibraryFallback);

其中，kLibrarySystemProperty的定义是“persist.sys.dalvik.vm.lib”，这是个系统属性，它记录着系统实际需要用到的是哪种虚拟机，是dalvik还是ART，它们分别对应libdvm.so或libart.so。接着，dlopen()尝试加载libdvm.so或libart.so。这两个so中都export出了JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs，JNI_CreateJavaVM和JNI_GetCreatedJavaVMs这三个接口函数。

具体加载动态库的函数是dlopen()，代码如下：
【bionic/linker/Dlfcn.cpp】

void* dlopen(const char* filename, int flags) 
  ScopedPthreadMutexLocker locker(&gDlMutex);
  soinfo* result = do_dlopen(filename, flags);
  if (result == NULL) 
    __bionic_format_dlerror("dlopen failed", linker_get_error_buffer());
    return NULL;
  
  return result;

本文不需细究dlopen()的实现，大家只需知道，它是个强大的库函数，可以打开某个动态库，并将之装入内存。调用dlopen()时传入的第二个参数是RTLD_NOW，它表示加载器会立即计算库的依赖性，从而在dlopen()返回之前，解析出每个未定义变量的地址。

3.1.2启动Dalvik虚拟机，startVm()

初始化JNI环境后，就可以启动Dalvik虚拟机了。下面是startVm()的代码截选：
【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv)

    . . . . . .
    JavaVMInitArgs initArgs;
    JavaVMOption opt;
    . . . . . .
    . . . . . .
    opt.extraInfo = (void*) runtime_exit;
    opt.optionString = "exit";
    mOptions.add(opt);
    . . . . . .
    // Increase the main thread's interpreter stack size for bug 6315322.
    opt.optionString = "-XX:mainThreadStackSize=24K";
    mOptions.add(opt);
    . . . . . .
    . . . . . .

    initArgs.version = JNI_VERSION_1_4;
    initArgs.options = mOptions.editArray();
    initArgs.nOptions = mOptions.size();
    initArgs.ignoreUnrecognized = JNI_FALSE;

    // 启动dalvik虚拟机
    if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) 
        . . . . . .
    
    . . . . . .

因为本文阐述的重点不是Dalvik虚拟机，所以就不再深究JNI_CreateJavaVM()了。我们大概知道该函数会调用到刚刚jni_invocation的init()中，FindSymbol()得到的动态库中相应的函数指针即可。

3.1.3注册Android内部需要的函数，startReg()

当虚拟机成功启动后，JNI环境也就建立好了，现在可以把JNIEnv*传递给startReg()来注册一些重要的JNI接口了。startReg()的代码截选如下：
【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)

    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
    . . . . . .
    env->PushLocalFrame(200);
    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) 
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    
    env->PopLocalFrame(NULL);
    return 0;

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)  // 回调每个RegJNIRec数组项的mProc
#ifndef NDEBUG
            ALOGD("----------!!! %s failed to load\\n", array[i].mName);
#endif
            return -1;
        
    
    return 0;

注册jni函数的动作很简单，只是在遍历array数组，并尝试回调每个数组项的mProc回调函数。具体数组项类型的定义如下，而且struct定义的上方还顺带定义了REG_JNI宏：

#ifdef NDEBUG
    #define REG_JNI(name)       name 
    struct RegJNIRec 
        int (*mProc)(JNIEnv*);
    ;
#else
    #define REG_JNI(name)       name, #name 
    struct RegJNIRec 
        int (*mProc)(JNIEnv*);
        const char* mName;
    ;
#endif

gRegJNI的定义截选如下：

static const RegJNIRec gRegJNI[] = 
    REG_JNI(register_android_debug_JNITest),
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),   // 举例
    REG_JNI(register_android_os_SystemClock),
    REG_JNI(register_android_util_EventLog),
    REG_JNI(register_android_util_Log),
    REG_JNI(register_android_util_FloatMath),
    REG_JNI(register_android_text_format_Time),
    REG_JNI(register_android_content_AssetManager),
    . . . . . .
    . . . . . .

这些注册动作内部，基本上就是为自己关心的类注册jni接口啦。比如上面的register_com_android_internal_os_RuntimeInit()函数，它的代码如下：

【frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp】

int register_com_android_internal_os_RuntimeInit(JNIEnv* env)

    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/RuntimeInit",
                                         gMethods, NELEM(gMethods));

它关心的就是RuntimeInit类，现在为这个类的native成员注册对应的实现函数，这些实现函数就记录在gMethods数组中：

static JNINativeMethod gMethods[] = 
     "nativeFinishInit", "()V",
        (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit ,
     "nativeZygoteInit", "()V",
        (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit ,
     "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V",
        (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup ,
;

其他“注册动作”的格局大概也都是这样，我们就不赘述了。

3.1.4加载ZygoteInit类

AppRuntime的start()最后会加载Java层次的ZygoteInit类，并利用JNI技术的CallStaticVoidMethod()调用其静态的main()函数。

    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    . . . . . .
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        . . . . . .
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);

这是很关键的一步，就在这一步，控制权就转移到Java层次了。

3.2走入Java层——ZygoteInit.java

随着控制权传递到Java层次，ZygoteInit要做一些和Android平台紧密相关的重要动作，比如创建LocalServerSocket对象、预加载一些类以及资源、启动“Android系统服务”、进入核心循环等等。我们先画一张示意图：

相应地，我们还可以把前文的调用关系也丰富一下，得到下图：

3.2.1registerZygoteSocket()

我们先看ZygoteInit的main()函数调用的那个registerZygoteSocket()。这个函数内部其实会利用一个叫作“ANDROID_SOCKET_zygote”的环境变量。可是这个环境变量又是从哪里来的呢？为了解答这个问题，我们需要先看一下init进程service_start()函数。

3.2.1.1先看一下init进程的service_start()

前文我们已经列出了在init.rc脚本中，zygote服务是如何声明的。现在我们只关心其中和socket相关的部分：

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    . . . . . .
    socket zygote stream 660 root system
    . .  . . . .

这个服务的socket选项表明，它需要一个名为“zygote”的“流型（stream）”socket。

当init进程真的启动zygote服务时，会走到service_start()。我们现在只关心service_start()里和socket相关的动作。

【system/core/init/Init.c】

void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)

    . . . . . .
    pid = fork();   // 先fork出新的service进程
    if (pid == 0) 
    
        struct socketinfo *si;
        struct svcenvinfo *ei;
        . . . . . .
        // 再为service进程创建必须的socket接口
        for (si = svc->sockets; si; si = si->next) 
        
            int socket_type = (
                    !strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM :
                        (!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET));
            int s = create_socket(si->name, socket_type,
                                      si->perm, si->uid, si->gid);
            if (s >= 0) 
                // 将socket接口记入ANDROID_SOCKET_zygote环境变量
                publish_socket(si->name, s);  
            
        
        . . . . . .
            if (execve(svc->args[0], (char**) svc->args, (char**) ENV) < 0) 
                ERROR("cannot execve('%s'): %s\\n", svc->args[0], strerror(errno));
            
     
     . . . . . .

每次为service创建新的子进程后，都会查看该service需要什么socket。比如zygote服务，明确提出需要一个“流型（stream）”的socket。

create_socket()会在/dev/socket目录中创建一个Unix范畴的socket，而后，publish_socket()会把新建的socket的文件描述符记录在以“ANDROID_SOCKET_”打头的环境变量中。比如zygote对应的socket选项中的socket名为“zygote”，那么该socket对应的环境变量名就是“ANDROID_SOCKET_zygote”。

create_socket()的代码截选如下：
【system/core/init/Util.c】

int create_socket(const char *name, int type, mode_t perm, uid_t uid, gid_t gid)

    struct sockaddr_un addr;
    int fd, ret;
    . . . . . .
    fd = socket(PF_UNIX, type, 0);
. . . . . .
    // "/dev/socket/zygote"
    snprintf(addr.sun_path, sizeof(addr.sun_path), ANDROID_SOCKET_DIR"/%s", name);
    ret = unlink(addr.sun_path);
    . . . . . .
    ret = bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof (addr));  // 给套接字命名
    . . . . . .
    chown(addr.sun_path, uid, gid);
    chmod(addr.sun_path, perm);
    . . . . . .
    return fd;
    . . . . . .

当用socket()函数创建套接字以后，使用bind()将“指定的地址”赋值给“用文件描述符代表的套接字”，一般来说，该操作被称为“给套接字命名”。通常情况下，在一个SOCK_STREAM套接字接收连接之前，必须通过bind()函数用本地地址为套接字命名。对于zygote，其套接字地址应该是 “/dev/socket/zygote”。在调用bind()函数之后，socket()函数创建的套接字已经和指定的地址关联起来了，现在向这个地址发送的数据，就可以通过套接字读取出来了。

接下来，service_start()还调用了个publish_socket()函数，该函数的代码如下：
【system/core/init/Init.c】

static void publish_socket(const char *name, int fd)

    char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX;
    char val[64];

    strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) - 1,
            name,
            sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX));
    snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd);  // 将文件描述符转为字符串
    add_environment(key, val);

    /* make sure we don't close-on-exec */
    fcntl(fd, F_SETFD, 0);

这么看来，所谓的“发布”（publish），主要是把socket的文件描述符记录进环境变量。

上面代码中的ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX的定义如下：

#define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX	"ANDROID_SOCKET_"

那么对于zygote而言，就是在环境变量“ANDROID_SOCKET_zygote”里记录文件描述符对应的字符串。

add_environment()的代码如下：

int add_environment(const char *key, const char *val)

    int n;
    for (n = 0; n < 31; n++) 
        if (!ENV[n]) 
            size_t len = strlen(key) + strlen(val) + 2;
            char *entry = malloc(len);
            snprintf(entry, len, "%s=%s", key, val);
            ENV[n] = entry;
            return 0;
        
    
    return 1;

无非是把字符串记入一个静态数组而已，在后续的代码里，service_start()会调用execve()，并把ENV环境变量传递给execve()。

3.2.1.2registerZygoteSocket()里创建LocalServerSocket

OK，我们已经看到init进程在新fork出的zygote进程里，是如何记录“ANDROID_SOCKET_zygote”环境变量的。现在我们可以回过头来看zygote中的registerZygoteSocket()了，此处会切实地用到这个环境变量。

registerZygoteSocket()的代码如下：
【frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java】

private static void registerZygoteSocket() 
    if (sServerSocket == null) 
        int fileDesc;
        try 
            String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);
            fileDesc = Integer.parseInt(env);   // 从环境变量的字符串中解析出文件描述符
         catch (RuntimeException ex) 
            throw new RuntimeException(
                    ANDROID_SOCKET_ENV + " unset or invalid", ex);
        

        try 
            sServerSocket = new LocalServerSocket(createFileDescriptor(fileDesc));
         catch (IOException ex) 
            throw new RuntimeException(
                    "Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);

先从环境变量里读出socket的文件描述符，然后创建LocalServerSocket对象，并记入静态变量sServerSocket中。以后zygote进程会循环监听这个socket，一旦accept到连接请求，就创建命令连接（Command Connection）。监听动作的细节是在runSelectLoop()中，我们会在后文阐述，这里先放下。

现在我们可以画一张创建zygote socket接口的示意图，如下：

请注意，图中明确画出了两个进程，一个add环境变量，另一个get环境变量。

3.2.2预加载一些类——preloadClasses()

注册完socket接口，ZygoteInit会预加载一些类，这些类记录在frameworks/base/preloaded-classes文本文件里。下面是该文件的一部分截选：

# Classes which are preloaded by com.android.internal.os.ZygoteInit.
# Automatically generated by frameworks/base/tools/preload/WritePreloadedClassFile.java.
# MIN_LOAD_TIME_MICROS=1250
# MIN_PROCESSES=10
android.R$styleable
android.accounts.Account
android.accounts.Account$1
android.accounts.AccountManager
android.accounts.AccountManager$12
android.accounts.AccountManager$13
android.accounts.AccountManager$6
android.accounts.AccountManager$AmsTask
android.accounts.AccountManager$AmsTask$1
android.accounts.AccountManager$AmsTask$Response
. . . . . .
. . . . . .

在Android4.4上，这个脚本文件已经长达两千七百多行了，它里面记录着加载时间超过1250微秒的类，ZygoteInit尝试在系统启动时就把它们预加载进来，从而省去后续频繁加载时带来的系统开销。

preloadClasses()的代码截选如下：

private static void preloadClasses() 

    . . . . . .
    InputStream is = ClassLoader.getSystemClassLoader().getResourceAsStream(
                                            PRELOADED_CLASSES);  // 即"preloaded-classes"
    . . . . . .
    . . . . . .
        try 
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);
            . . . . . .
            while ((line = br.readLine()) != null) 
            
                line = line.trim();
                    . . . . . .
                    Class.forName(line);  // 使用加载当前类的类加载器来加载指定类
                    . . . . . .
                    count++;
                . . . . . .
            
            . . . . . .
         catch (IOException e) 
            . . . . . .
         finally 
            . . . . . .
            runtime.preloadDexCaches();
            . . . . . .
        
    . . . . . .

在一个while循环里，每次读取一行，然后调用Class.forName()方法来装载类。这个工作量可不小，毕竟有两千多行哩。

3.2.3预加载一些系统资源——preloadResources()

除了预加载一些类，zygote进程还要预加载一些系统资源。

private static void preloadResources() 

    . . . . . .
        mResources = Resources.getSystem();
        mResources.startPreloading();
        if (PRELOAD_RESOURCES) 
            . . . . . .
            TypedArray ar = mResources.obtainTypedArray(
                    com.android.internal.R.array.preloaded_drawables);
            int N = preloadDrawables(runtime, ar);
            ar.recycle();
            . . . . . .
            ar = mResources.obtainTypedArray(
                    com.android.internal.R.array.preloaded_color_state_lists);
            N = preloadColorStateLists(runtime, ar);
            ar.recycle();
            . . . . . .
        
        mResources.finishPreloading();
    . . . . . .

首先，从preloaded_drawables数组资源中读取一个类型数组（TypedArray），具体的资源文件可参考frameworks/base/core/res/res/values/arrays.xml，截选如下：

加载第一类资源需要调用preloadDrawables()，逐个加载TypedArray里记录的图片资源：基本上有两大类资源：
1）一类和图片有关（preloaed_drawables）
2）另一类和颜色有关（preloaded_color_state_lists）

private static int preloadDrawables(VMRuntime runtime, TypedArray ar) 

    int N = ar.length();
    for (int i=0; i<N; i++) 
        . . . . . .
        int id = ar.getResourceId(i, 0);  // 获得i项对应的资源id
        . . . . . .
        if (id != 0) 
            if (mResources.getDrawable(id) == null) 
                throw new IllegalArgumentException(
                        "Unable to find preloaded drawable resource #0x"
                        + Integer.toHexString(id)
                        + " (" + ar.getString(i) + ")");
            
        
    
    return N;

说起来之前mResources.obtainTypedArray()获取TypedArray时，其内部用的是AssetManager。得到TypedArray之后，我们就可以通过调用ar.getResourceId(i, 0)来得到数组项对应的资源id了。

其中的mResources是ZygoteInit的私有静态成员：

private static Resources mResources;

mResources的getDrawable()函数内部，会调用loadDrawable()。这样，这些图片资源就都加载到ZygoteInit的mResources里了。

另一些资源是颜色资源，是用preloadColorStateLists()加载的：

private static int preloadColorStateLists(VMRuntime runtime, TypedArray ar) 
    int N = ar.length();
    for (int i=0; i<N; i++) 
        . . . . . .
        int id = ar.getResourceId(i, 0);
        . . . . . .
        if (id != 0) 
            if (mResources.getColorStateList(id) == null) 
                throw new IllegalArgumentException(
                        "Unable to find preloaded color resource #0x"
                        + Integer.toHexString(id)
                        + " (" + ar.getString(i) + ")");
            
        
    
    return N;

也是在一个for循环里逐个加载颜色集，比如arrays.xml里的

<item>@color/primary_text_dark</item>
这个颜色集的参考文件是frameworks/base/core/res/res/color/primary_text_dark.xml，

现在，我们画一张加载系统资源的调用关系图：

以上是关于Android4.4的zygote进程（上）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Android4.4的zygote进程（下）