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Android编程-android进阶——深入理解应用程序的进程是如何启动的

本文为网络转载文章。文章内观点不代表本博客立场。本转载仅用于技术学习与交流。

一、简介

    当我们打开android手机的时候，不知道你是否想过app是如何启动的呢？

      接下来，我将从源码角度进行解析，当然，本文作为上篇，是介绍应用程序的进程启动过程，而不是应用程序的启动过程，他们的区别就是煮饭前要准备锅具，没有锅具就无法煮饭，本文就是准备锅具的，但是也不简单哦。

   文章将从两个方面介绍，一个AMS发送请求，一个是Zygote接受请求。

   AMS就是Activity Manager System，管理Activity的，而Zygote就是创建进程的一个进程，所以AMS要想创建进程必须从Zygote那里进行申请，一系列的故事，就此展开。

二、AMS发送请求

从图中可以简略看出，首先AMS自己调用了自己的startProcessLocked方法，会创建相应的用户id，用户id组，以及对应的应用程序进程的主线程名——android.app.ActivityThread。

private final void startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,
        String hostingNameStr, String abiOverride, String entryPoint, String[] entryPointArgs) {
    ...
    try {
        int uid = app.uid;
        int[] gids = null;
        int mountExternal = Zygote.MOUNT_EXTERNAL_NONE;
        if (!app.isolated) {
            int[] permGids = null;
            if (ArrayUtils.isEmpty(permGids)) {
                gids = new int[3];
            } else {
                gids = new int[permGids.length + 3];
                System.arraycopy(permGids, 0, gids, 3, permGids.length);
            }
            gids[0] = UserHandle.getSharedAppGid(UserHandle.getAppId(uid));
            gids[1] = UserHandle.getCacheAppGid(UserHandle.getAppId(uid));
            gids[2] = UserHandle.getUserGid(UserHandle.getUserId(uid));
        }
        String requiredAbi = (abiOverride != null) ? abiOverride : app.info.primaryCpuAbi;
        if (requiredAbi == null) {
            requiredAbi = Build.SUPPORTED_ABIS[0];
        }


    ...
        if (entryPoint == null) entryPoint = "android.app.ActivitThread";
        ...
        if (hostingType.equals("webview_service")) {
            ...
        } else {
            startResult = Process.start(entryPoint,
                    app.processName, uid, uid, gids, debugFlags, mountExternal,
                    app.info.targetSdkVersion, seInfo, requiredAbi, instructionSet,
                    app.info.dataDir, invokeWith, entryPointArgs);
        }
       ...
}

  这里面的start中有一个参数名为requireAbi，在下面会改成abi起到比对的重要作用。

startProcessLocked方法内部会调用Process的start方法，而这个start方法只干了一件事，就是调用ZygoteProcess的start方法。

ZygoteProcess的作用在于保持与Zygote通信的状态，在其start方法中，会调用StartViaZygote方法，这里的出现了下面很重要的abi。

public final Process.ProcessStartResult start(final String processClass,
                                                  final String niceName,
                                                  int uid, int gid, int[] gids,
                                                  ...
                                                  String abi,
                                                  ...
                                                  String[] zygoteArgs) {
        try {
            return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids,
                    debugFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,
                    abi, instructionSet, appDataDir, invokeWith, zygoteArgs);
       ...
    }

 StartViaZygote方法会维护一个名为argsForZygote的列表，顾名思义，所有能够启动应用程序的进程的参数，都会保存在这里。然后这个列表作为一个参数，被传入到ZygoteSendArgsAndGetResult方法中，这个方法也是在StartViaZygote方法中被调用.另外要注意的是，openZygoteSocketIfNeeded方法也是作为参数传入了ZygoteSendArgsAndGetResult方法中。

private Process.ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass,
                                                  final String niceName,
                                                  final int uid, final int gid,
                                                  final int[] gids,
                                                  ...
                                                  String abi,
                                                  ...)
                                                  throws ZygoteStartFailedEx {
    ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>();
    argsForZygote.add("--runtime-args");
    argsForZygote.add("--setuid=" + uid);
    argsForZygote.add("--setgid=" + gid);
   ...
    synchronized(mLock) {
        return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote);
    }
}

ZygoteSendArgsAndGetResult方法作用是将传入的参数，也就是argsForZygote中保存的数据写入到ZygoteState中，从图中我们虽然将ZygoteState和ZygoteProcess做了并列处理，但是ZygoteState是ZygoteProcess的一个静态内部类，上面提到的ZygoteProcess的作用在于保持与Zygote通信的状态，其功能的完成就是在ZygoteState中。

private static Process.ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult(
        ZygoteState zygoteState, ArrayList<String> args)
        throws ZygoteStartFailedEx {
    try {
     
        final BufferedWriter writer = zygoteState.writer;
        final DataInputStream inputStream = zygoteState.inputStream;


        writer.write(Integer.toString(args.size()));
        writer.newLine();


        for (int i = 0; i < sz; i++) {
            String arg = args.get(i);
            writer.write(arg);
            writer.newLine();
        }


        writer.flush();
    ...
        result.pid = inputStream.readInt();
        result.usingWrapper = inputStream.readBoolean();
        ...
}

   从上面的方法看出，ZygoteSendArgsAndGetResult方法的第一个参数变成了ZygoteState，也就是说，openZygoteSocketIfNeeded方法的返回值是ZygoteState。

openZygoteSocketIfNeeded方法也处于ZygoteProcess中，就写在StartViaZygote下面，可以看到，在第6行与Zygote进程建立了连接。

private ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedE
    Preconditions.checkState(Thread.holdsLock(mLock), "ZygoteProcess lock not held");


    if (primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()) {
        try {
            primaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSocket);//建立连接
        } catch (IOException ioe) {
            throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to primary zygote", ioe);
        }
    }
  //这里primaryZygoteState是连接主模式后返回的ZygoteState,比对其是否与需要的abi匹配
    if (primaryZygoteState.matches(abi)) {
        return primaryZygoteState;
    }
  //如果主模式不成功，连接辅模式
    if (secondaryZygoteState == null || secondaryZygoteState.isClosed()) {
        try {
            secondaryZygoteState = ZygoteState.connect(mSecondarySocket);
        } catch (IOException ioe) {
            throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to secondary zygote", ioe);
        }
    }
  //匹配辅模式的abi
    if (secondaryZygoteState.matches(abi)) {
        return secondaryZygoteState;
    }


    throw new ZygoteStartFailedEx("Unsupported zygote ABI: " + abi);

   为什么第6行可以连接Zygote呢？因为Zygote是最先创建的进程，如果没有Zygote，我们的应用程序的进程也无从谈起，而Zygote为了创建其他进程，他会设置一个Socket监听，就是通过这个Socket，完成与Zygote的连接。

    而对于主模式和辅助模式，这里不细讲，就是有两次连接并匹配abi的机会。

    要匹配abi的原因在于，Zygote虽然可以fork自己不断创建进程，但是毕竟是有限的，而且需要资源，只有启动某个应用程序所必须的进程才有被创建的意义，这时候就在一开始的AMS中给设置一个abi，如果与后来的Zygote匹配，证明是需要被创建的。

   当匹配完成时，就会返回一个primaryZygoteState，此时AMS发送请求这一流程就结束了，接下来，就是Zygote如何接受请求并创建应用程序的进程的过程了。

三、Zygote接受请求

依然是时序图，甚至说，有了时序图，根本就不需要看后面的文章啦。

    看起来比上一个图稍微复杂些，不过可以发现还是很有规律的，Zygote先到ZygoteServer再回来，再到ZygoteConnection，再回来……

    所以，后面几个方法都在ZygoteInit中被调用，而且时间先后就是图中所示。

   在AMS发送请求完成后，Zygote会连接到一个ZygoteState，而这个ZygoteState在之前的ZygoteSendArgsAndGetResult方法中被写入了argsForZygote所保存的数据，这些数据就是请求的具体参数。

现在Zygote将会收到这些参数，并在ZygoteInit中进行相应操作。

ZygoteInit首先会执行其main方法。

 public static void main(String argv[]) {
       ...
        try {
           ...
            //设置Socket监听
            zygoteServer.registerServerSocket(socketName);
            if (!enableLazyPreload) {
                bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
                EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                    SystemClock.uptimeMillis());
                preload(bootTimingsTraceLog);
                EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                    SystemClock.uptimeMillis());
                bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
            } else {
                Zygote.resetNicePriority();
           ...

            if (startSystemServer) {
                startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);//启动SystemServer进程
            }


            Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
            zygoteServer.runSelectLoop(abiList);//等待AMS请求


            zygoteServer.closeServerSocket();
        ...
    }

    这里最后一个注释，就是一切都准备好了，只等AMS发来请求，现在我们看看RunSelectLoop方法是如何做的，猜测既然是等待，那肯定有一个死循环while，这个函数就在ZygoteServer之中。

void runSelectLoop(String abiList) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();
    fds.add(mServerSocket.getFileDescriptor());
    peers.add(null);
    while (true) {
        ...
        for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
            if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                continue;
            }
            if (i == 0) {
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDesciptor());


 } else {
                //一个连接一个连接的运行
                boolean done = peers.get(i).runOnce(this);
                if (done) {
                    peers.remove(i);
                    fds.remove(i);
                }
            }
        }
    }
}

果然有一个while(true)，哈哈，奖励自己晚上早睡十分钟。

可以看到这里维护了一个ZygoteConnection型的列表，每当连接不够时，就会增加，然后一个一个连接的进行执行，执行玩一个连接，就移除一个。

runOnce方法的作用就是读取argsForZygote所保存的数据，完成交接，这个方法显然，在ZygoteConnection中。

boolean runOnce(ZygoteServer zygoteServer) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    String args[];
    Arguments parsedArgs = null;
    FileDescriptor[] descriptors;
    try {
        args = readArgumentList(); //读取之前写入的数据
        descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
    } catch (IOException ex) {
        Log.w(TAG, "IOException on command socket " + ex.getMessage());
        closeSocket();
        return true;
    }
  ...
    try {
        parsedArgs = new Arguments(args);
    ...
        //创建应用程序进程
        pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
                parsedArgs.niceName, fdsToClose, fdsToIgnore, parsedArgs.instructionSet,
                parsedArgs.appDataDir);
    }
    ...
    try {
        if (pid == 0) {//当前逻辑运行在子程序中
            zygoteServer.closeServerSocket();
            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            serverPipeFd = null;
            handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);


            return true;
        }
        ...
    }
}

     如果在18行处的pid返回值为0，那么恭喜，此时的子进程已经创建完成，各种id和参数都传进去了，此时就会调用handleChildProc方法来处理出现的应用程序的进程（还是要提醒，本文创建的是应用程序的进程，而非应用程序本身）。

handleChildProc方法回调了ZygoteInit中的zygoteInit方法，注意，这里的z是小写！

private void handleChildProc(Arguments parsedArgs,
        FileDescriptor[] descriptors, FileDescriptor pipeFd, PrintStream newStderr)
        throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    ...
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
    if (parsedArgs.invokeWith != null) {
        WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,
                parsedArgs.niceName, parsedArgs.targetSdkVersion,
                VMRuntime.getCurrentInstructionSet(),
                pipeFd, parsedArgs.remainingArgs);
    } else {
        ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion,
                parsedArgs.remainingArgs, null /* classLoader */);
    }
}

现在我们回到ZygoteInit中，看看zygoteInit是怎么写的。

public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv,
        ClassLoader classLoader) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    if (RuntimeInit.DEBUG) {
        Slog.d(RuntimeInit.TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");
    }


    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "ZygoteInit");
    RuntimeInit.redirectLogStreams();


    RuntimeInit.commonInit();
    ZygoteInit.nativeZygoteInit();
    RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}

注意到这个方法是一个静态的final方法，在12行代码处，会执行RuntimeInit的applicationInit方法。

protected static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[]
        throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    ...
    final Arguments args;
    try {
        args = new Arguments(argv);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        Slog.e(TAG, ex.getMessage());
        // let the process exit
        return;
    }
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
    invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}

  同样在最后一行，调用了invokeStaticMain方法，这里传入了三个参数，第一个参数args.startClass就是本文一开始说的那个主线程的名字android.app.MainThread。

终于我们到了最后一站！现在我们进入invokeStaticMain方法。

private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader
        throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
    Class<?> cl;


    try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);//反射获取MainThread
    } catch (ClassNotFoundException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing class when invoking static main " + className,
                ex);
    }


    Method m;
    try {
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });//获得main
    } catch (NoSuchMethodException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Missing static main on " + className, ex);
    } catch (SecurityException ex) {
        throw new RuntimeException(
                "Problem getting static main on " + className, ex);
   ...
    throw new Zygote.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

    这里的className就是我们刚刚提到的args.startClass，也就是主线程名字，通过第6行的反射获取到对应的类，命名为c1，然后再通过15行代码获取主方法main，并将main传入到MethodAndArgsCaller方法中，当做异常抛出。

为什么这里要用抛出异常的方法呢？

    联想到这是最后一步，抛出异常的方式将会清除设置过程中需要的堆栈帧，仅仅留下一个main方法，使得main方法看起来像一个入口方法，毕竟，前面那么多的工作，那么多类的流血牺牲，最后都是为了成就他。当他出现时，前面的东西，也就没有必要存在了。

现在异常抛出了，谁来接受呢？当然，是main了，main位于ZygoteInit中。

public static void main(String argv[]) {
    ...
        zygoteServer.closeServerSocket();
    } catch (Zygote.MethodAndArgsCaller caller) {
        caller.run();
    } catch (Throwable ex) {
        Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
        zygoteServer.closeServerSocket();
        throw ex;
    }
}

可以看到，当出现了一个MethodAndArgsCaller型的异常的时候，main会捕捉到，并且执行他的run方法，这个run方法在MethodAndArgsCaller中，他是一个静态类。

public static class MethodAndArgsCaller extends Exception
        implements Runnable {
    ...
    public void run() {
        try {
            mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
        } catch (IllegalAccessException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        } catch (InvocationTargetException ex) {
           ...
        }
    }
}

   调用了invoke方法后，ActivityThread里面的main方法就会被动态调用，应用程序的进程就进入了这一main方法中。

经过上面的种种操作，我们创建了应用程序的进程并且运行了ActivityThread。

小结

    简单来说就是要想创建应用程序的进程，需要AMS发送请求，传入主线程名，这一请求必须符合Zygote的abi，并且将请求参数写在ZygoteState中。

    然后Zygote读取参数，fork自身去生成新的进程，如果返回的pid为0，那么就完成了应用程序的进程的创建。

然后通过反射将主线程名转换为主线程的类，获得其main方法，通过抛出一个异常清除掉之前的堆栈帧，在main方法里面接受这个异常，并执行run方法以激活main方法，使得应用程序的进程进入到main方法中得以运行。

写了一早上，呼~，准备吃饭啦，还有什么不懂的可以评论区提问哦。


作者：神鹰梦泽
链接：https://juejin.im/post/5f0165e1e51d453493111cf5

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