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詳解Android系統(tǒng)啟動過程

更新時間：2021年03月30日 08:37:34 作者：kailaisi

這篇文章主要介紹了Android系統(tǒng)啟動過程的相關資料，幫助大家更好得理解和學習使用Android，感興趣的朋友可以了解下

計算機是如何啟動的

計算機的硬件包括：CPU，內(nèi)存，硬盤，顯卡，顯示器，鍵盤鼠標等輸入輸出設備。所有的軟件都是存放在硬盤中，程序執(zhí)行時，需要將程序從硬盤上讀取到內(nèi)存中，然后加載到CPU中來運行。當按下開機鍵時，內(nèi)存中什么都沒有，因此需要借助某種方式，將操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中，而完成這項任務的就是BIOS。

引導階段

BIOS：BIOS是主板芯片上的一個程序，計算機通電后，第一件事情就是讀取BIOS。

BIOS首先進行硬件檢測，檢查計算機硬件能否滿足運行的基本條件。如果硬件出現(xiàn)問題，主板發(fā)出不同的蜂鳴聲，啟動停止。如果沒有問題，屏幕會顯示CPU，內(nèi)存，硬盤等信息。

硬件自檢完成后，BIOS將控制權(quán)交給下一個階段的啟動程序。這時候BIOS需要知道下一個啟動程序存放在哪個設備中。也就是BIOS需要一個外部存儲設備的排序。優(yōu)先交給排在前面的設備。這就是我們在BIOS中設置的啟動排序。

當?shù)谝粋€存儲設備被激活后，設備讀取設備的第一個扇區(qū)，也就是前512字節(jié)。如果這512個字節(jié)的最后兩個字節(jié)是0x55和0xAA，表明設備是可以用作系統(tǒng)啟動的。如果不是，那么就會順序啟動下一個設備。

這前512個字節(jié)，就叫做“主引導記錄”（縮寫MBR）。它負責磁盤操作系統(tǒng)對硬盤進行讀寫時分區(qū)合法型判斷、分區(qū)引導信息定位。MBR不屬于任何一個CIA做系統(tǒng)，它先于操作系統(tǒng)而被調(diào)入內(nèi)存，并發(fā)揮作用。然后才將控制權(quán)交給主分區(qū)內(nèi)的操作系統(tǒng)，并用主分區(qū)信息來管理硬盤。

MBR主要作用是告訴計算機到硬盤的哪個位置去找操作系統(tǒng)。計算機從MBR中讀取前446字節(jié)的機器碼后，不再轉(zhuǎn)交控制權(quán)，而是運行實現(xiàn)安裝的“啟動管理器”（boot loader），由用戶選擇啟動哪個操作系統(tǒng)。

加載內(nèi)核階段

選擇完操作系統(tǒng)以后，控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)核被載入內(nèi)存。

以Linux為例，先載入/boot下面的kernel。內(nèi)核加載完成后，運行第一個程序 /sbin/init。它根據(jù)配置文件產(chǎn)生init進程。它是Linux啟動后的第一個進程，pid為1.其他進程都是它的后代。

然后init線程加載系統(tǒng)的各個模塊。比如：窗口程序和網(wǎng)絡程序，直至執(zhí)行/bin/login程序執(zhí)行，跳出登錄頁面，等待用戶輸入用戶名密碼。

至此，系統(tǒng)啟動完成。

Android的啟動過程

Android是基于Linux系統(tǒng)的。但是它沒有BIOS程序，取而代之的是BootLoader（系統(tǒng)啟動加載器）。類似于BIOS，在系統(tǒng)加載前，用于初始化硬件設備，最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核準備好環(huán)境。在Android中沒有硬盤，而是ROM，類似于硬盤存放操作系統(tǒng)，用戶程序等。ROM跟硬盤一樣也會劃分為不同的區(qū)域，用于放置不同的程序，在Android中主要劃分為以下幾個區(qū)域：

/boot :存放引導程序，包括內(nèi)核和內(nèi)存操作程序
/system：相當于電腦C盤，存放Android系統(tǒng)和系統(tǒng)應用
/recover:回復分區(qū)?？梢赃M入該分區(qū)進行系統(tǒng)回復
/data:用戶數(shù)據(jù)區(qū)，包含了用戶的數(shù)據(jù)：聯(lián)系人、短信、設置、用戶安裝的程序
/cache：安卓系統(tǒng)緩存區(qū)，保存系統(tǒng)經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)和應用程序
/misc：雜項內(nèi)容
/sdcard:用戶自己的存儲區(qū)域。存放照片視頻等
Android系統(tǒng)啟動跟PC相似。當開機時，首先加載BootLoader，BootLoader會讀取ROM找到系統(tǒng)并將內(nèi)核加載進RAM中。

當內(nèi)核啟動后會初始化各種軟硬件環(huán)境，加載驅(qū)動程序，掛載跟文件系統(tǒng)。最后階段會啟動執(zhí)行第一個用戶空間進程init進程。

init進程

init是用戶的第一個進程，pid=1。kernal啟動后會調(diào)用/system/core/init/init.cpp的main()方法。

int main(int argc,char ** argv){
 ...
 if(is_first_stage){
  //創(chuàng)建和掛在啟動所需要的文件目錄
  mount("tmpfs","/dev","tmpfs",MS_NOSUID,"mode=0755");
  mkdir("/dev/pts",0755);
  //創(chuàng)建和掛在很多...
  ...
 } 
 ...
 //對屬性服務進行初始化
 property_init();
 ...
 //用于設置子進程信號處理函數(shù)（如Zygote），如果子進程異常退出，init進程會調(diào)用該函數(shù)中設定的信號處理函數(shù)來處理
 signal_handler_init();
 ...
 //啟動屬性服務
 start_property_service();
 ...
 //解析init.rc配置文件
 parser.ParseConfig("/init.rc");
}

首先初始化 Kernel log，創(chuàng)建一塊共享的內(nèi)存空間，加載 /default.prop 文件，解析 init.rc 文件。

init.rc 文件

init.rc 文件是 Android 系統(tǒng)的重要配置文件，位于 /system/core/rootdir/ 目錄中。主要功能是定義了系統(tǒng)啟動時需要執(zhí)行的一系列 action 及執(zhí)行特定動作、設置環(huán)境變量和屬性和執(zhí)行特定的 service。

init.rc 腳本文件配置了一些重要的服務，init 進程通過創(chuàng)建子進程啟動這些服務，這里創(chuàng)建的 service 都屬于 native 服務，運行在 Linux 空間，通過 socket 向上層提供特定的服務，并以守護進程的方式運行在后臺。

通過 init.rc 腳本系統(tǒng)啟動了以下幾個重要的服務：

service_manager：啟動 binder IPC，管理所有的 Android 系統(tǒng)服務
mountd：設備安裝 Daemon，負責設備安裝及狀態(tài)通知
debuggerd：啟動 debug system，處理調(diào)試進程的請求
rild：啟動 radio interface layer daemon 服務，處理電話相關的事件和請求
media_server：啟動 AudioFlinger，MediaPlayerService 和 CameraService，負責多媒體播放相關的功能，包括音視頻解碼
surface_flinger：啟動 SurfaceFlinger 負責顯示輸出
zygote：進程孵化器，啟動 Android Java VMRuntime 和啟動 systemserver，負責 Android 應用進程的孵化工作在這個階段你可以在設備的屏幕上看到 “Android” logo 了。

以上工作執(zhí)行完，init 進程就會進入 loop 狀態(tài)。

service_manager 進程

ServiceManager 是 Binder IPC 通信過程中的守護進程，本身也是一個 Binder 服務。ServiceManager 進程主要是啟動 Binder，提供服務的查詢和注冊。

surface_flinger 進程

SurfaceFlinger 負責圖像繪制，是應用 UI 的和興，其功能是合成所有 Surface 并渲染到顯示設備。SurfaceFlinger 進程主要是啟動 FrameBuffer，初始化顯示系統(tǒng)。

media_server 進程

MediaServer 進程主要是啟動 AudioFlinger 音頻服務，CameraService 相機服務。負責處理音頻解析播放，相機相關的處理。

Zygote 進程

zygote有兩個作用：啟動systemService和孵化應用進程。

Zygote 進程孵化了所有的 Android 應用進程，是 Android Framework 的基礎，該進程的啟動也標志著 Framework 框架初始化啟動的開始。

Zygote啟動主要調(diào)用app_main.cpp的main()中的AppRuntime的start方法來啟動Zygote進程

int main(int argc,char* const argv[]){
 while( i < argc ){
  const char* arg=argv[i++];
  if(strcmp(arg,"--zygote")==0){
   //如果當前進程在Zygote中，則設置zygote=true
   zygote=true;
   niceName=ZYGOTE_NICE_NAME;
  }else if(strcmp(arg,"--start-system-server")==0){
   //如果當前進程在SystemServer中，將startSystemServer=true
   startSystemServer=true;
  }
 }
 //承接上面Init進程中的代碼
 if(zygote){
  //啟動Zygote進程
  runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",args,zygote);
 }
}

Zygote 服務進程的主要功能：

注冊底層功能的 JNI 函數(shù)到虛擬機
預加載 Java 類和資源
fork 并啟動 system_server 核心進程
作為守護進程監(jiān)聽處理“孵化新進程”的請求

當 Zygote 進程啟動后, 便會執(zhí)行到 frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp 文件的 main() 方法。

system_server 進程

system_server 進程由 Zygote 進程 fork 而來。

//首先會調(diào)用 ZygoteInit.startSystemServer() 方法
ZygoteInit.startSystemServer() 
//fork 子進程 system_server，進入 system_server 進程。
ZygoteInit.handleSystemServerProcess() 
//設置當前進程名為“system_server”，創(chuàng)建 PathClassLoader 類加載器。
RuntimeInit.zygoteInit() 
//重定向 log 輸出，通用的初始化（設置默認異常捕捉方法，時區(qū)等），初始化 Zygote -> nativeZygoteInit()。
nativeZygoteInit() 
//方法經(jīng)過層層調(diào)用，會進入 app_main.cpp 中的 onZygoteInit() 方法。
app_main::onZygoteInit()// 啟動新 Binder 線程。
applicationInit() 

//方法經(jīng)過層層調(diào)用，會拋出異常 ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv), ZygoteInit.main() 會捕捉該異常。
ZygoteInit.main() 

//開啟 DDMS 功能，preload() 加載資源，預加載 OpenGL，調(diào)用 SystemServer.main() 方法。

SystemServer.main() 
//先初始化 SystemServer 對象，再調(diào)用對象的 run() 方法。

SystemServer.run() 
//準備主線程 looper，加載 android_servers.so 庫，該庫包含的源碼在 frameworks/base/services/ 目錄下。

system_server 進程啟動后將初始化系統(tǒng)上下文（設置主題），創(chuàng)建系統(tǒng)服務管理 SystemServiceManager，然后啟動各種系統(tǒng)服務

startBootstrapServices(); // 啟動引導服務
//該方法主要啟動服務 ActivityManagerService，PowerManagerService，LightsService，DisplayManagerService，PackageManagerService，UserManagerService。
//設置 ActivityManagerService，啟動傳感器服務。

startCoreServices();  // 啟動核心服務
//該方法主要
//啟動服務 BatteryService 用于統(tǒng)計電池電量，需要 LightService。
//啟動服務 UsageStatsService，用于統(tǒng)計應用使用情況。
//啟動服務 WebViewUpdateService。

startOtherServices();  // 啟動其他服務
//該方法主要啟動服務 InputManagerService，WindowManagerService。
//等待 ServiceManager，SurfaceFlinger啟動完成，然后顯示啟動界面。
//啟動服務 StatusBarManagerService，
//準備好 window, power, package, display 服務：
//	- WindowManagerService.systemReady()
//	- PowerManagerService.systemReady()
//	- PackageManagerService.systemReady()
//	- DisplayManagerService.systemReady()

所有的服務啟動后會注冊到ServiceManager。

ActivityManagerService 服務啟動完成后，會進入 ActivityManagerService.systemReady()，然后啟動 SystemUI，WebViewFactory，Watchdog，最后啟動桌面 Launcher App。

最后會進入循環(huán) Looper.loop()。

ActivityManagerService 啟動

啟動桌面 Launcher App 需要等待 ActivityManagerService 啟動完成。我們來看下 ActivityManagerService 啟動過程。

ActivityManagerService(Context) 
//創(chuàng)建名為“ActivityManager”的前臺線程，并獲取mHandler。
//通過 UiThread 類，創(chuàng)建名為“android.ui”的線程。
//創(chuàng)建前臺廣播和后臺廣播接收器。
//創(chuàng)建目錄 /data/system。
//創(chuàng)建服務 BatteryStatsService。

ActivityManagerService.start() //啟動電池統(tǒng)計服務，創(chuàng)建 LocalService，并添加到 LocalServices。

ActivityManagerService.startOtherServices() -> installSystemProviders()
//安裝所有的系統(tǒng) Provider。

ActivityManagerService.systemReady()
//恢復最近任務欄的 task。
//啟動 WebView，SystemUI，開啟 Watchdog，啟動桌面 Launcher App。
//發(fā)送系統(tǒng)廣播。

啟動桌面 Launcher App，首先會通過 Zygote 進程 fork 一個新進程作為 App 進程，然后創(chuàng)建 Application，創(chuàng)建啟動 Activity，最后用戶才會看到桌面。