安卓系统启动流程

幻昼 2022年12月21日 321次浏览

先来一个整体的图，过一下整体流程，Android系统启动过程从下往上的一个过程是由 BootLoader 引导开机，然后依次进入 -> Kernel -> Native -> Framework -> App

process_status

硬件部分

按开机键电路引导过程

BIOS的启动，是由硬件完成的，Intel x86系列的cpu的硬件都设计为加电（即开机瞬间）就进入16位实模式状态运行，此时将cpu的硬件逻辑设计为强行将CS的值设置为0xFFFF,IP的值设置为0x0000，这样CS:IP就指向了0xFFFF0这个位置，而这个位置就是BIOS程序的入口地址。

Android手机会将固态存储设备ROM预先映射到类似地址上，当开机加电的时候，cpu就会从该地址执行/boot分区下的Bootloader程序，载入linux内核到RAM中。接下来就是 检查RAM，初始化各种软硬件环境，加载驱动程序，挂载根文件系统，并开始执行根文件系统的init程序

​ 手机开机基本流程图

软件部分

BootLoader

当手机处于关机状态时，长按Power键开机，引导芯片开始从固化在ROM里的预设代码开始执行，然后加载引导程序到RAM

Linux Kernel 层

Android平台的基础是Linux内核，比如ART虚拟机最终调用底层Linux内核来执行功能。Linux内核的安全机制为Android提供相应的保障，也允许设备制造商为内核开发硬件驱动程序。

  • 启动Kernel的swapper进程(pid=0)：该进程又称为idle进程, 系统初始化过程Kernel由无到有开创的第一个进程, 用于初始化进程管理、内存管理，加载Display,Camera Driver，Binder Driver等相关工作；

  • 启动kthreadd进程（pid=2）：是Linux系统的内核进程，会创建内核工作线程kworkder，软中断线程ksoftirqd，thermal等内核守护进程。kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖。

HAL 硬件抽象层

硬件抽象层 (HAL) 提供标准接口，HAL包含多个库模块，其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一组接口，比如WIFI/蓝牙模块，当框架API请求访问设备硬件时，Android系统将为该硬件加载相应的库模块。

Android Runtime & 系统库

每个应用都在其自己的进程中运行，都有自己的虚拟机实例。ART通过执行DEX文件可在设备运行多个虚拟机，DEX文件是一种专为Android设计的字节码格式文件，经过优化，使用内存很少。ART主要功能包括：预先(AOT)和即时(JIT)编译，优化的垃圾回收(GC)，以及调试相关的支持。

这里的Native系统库主要包括init孵化来的用户空间的守护进程、HAL层以及开机动画等。启动init进程(pid=1),是Linux系统的用户进程，init进程是所有用户进程的鼻祖。

​ 在这里插入图片描述

  • init进程还启动servicemanager(binder服务管家)、bootanim(开机动画)等重要服务
  • init进程孵化出Zygote进程，通过解析 init.rc 文件。Zygote进程是Android系统的第一个Java进程(即虚拟机进程)，Zygote是所有Java进程的父进程，Zygote进程本身是由init进程孵化而来的。
  • init进程会孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd、netd 等用户守护进程；

rc文件语法

rc文件语法是以行尾单位，以空格间隔的语法，以#开始代表注释行。rc文件主要包含Action、Service、Command、Options，其中对于Action和Service的名称都是唯一的，对于重复的命名视为无效。

Action

Action： 通过触发器trigger，即以on开头的语句来决定执行相应的service的时机，具体有如下时机：

  • on early-init; 在初始化早期阶段触发；
  • on init; 在初始化阶段触发；
  • on late-init; 在初始化晚期阶段触发；
  • on boot/charger： 当系统启动/充电时触发，还包含其他情况，此处不一一列举；
  • on property:=: 当属性值满足条件时触发；

Service

服务Service，以 service开头，由init进程启动，一般运行在init的一个子进程，所以启动service前需要判断对应的可执行文件是否存在。init生成的子进程，定义在rc文件，其中每一个service在启动时会通过fork方式生成子进程。

例如： service servicemanager /system/bin/servicemanager代表的是服务名为servicemanager，服务执行的路径为/system/bin/servicemanager。

Command

下面列举常用的命令

  • class_start <service_class_name>： 启动属于同一个class的所有服务；
  • start <service_name>： 启动指定的服务，若已启动则跳过；
  • stop <service_name>： 停止正在运行的服务
  • setprop ：设置属性值
  • mkdir ：创建指定目录
  • symlink <sym_link>： 创建连接到的<sym_link>符号链接；
  • write ： 向文件path中写入字符串；
  • exec： fork并执行，会阻塞init进程直到程序完毕；
  • exprot ：设定环境变量；
  • loglevel ：设置log级别

Options

Options是Service的可选项，与service配合使用

  • disabled: 不随class自动启动，只有根据service名才启动；
  • oneshot: service退出后不再重启；
  • user/group： 设置执行服务的用户/用户组，默认都是root；
  • class：设置所属的类名，当所属类启动/退出时，服务也启动/停止，默认为default；
  • onrestart:当服务重启时执行相应命令；
  • socket: 创建名为/dev/socket/<name>的socket
  • critical: 在规定时间内该service不断重启，则系统会重启并进入恢复模式

default: 意味着disabled=false，oneshot=false，critical=false。

Framework层

  • Zygote进程，是由init进程通过解析init.rc文件后fork生成的，Zygote进程主要包含：
    • 加载ZygoteInit类，注册Zygote Socket服务端套接字
    • 加载虚拟机
    • 提前加载类preloadClasses
    • 提前加载资源preloadResouces
  • System Server进程，是由Zygote进程fork而来，System Server是Zygote孵化的第一个进程，System Server负责启动和管理整个Java framework，包含ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等服务。
  • Media Server进程，是由init进程fork而来，负责启动和管理整个C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service等服务。

App 层

  • Zygote进程孵化出的第一个App进程是Launcher，这是用户看到的桌面App；

  • Zygote进程还会创建Browser，Phone，短信等App进程，每个App至少运行在一个进程上。

  • 所有的App进程都是由Zygote进程fork生成的

    start_app_process

​ 图解：

  1. 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；
  2. 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；
  3. 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；
  4. 新进程：执行handleChildProc方法，最后调用ActivityThread.main()方法

App-create-process

img

桌面如何拉起负一屏

绑定负一屏的 AssistantOverlayService，看桌面的 AssistantLauncherClient 调用 connect，看流程图：

​ home2pa

开机流程的图

TODO

安卓系统知识层面图

​ android-stack

详细流程参考文章：

序号 进程启动 概述
1 init进程 Linux系统中用户空间的第一个进程, Init.main
2 zygote进程 所有Ａpp进程的父进程, ZygoteInit.main
3 system_server进程(上篇) 系统各大服务的载体, forkSystemServer过程
4 system_server进程(下篇) 系统各大服务的载体, SystemServer.main
5 servicemanager进程 binder服务的大管家, 守护进程循环运行在binder_loop
6 app进程 通过Process.start启动App进程, ActivityThread.main

问题

BootLoader 跟 BIOS 区别

BIOS：Basic Input/Output System（基本输入输出系统），在IBM PC兼容系统上，是一种业界标准的固件接口（来自维基百科）。有点难以理解，其实BIOS是我们电脑启动时加载的第一个程序，这个程序不是由Java语言编写也不是由C语言编写，一般是汇编程序。BIOS程序固化在主板上的一块芯片上，是连接计算机硬件与操作系统的桥梁，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序。

由于Android属于嵌入式设备，并没有像pc那样的BIOS程序。取而代之的是Bootloader——系统启动加载器。它类似于BIOS，在系统加载前，用以初始化硬件设备，建立内存空间的映像图，为最终调用系统内核准备好环境。

在Android里没有硬盘，而是ROM，它类似于硬盘存放操作系统，用户程序等。ROM跟硬盘一样也会划分为不同的区域，用于放置不同的程序，在Android中主要划分为一下几个分区：
/boot：存放引导程序，包括内核和内存操作程序
/system：相当于电脑c盘，存放Android系统及系统应用
/recovery：恢复分区，可以进入该分区进行系统恢复
/data：用户数据区，包含了用户的数据：联系人、短信、设置、用户安装的程序
/cache：安卓系统缓存区，保存系统最常访问的数据和应用程序
/misc：包含一些杂项内容，如系统设置和系统功能启用禁用设置
/sdcard：用户自己的存储区，可以存放照片，音乐，视频等文件

Native与Kernel之间通信方式、Java层与Native(C/C++)层之间通信方式？

系统调用(SysCall)层、JNI（Java Native Interface）

进程的Binder线程池又是何时启动？

应用进程怎么由Zygote进程创建？

fastboot 和 recovery 模式的区别？

Android设备有3个重要分区： 启动加载程序(Boot loader)、恢复(Recovery)和 Android ROM。
Bootloader最先加载并决定要加载的下一个分区，此分区通常是Android ROM。 
Recovery模式是设备用于安装Android ROM分区更新的模式， 在对手机恢复出厂设置时也会使用Recovery模式。 
默认情况下进行的recovery通常具有较少的选项，这就是自定义恢复模块可用的原因。

另一方面，Fastboot是一种协议，可用于通过USB从计算机连接到设备，并向设备的分区发出更新。 例如，当我在fastboot中时，我可以通过recovery分区进行更新。

recovery 模式:
恢复模式是一个小型Linux操作系统，可以用来对手机恢复出厂设置，或者使用供应商image对设备进行更新。

所有的设备都存在Recovery， 但并非所有设备都提供Fastboot。

fastboot 模式:
手机进入fastboot 模式，就可以安装recovery image。Fastboot现在是android sdk附带的工具，你可以用它来 re-flash 设备的分区。 因为fastboot在android之前启动，即使没有安装android，你也可以在 recovery 模式分区被破坏的情况下将它用作 recovery 模式的替代方案。

参考文献：

Android 操作系统架构开篇

http://gityuan.com/android/

Android系统启动流程（基于Android 11）

https://juejin.cn/post/6969141197596000263

Android Q 开机启动流程

https://blog.csdn.net/zhang2256109/article/details/105691449

Android从按下开机键到启动发生了什么

https://blog.csdn.net/qq_29882585/article/details/109276939

fastboot 和 recovery 模式的区别

https://blog.csdn.net/ftell/article/details/81630799

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