Android 應用程序的啟動流程示例詳解

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應用進程的啟動流程

本文基於Android 11，主要分析應用程序的啟動流程，會直接定位到ActivityStackSupervisor.startSpecificActivity函數開始，因為該函數前面的內容主要在Activity的啟動流程中，可以通過這部分的文章來閱讀。

看源碼流程，需要戒驕戒躁，心態好。配合源碼使用，建議先收藏，夜深人靜，心血來潮再看。

通過分析應用進程的啟動流程，可以得到：

  • 在Framework層，現在不止有AMS負責請求Zygote進程創建新進程，還有ATMS、ActivityStarter、ActivityTaskManger、ActivityTaskS在協助分擔一些參數和邏輯的檢查。
  • 每個進程都是通過fork Zygote進程而來，且獲得Java虛擬機。也就是說每一個應用進程都有自己的虛擬機。
  • 應用進程是通過Soket去請求Zygote進程fork自己的。
  • 每個進程都有自己的Binder線程池用於IPC。
  • 每個應用進程的主線程在ActivityThread,其main函數會創建消息循環機制。

1、ActivityStackSupervisor.startSpecificActivity

ATMS有一個ProcessMap<WindowProcessController>類型的mProcessNames ,用於存儲封裝瞭已啟動進程信息ProcessRecord和窗口信息Windows的WindowProcessController實例。WindowProcessController用於協調ActivityManger管理ProcessReocrd和WindwManger管理WIndow和Activity的關系。

void startSpecificActivity(ActivityRecord r, boolean andResume, boolean checkConfig) {
    // Is this activity's application already running?
    final WindowProcessController wpc =
            mService.getProcessController(r.processName, r.info.applicationInfo.uid);
    boolean knownToBeDead = false;
    if (wpc != null && wpc.hasThread()) {
        realStartActivityLocked(r, wpc, andResume, checkConfig);
        return;
        ...
        knownToBeDead = true;
    }
    r.notifyUnknownVisibilityLaunchedForKeyguardTransition();
    final boolean isTop = andResume && r.isTopRunningActivity();
    mService.startProcessAsync(r, knownToBeDead, isTop, isTop ? "top-activity" : "activity");
}

這裡的mService是ActivityTaskManagerService的實例，通過getProcessController函數獲得當前wpc對象，判斷當前啟動應用進程是否啟動wpc != null && wpc.hasThread(),如果條件成立，則開始真正啟動一個未啟動過的Activity,通過realStartActivityLocked；條件不成立，則調用mService的startProcessAsync啟動當前Activity的所在的進程。即startSpecificActivity函數是啟動進程和啟動Activity的一個分界點。

2、ATMS.startProcessAsync

PooledLambda.obtainMessage函數是Lambda的調用方式，表示調用ActivityManagerInternal的startProcess函數，後續則是其參數。並返回一個Message對象，發給Handler類型的mH。

void startProcessAsync(ActivityRecord activity, boolean knownToBeDead, boolean isTop,
        String hostingType) {
    final Message m = PooledLambda.obtainMessage(ActivityManagerInternal::startProcess,
            mAmInternal, activity.processName, activity.info.applicationInfo, knownToBeDead,
            isTop, hostingType, activity.intent.getComponent());
    mH.sendMessage(m);
}

抽象類ActivityManagerInternal的繼承類定義在ActivityManagerService的內部類LocalService。

public final class LocalService extends ActivityManagerInternal

3、LocalService.startProcess

@Override
public void startProcess(String processName, ApplicationInfo info, boolean knownToBeDead,
        boolean isTop, String hostingType, ComponentName hostingName) {
    startProcessLocked(processName, info, knownToBeDead, 0 /* intentFlags */,
            new HostingRecord(hostingType, hostingName, isTop),
            ZYGOTE_POLICY_FLAG_LATENCY_SENSITIVE, false /* allowWhileBooting */,
            false /* isolated */, true /* keepIfLarge */);  
}

4、startProcessLocked函數

final ProcessRecord startProcessLocked(String processName,
        ApplicationInfo info, boolean knownToBeDead, int intentFlags,
        HostingRecord hostingRecord, int zygotePolicyFlags, boolean allowWhileBooting,
        boolean isolated, boolean keepIfLarge) {
    return mProcessList.startProcessLocked(processName, info, knownToBeDead, intentFlags,
            hostingRecord, zygotePolicyFlags, allowWhileBooting, isolated, 0 /* isolatedUid */,
            keepIfLarge, null /* ABI override */, null /* entryPoint */,
            null /* entryPointArgs */, null /* crashHandler */);
}

5、ProcessList.startProcessLocked

ProcessList類的startProcessLocked函數，有幾個重載函數，第一個調用。

在 ！isolated，判斷瞭啟動IntentFlag是否後臺運行，是的話，直接拒絕。否則清理AMS中發生過Crash的進程（當前應用）。

分析一：創立當前應用進程的描述ProcessRecord。

判斷當前系統是否啟動完畢，未啟動完畢，將進程信息緩存到AMS的mProcessesOnHold中。

分析二：調用瞭另外一個重載函數。

    final ProcessRecord startProcessLocked(String processName, ApplicationInfo info,
            boolean knownToBeDead, int intentFlags, HostingRecord hostingRecord,
            int zygotePolicyFlags, boolean allowWhileBooting, boolean isolated, int isolatedUid,
            boolean keepIfLarge, String abiOverride, String entryPoint, String[] entryPointArgs,
            Runnable crashHandler) {
        long startTime = SystemClock.uptimeMillis();
        ProcessRecord app;
		//isolated傳遞進來是false，
        if (!isolated) {
			//從mProcessNames緩存獲取，由於是首次創建，null
            app = getProcessRecordLocked(processName, info.uid, keepIfLarge);
            checkSlow(startTime, "startProcess: after getProcessRecord");
			//判斷要啟動進程是否後臺運行，直接return null
            if ((intentFlags &amp; Intent.FLAG_FROM_BACKGROUND) != 0) {
                if (mService.mAppErrors.isBadProcessLocked(info)) {
                    return null;
                }
            } else {
                //重置進程的crash狀態,使其處於正常狀態
                mService.mAppErrors.resetProcessCrashTimeLocked(info);
                if (mService.mAppErrors.isBadProcessLocked(info)) {
                    mService.mAppErrors.clearBadProcessLocked(info);
                    if (app != null) {
                        app.bad = false;
                    }
                }
            }
        } else {
            app = null;
        }
        ProcessRecord precedence = null;
        if (app != null &amp;&amp; app.pid &gt; 0) {
            if ((!knownToBeDead &amp;&amp; !app.killed) || app.thread == null) {
                app.addPackage(info.packageName, info.longVersionCode, mService.mProcessStats);
                return app;
            }
            ProcessList.killProcessGroup(app.uid, app.pid);
            precedence = app;
            app = null;
        }
        if (app == null) {
			// 分析一、創建新的應用進程描述ProcessRocrd
			//內部會將自己添加到mProcessNames中
			app = newProcessRecordLocked(info, processName, isolated, isolatedUid, hostingRecord);
			if (app == null) {
                return null;
            }
			//此時三者都是null
            app.crashHandler = crashHandler;
            app.isolatedEntryPoint = entryPoint;
            app.isolatedEntryPointArgs = entryPointArgs;
            if (precedence != null) {
                app.mPrecedence = precedence;
                precedence.mSuccessor = app;
            }
        } else {
            app.addPackage(info.packageName, info.longVersionCode, mService.mProcessStats);
        }
        // If the system is not ready yet, then hold off on starting this
        // process until it is.
        if (!mService.mProcessesReady
                &amp;&amp; !mService.isAllowedWhileBooting(info)
                &amp;&amp; !allowWhileBooting) {
            if (!mService.mProcessesOnHold.contains(app)) {
                mService.mProcessesOnHold.add(app);
            }
            if (DEBUG_PROCESSES) Slog.v(TAG_PROCESSES,
                    "System not ready, putting on hold: " + app);
            checkSlow(startTime, "startProcess: returning with proc on hold");
            return app;
        }
		分析二：
        final boolean success =
                startProcessLocked(app, hostingRecord, zygotePolicyFlags, abiOverride);
        checkSlow(startTime, "startProcess: done starting proc!");
        return success ? app : null;
    }

6、ProcessList.startProcessLocked重載

再次調用另外一個重載函數。

final boolean startProcessLocked(ProcessRecord app, HostingRecord hostingRecord,
        int zygotePolicyFlags, String abiOverride) {
    return startProcessLocked(app, hostingRecord, zygotePolicyFlags,
            false /* disableHiddenApiChecks */, false /* disableTestApiChecks */,
            false /* mountExtStorageFull */, abiOverride);
}

重載函數,這個重載函數處理邏輯很長，主要給前面創建的ProcessRecord類型的app設置各種屬性。例如外部存儲掛載模式，應用進程運行模式，abi架構等等，其中包括最重要一點就是分析一，確定要啟動進程的的類名：android.app.ActivityThread。分析二，繼續調用重載函數。

    boolean startProcessLocked(ProcessRecord app, HostingRecord hostingRecord,
            int zygotePolicyFlags, boolean disableHiddenApiChecks, boolean disableTestApiChecks,
            boolean mountExtStorageFull, String abiOverride) {
			...
            app.gids = gids;
            app.setRequiredAbi(requiredAbi);
            app.instructionSet = instructionSet;
            final String seInfo = app.info.seInfo
                    + (TextUtils.isEmpty(app.info.seInfoUser) ? "" : app.info.seInfoUser);
            //分析一：確定要啟動應用程序的類名
            final String entryPoint = "android.app.ActivityThread";
			//分析二：調用另外一個重載函數
            return startProcessLocked(hostingRecord, entryPoint, app, uid, gids,
                    runtimeFlags, zygotePolicyFlags, mountExternal, seInfo, requiredAbi,
                    instructionSet, invokeWith, startTime);
        } catch (RuntimeException e) {
		  	...
        }
    }

重載函數：也是設置一些屬性，然後調用startProcess函數。

 boolean startProcessLocked(HostingRecord hostingRecord, String entryPoint, ProcessRecord app,
            int uid, int[] gids, int runtimeFlags, int zygotePolicyFlags, int mountExternal,
            String seInfo, String requiredAbi, String instructionSet, String invokeWith,
            long startTime) {
            ...
            final Process.ProcessStartResult startResult = startProcess(hostingRecord,
                    entryPoint, app,
                    uid, gids, runtimeFlags, zygotePolicyFlags, mountExternal, seInfo,
                    requiredAbi, instructionSet, invokeWith, startTime);
            handleProcessStartedLocked(app, startResult.pid, startResult.usingWrapper,
                    startSeq, false);
           ...
        }
    }

7、ProcessList.startProcess

ProcessList類的startProcess函數會根據hostingRecord屬性mHostingZygote判斷走不同的創建分支，前面創建使用默認值，所以走瞭else分支。通過 Process.start函數創建新的應用進程。

Process.start的一路調用:

Process.start=&gt;ZygoteProcess.start=&gt;ZygoteState.start=&gt;ZygoteState.startViaZygote

8、ZygoteState.startViaZygote

startViaZygote函數，主要是將傳遞進來的參數拼接成成字符串和收集起來。其中processClass是

private Process.ProcessStartResult startViaZygote(...)
                                                  throws ZygoteStartFailedEx {
        //根據傳遞進來的參數，拼接成字符串並收集到ArrayList&lt;String&gt;類型argsForZygote
        //將作為新應用程序的主函數的參數
        return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi),
                                          zygotePolicyFlags,
                                          argsForZygote);
}

9、ZygoteState.openZygoteSocketIfNeeded

zygoteSendArgsAndGetResult的第一個參數，調用瞭openZygoteSocketIfNeeded函數。嘗試建立與Socket的連接（如果之前未建立的話）。我們知道Zygote進程在創建的過程，會調用runSelectLoop函數，創建Server端的Socket,一直等待來自AMS的Client端的Socket創建進程請求。

private ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedEx {
    try {
    	//建立和Zygote的Socket連接
        attemptConnectionToPrimaryZygote();
		//匹配abi的架構。在Zygote的創建對應四種模式:32,32_64和64，64_32
		//32,64
        if (primaryZygoteState.matches(abi)) {
            return primaryZygoteState;
        }
		//主要架構模式不配，匹配第二種 32_64,64_32
        if (mZygoteSecondarySocketAddress != null) {
            // The primary zygote didn't match. Try the secondary.
            attemptConnectionToSecondaryZygote();
            if (secondaryZygoteState.matches(abi)) {
                return secondaryZygoteState;
            }
        }
    } catch (IOException ioe) {
        throw new ZygoteStartFailedEx("Error connecting to zygote", ioe);
    }
    throw new ZygoteStartFailedEx("Unsupported zygote ABI: " + abi);
}

attemptConnectionToPrimaryZygote函數主要通過底層的LocalSocket創建與Zygote進程的Socket連接，並獲得輸入流zygoteInputStream和輸出流zygoteOutputWriter。

private void attemptConnectionToPrimaryZygote() throws IOException {
    if (primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()) {
        primaryZygoteState =
                ZygoteState.connect(mZygoteSocketAddress, mUsapPoolSocketAddress);
        maybeSetApiBlacklistExemptions(primaryZygoteState, false);
        maybeSetHiddenApiAccessLogSampleRate(primaryZygoteState);
    }
}

和Zygote進程的Server端Socket建立連接後，就是開始往Socket寫數據瞭。

10、attemptZygoteSendArgsAndGetResult

回到第8步調用瞭zygoteSendArgsAndGetResult函數，又調用瞭attemptZygoteSendArgsAndGetResult函數。

zygoteSendArgsAndGetResult=&gt;attemptZygoteSendArgsAndGetResult

11、attemptZygoteSendArgsAndGetResult

到這裡，通過Socket的方式向Zygote進程寫進前面拼接好的參數，Zygote在Server端的Socket接收到數據之後，會執行創建動作。在返回的result.pid>=0表示創建成功，並運行在新的進程。

    private Process.ProcessStartResult attemptZygoteSendArgsAndGetResult(
            ZygoteState zygoteState, String msgStr) throws ZygoteStartFailedEx {
        try {
            final BufferedWriter zygoteWriter = zygoteState.mZygoteOutputWriter;
            final DataInputStream zygoteInputStream = zygoteState.mZygoteInputStream;
            zygoteWriter.write(msgStr);
            zygoteWriter.flush();
            Process.ProcessStartResult result = new Process.ProcessStartResult();
            result.pid = zygoteInputStream.readInt();
            result.usingWrapper = zygoteInputStream.readBoolean();
            if (result.pid &lt; 0) {
                throw new ZygoteStartFailedEx("fork() failed");
            }
            return result;
        } catch (IOException ex) {
            zygoteState.close();
            Log.e(LOG_TAG, "IO Exception while communicating with Zygote - "
                    + ex.toString());
            throw new ZygoteStartFailedEx(ex);
        }
    }

12、Zygote.main

在Zygote的啟動流程過程，調用瞭ZygoteInit的main函數，因為Zygote是通過fork自身來創建其他進程，所以需要根據傳遞進來的參數，進行判斷是啟動什麼類型的進程，例如自身isPrimaryZygote=true，或者SystemServer進程。然後通過ZygoteServer.runSelectLoop函數，等待其他進程請求創建新的進程。

    public static void main(String argv[]) {
        ZygoteServer zygoteServer = null;
        Runnable caller;
        try {
        	...
            boolean startSystemServer = false;
            String zygoteSocketName = "zygote";
            String abiList = null;
            boolean enableLazyPreload = false;
            for (int i = 1; i &lt; argv.length; i++) {
                if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
                    startSystemServer = true; //判斷是否SystemServer進程
                } else if ("--enable-lazy-preload".equals(argv[i])) {
                    enableLazyPreload = true;
                } else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {
                    abiList = argv[i].substring(ABI_LIST_ARG.length());
                } else if (argv[i].startsWith(SOCKET_NAME_ARG)) {
                	//SCOKET_NAME_ARG="--socket-name=",根據參數得到SocketName
                    zygoteSocketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
                } else {
                    throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
                }
            }
		    //PRIMARY_SOCKET_NAME=zygote
            final boolean isPrimaryZygote = zygoteSocketName.equals(Zygote.PRIMARY_SOCKET_NAME);
         	gcAndFinalize();
            Zygote.initNativeState(isPrimaryZygote);
            ZygoteHooks.stopZygoteNoThreadCreation();
            zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote);
            if (startSystemServer) {
            	//啟動SystemServer進程
                Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer);
                if (r != null) {
                    r.run();
                    return;
                }
            }
		   //循環等待AMS來請求創建新的進程
            caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
        } catch (Throwable ex) {
            Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
            throw ex;
        } finally {
            if (zygoteServer != null) {
                zygoteServer.closeServerSocket();
            }
        }
		//調用新的進程主函數
        if (caller != null) {
            caller.run();
        }
    }

13、ZygoteServer.runSelectLoo

這裡隻關註ZygoteServer.runSelectLoop函數，接受Socket客戶端數據。

 /**
     * Runs the zygote process's select loop. Accepts new connections as
     * they happen, and reads commands from connections one spawn-request's
     * worth at a time.
     */
    Runnable runSelectLoop(String abiList) {
        while (true) {
         	...
            ZygoteConnection connection = peers.get(pollIndex);
            final Runnable command = connection.processOneCommand(this);
			...
            if (mIsForkChild) {
                return command;
            }
            ....       
   		}
	}

14、ZygoteConnection.processOneCommand

runSelctLoop主要是從循環中檢測是否有連接建立，建立之後執行ZygoteConnection的processOneCommand函數，並返回一個Runable類型的command對象。

Runnable processOneCommand(ZygoteServer zygoteServer) {
    ...
    args = Zygote.readArgumentList(mSocketReader);
    //根據參數內容，作其他類型的處理
    ...
    //創建進程,調用底層nativeForkAndSpecialize方法，通過fork當前進程來創建一個子線程。
    pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.mUid, parsedArgs.mGid, parsedArgs.mGids,
            parsedArgs.mRuntimeFlags, rlimits, parsedArgs.mMountExternal, parsedArgs.mSeInfo,
            parsedArgs.mNiceName, fdsToClose, fdsToIgnore, parsedArgs.mStartChildZygote,
            parsedArgs.mInstructionSet, parsedArgs.mAppDataDir, parsedArgs.mIsTopApp,
            parsedArgs.mPkgDataInfoList, parsedArgs.mWhitelistedDataInfoList,
            parsedArgs.mBindMountAppDataDirs, parsedArgs.mBindMountAppStorageDirs);
    ...
    if (pid == 0) {
        //設置mIsForkChild=true
        zygoteServer.setForkChild();
       //關閉Socket連接
        zygoteServer.closeServerSocket();
        IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
        serverPipeFd = null;
       //執行子進程內容
        return handleChildProc(parsedArgs, childPipeFd, parsedArgs.mStartChildZygote);
    } 
    ...
}

15、handleChildProc

handleChildProc函數。

private Runnable handleChildProc(ZygoteArguments parsedArgs,
        FileDescriptor pipeFd, boolean isZygote) {
        ...
        if (!isZygote) {
            return ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.mTargetSdkVersion,
                    parsedArgs.mDisabledCompatChanges,
                    parsedArgs.mRemainingArgs, null /* classLoader */);
        } else {
            return ZygoteInit.childZygoteInit(parsedArgs.mTargetSdkVersion,
                    parsedArgs.mRemainingArgs, null /* classLoader */);
        }
}

16、 ZygoteInit.zygoteInit

public static final Runnable zygoteInit(int targetSdkVersion, long[] disabledCompatChanges,
        String[] argv, ClassLoader classLoader) {
    RuntimeInit.commonInit();
    ZygoteInit.nativeZygoteInit();//為新進程創建Binder線程池
    return RuntimeInit.applicationInit(targetSdkVersion, disabledCompatChanges, argv,
            classLoader);
}

以前還以為每個進程共用一個Binder線程池，現在知道每個進程都有自己的Binder線程池進行IPC。

17、RuntimeInit.applicationInit

    protected static Runnable applicationInit(int targetSdkVersion, long[] disabledCompatChanges,
            String[] argv, ClassLoader classLoader) {
        final Arguments args = new Arguments(argv); 
        return findStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
    }

這裡的args.startClass就是Socket客戶端傳遞下來的android.app.ActivityThread。

18、RuntimeInit.findStaticMain

RuntimeInit.findStaticMain函數主要通過反射創建ActivityThread類的實例，並反射主函數main，然後封裝到MethodAndArgsCaller實例中返回。

protected static Runnable findStaticMain(String className, String[] argv,
        ClassLoader classLoader) {
    ...
    Class&lt;?&gt; cl = Class.forName(className, true, classLoader);
    Method m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
    ...
    return new MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

MethodAndArgsCaller類繼承自Runable,並在其run函數，調用主函數方法。

static class MethodAndArgsCaller implements Runnable {
    /** method to call */
    private final Method mMethod;
    /** argument array */
    private final String[] mArgs;
    public MethodAndArgsCaller(Method method, String[] args) {
        mMethod = method;
        mArgs = args;
    }
    public void run() {
        ...
        mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
        ...
    }
}

隨著findStaticMain函數方法棧一路返回到runSelectLoop函數，因為mIsForkChild是true，所以MethodAndArgsCaller對象返回到ZygoteInit的main函數，並賦值給caller變量。main函數最後調用caller的run函數。即執行瞭ActivityThread的主函數main。

本來自己還有個疑惑，fork子進程之後，並caller的run函數，已經退出瞭Zygote進程的runSelectLoop循環等待。怎麼繼續去接收AMS新的請求。原來如此，fork子進程後，後續的代碼都運行在瞭子進程，這裡return其實是子進程瞭。

一個進程調用fork（）函數後，系統先給新的進程分配資源，例如存儲數據和代碼的空間。然後把原來的進程的所有值都復制到新的新進程中，隻有少數值與原來的進程的值不同。相當於克隆瞭一個自己。

19、進程ActivityThread.main。

public static void main(String[] args) {
    Looper.prepareMainLooper();
    ActivityThread thread = new ActivityThread();
    thread.attach(false, startSeq);
    if (sMainThreadHandler == null) {
        sMainThreadHandler = thread.getHandler();
    }
    Looper.loop();
}

ActivityThread的主函數，創建瞭ActivityThread進程，並啟動瞭消息循環隊列，代表著當前進程的主線程已啟動。

知識點

  • fork函數。
  • 通過Socket創建新的進程。
  • Binder機制和應用程序創建的時機。
  • ActivityThread的進程的主線程。

疑問點

  • 通過Zygote進程fork而來的子進程都會獲得Zygote創建的Java虛擬機，也就是每個應用進程都有自己的Java虛擬機。
  • 每個應用進程都有屬於自己的Binder線程池和消息循環機制。
  • 之所以fork Zygote進程而不是init進程，是避免重復初始化環境資源的加載和虛擬機的創建。
  • 進程的創建之所選擇Socket機制進行，因為Binder機制會導致死鎖，怕父進程binder線程有鎖，然後子進程的主線程一直在等其子線程(從父進程拷貝過來的子進程)的資源，但是其實父進程的子進程並沒有被拷貝過來，造成死鎖，所以fork不允許存在多線程。

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