android6.0源码分析之Zygote进程分析

在android6.0源码分析之Runtime的初始化一文中，对Zygote进程的初期的Runtime初始化过程进行了分析，在Runtime启动结束后，会对Zygote进程进行初始化，其它Java进程都需要从Zygote进程来fork，而Zygote的初始化是从ZygoteInit的main函数开始的：

//ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
try {
...
        //注册zygote socket
        registerZygoteSocket(socketName);
...
        //加载资源以及类
        preload();
...
        // Disable tracing so that forked processes do not inherit stale tracing tags from
        // Zygote.
        Trace.setTracingEnabled(false);
        //启动system server进程
if (startSystemServer) {
            startSystemServer(abiList, socketName);
        }

        Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");
        //循环等待创建进程的socket请求
        runSelectLoop(abiList);
        //关闭server socket
        closeServerSocket();
    } catch (MethodAndArgsCaller caller) {//截取MethodAndArgsCaller异常
        //执行新进程的main函数
        caller.run();
    } catch (RuntimeException ex) {
        Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
        closeServerSocket();
        throw ex;
    }
}

首先它会对启动参数进行解析，得到是否需要启动systemserver，或者得到ABI_LIST_ARG参数和socketName参数等，然后则会调用registerZygoteSocket来创建一个LocalServerSocket来与以后需要systemServer创建进程时进行通信，接着调用preload来对VM虚拟机中的DEX类等资源进行加载，然后会调用runSelectLoop来进行循环等待，最后会截取ZygoteInit中抛出的MethodAndArgsCaller异常，并在异常处理时，调用新建进程的main方法实现新进程的启动。下面将对这四个主要的调用分别进行分析。

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1、registerZygoteSocket方法分析

//ZygoteInit.java
private static void registerZygoteSocket(String socketName) {
if (sServerSocket == null) {//判断Zygote socket是否已创建
int fileDesc;
final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;
try {
            String env = System.getenv(fullSocketName);
//获取文件描述符
            fileDesc = Integer.parseInt(env);
        } catch (RuntimeException ex) {
throw new RuntimeException(fullSocketName + " unset or invalid", ex);
        }

try {
            FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
            fd.setInt$(fileDesc);
//创建Zygote socket，它会在runSelectLoop中进行循环等待
            sServerSocket = new LocalServerSocket(fd);
        } catch (IOException ex) {
throw new RuntimeException("Error binding to local socket '" + fileDesc + "'", ex);
        }
    }
}

由代码可知，它创建了一个LocalServerSocket，并且它会在runSelectLoop中阻塞等待socket请求，至于runSelectLoop稍后会进行分析。

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2、preload方法分析

//ZygoteInit.java
static void preload() {
    Log.d(TAG, "begin preload");
//加载类
preloadClasses();
//加载资源
preloadResources();
//加载OpenGL
preloadOpenGL();
//加载公共库
preloadSharedLibraries();
//加载文本资源
preloadTextResources();
// Ask the WebViewFactory to do any initialization that must run in the zygote process,
// for memory sharing purposes.
    WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
    Log.d(TAG, "end preload");
}

由代码可知，preload方法主要就是进行类，资源，公共库以及相关的文本资源的加载，主要分析其中的preloadClasses以及preloadSharedLibraries方法：

//ZygoteInit.java
private static void preloadClasses() {
//获取虚拟机运行时
    final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();

    InputStream is;
try {
//初始化文件输入流，路径为"/system/etc/preloaded-classes"
is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);
    } catch (FileNotFoundException e) {
return;
    }
    ...
// Alter the target heap utilization. With explicit GCs this
// is not likely to have any effect.
float defaultUtilization = runtime.getTargetHeapUtilization();
    runtime.setTargetHeapUtilization(0.8f);

try {
//通过BufferReader来读取输入流
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);

int count = 0;
        String line;
//逐行处理
while ((line = br.readLine()) != null) {
// Skip comments and blank lines.
            line = line.trim();
if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
continue;
            }

try {
                ...
//加载并显示地初始化给定的类
                Class.forName(line, true, null);
                count++;
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                ...
            }
        }
    } catch (IOException e) {
        Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
    } finally {
        IoUtils.closeQuietly(is);
// Restore default.
        runtime.setTargetHeapUtilization(defaultUtilization);
//将类，域，方法等填充到dex缓存中
        runtime.preloadDexCaches();
    }
}

首先，根据”/system/etc/preloaded-classes”来，逐行解析里面的类，最后再将预加载的类填充到VM的dex缓存中，它会调用VMRuntime库的本地方法preloadDexCaches来填充，此方法的具体实现在VM库中。
接下来看preloadSharedLibraries方法：

//ZygoteInit.java
private static void preloadSharedLibraries() {
    Log.i(TAG, "Preloading shared libraries...");

    System.loadLibrary("android");
    System.loadLibrary("compiler_rt");
    System.loadLibrary("jnigraphics");
}

如代码，它主要进行shared库android，compiler_rt以及jnigraphics的加载。

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3、 startSystemServer方法分析

System Server进程是android系统的非常重要的进程，它在Zygote的启动之后就必须启动，所以startSystemServer方法也是Zygote初始化中非常重要的调用：

//ZygoteInit.java
private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
    ...
    ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
int pid;

try {
        parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
        ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
        ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

//fork一个systemServer进程
        pid = Zygote.forkSystemServer(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags,null,parsedArgs.permittedCapabilities,
                parsedArgs.effectiveCapabilities);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
throw new RuntimeException(ex);
    }

//处理子进程
if (pid == 0) {
if (hasSecondZygote(abiList)) {
            waitForSecondaryZygote(socketName);
        }
//处理system server进程
        handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }
return true;
}

它首先fork一个systemserver进程，然后再对子进程systemserver进行相关处理，首先来看forkSystemServer方法：

//Zygote.java
public static int forkSystemServer(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags,int[][] rlimits, 
long permittedCapabilities, long effectiveCapabilities) {
    VM_HOOKS.preFork();
//调用native方法
int pid = nativeForkSystemServer(uid, gid, gids, debugFlags, rlimits, permittedCapabilities, 
            effectiveCapabilities);
// Enable tracing as soon as we enter the system_server.
if (pid == 0) {
        Trace.setTracingEnabled(true);
    }
    VM_HOOKS.postForkCommon();
return pid;
}

这里将通过JNI调用，进入Native代码层，接着分析nativeForkSystemServer方法，它对应的是Native方法是com_android_internal_os_Zygote_nativeForkSystemServer：

//com_android_internal_os_Zygote.cpp
static jint com_android_internal_os_Zygote_nativeForkSystemServer(JNIEnv* env, jclass, uid_t uid, 
        gid_t gid, jintArray gids,jint debug_flags, jobjectArray rlimits, jlong
        permittedCapabilities,jlong effectiveCapabilities) {
//fork 相应进程
    pid_t pid = ForkAndSpecializeCommon(env, uid, gid, gids,debug_flags, rlimits,
        permittedCapabilities, effectiveCapabilities,MOUNT_EXTERNAL_DEFAULT, NULL, NULL, true, 
NULL,NULL, NULL);
if (pid > 0) {
        gSystemServerPid = pid;

int status;
if (waitpid(pid, &status, WNOHANG) == pid) {
//system server进程died，终止运行时，重启zygote进程
            RuntimeAbort(env);
        }
    }
return pid;
}

它调用了ForkAndSpecializeCommon方法来进行进程的创建，最后对创建结果进行了相应的处理，这里与创建普通进程的区别就是，需要对子进程进行检查，判断system server进程是否died，如果died，则会终止runtime，并重启Zygote进程，接着分析ForkAndSpecializeCommon方法：

//com_android_internal_os_Zygote.cpp
static pid_t ForkAndSpecializeCommon(JNIEnv* env, uid_t uid, gid_t gid, jintArray javaGids,
        jint debug_flags, jobjectArray javaRlimits,jlong permittedCapabilities, jlong 
        effectiveCapabilities,jint mount_external,jstring java_se_info, jstring java_se_name,
        bool is_system_server, jintArray fdsToClose,jstring instructionSet, jstring dataDir) {
    SetSigChldHandler();
    //fork一个进程
    pid_t pid = fork();

if (pid == 0) {//处理子进程
        // The child process.
        gMallocLeakZygoteChild = 1;
...
        SetGids(env, javaGids);

        SetRLimits(env, javaRlimits);

...
        rc = selinux_android_setcontext(uid, is_system_server, se_info_c_str, se_name_c_str);
...
if (se_info_c_str != NULL) {
            //设置线程名称
            SetThreadName(se_name_c_str);
        }
...
        //此处会post一个forkChild的消息
        env->CallStaticVoidMethod(gZygoteClass, gCallPostForkChildHooks, debug_flags,
            is_system_server ? NULL : instructionSet)；
    } else if (pid > 0) {
        // the parent process
    }
return pid;
}

它首先fork一个子进程，然后对子进程进行处理，最后会post一个forkChild的消息出去，而在ZygoteInit中会对forksystemserver的子进程进行处理，所以，接着看handleSystemServerProcess方法：

//ZygoteInit.java
private static void handleSystemServerProcess(ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    ...
    if (parsedArgs.invokeWith != null) {
        String[] args = parsedArgs.remainingArgs;

        if (systemServerClasspath != null) {
            String[] amendedArgs = new String[args.length + 2];
            amendedArgs[0] = "-cp";
            amendedArgs[1] = systemServerClasspath;
            System.arraycopy(parsedArgs.remainingArgs, 0, amendedArgs, 2,
                parsedArgs.remainingArgs.length);
        }

        WrapperInit.execApplication(parsedArgs.invokeWith,parsedArgs.niceName,
            parsedArgs.targetSdkVersion,VMRuntime.getCurrentInstructionSet(), null, args);
    } else {
        ClassLoader cl = null;
        if (systemServerClasspath != null) {
            //获取类加载器
            cl = new PathClassLoader(systemServerClasspath, ClassLoader.getSystemClassLoader());
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
        }

        //根据参数来启动System server进程
        RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
    }
}

由代码可知，它主要会调用RuntimeInit类的zygoteInit方法来对子进程system server进行启动的处理：

//RuntimeInit.java
public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
...
    commonInit();
    nativeZygoteInit();
    applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
}

其中commonInit主要就是进行一些系统属性的初始化或者重置，这里重点分析nativeZygoteInit和applicationInit方法。

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3.1 nativeZygoteInit方法分析

nativeZygoteInit是Native方法，通过JNI调用，它的实现是com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit方法：

//AndroidRuntime.cpp
static void com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeZygoteInit(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    gCurRuntime->onZygoteInit();
}

由代码可知，这里会回调App_main.cpp中的onZygoteInit方法：

//App_main.cpp
virtual void onZygoteInit(){
    sp<ProcessState> proc = ProcessState::self();
    ALOGV("App process: starting thread pool.\n");
    proc->startThreadPool();
}

这里主要就是在进程里面启动线程池，该线程池，是为System server进程创建的，此线程池会为Binder提供支持等，这里不做分析。

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3.2 ApplicationInit方法分析

//RuntimeInit.java
private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

    nativeSetExitWithoutCleanup(true);

    VMRuntime.getRuntime().setTargetHeapUtilization(0.75f);
    VMRuntime.getRuntime().setTargetSdkVersion(targetSdkVersion);

final Arguments args;
try {
        args = new Arguments(argv);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
return;
    }
//invoke system server的main方法
    invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
}

由代码可知，它会根据启动的参数以及类加载器来调用InvokeStaticMain方法：

//RuntimeInit.java
private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
        throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
    Class<?> cl;

try {
        cl = Class.forName(className, true, classLoader);
    } catch (ClassNotFoundException ex) {...}

    Method m;
try {
        //获取systemserver的main方法，main方法是用来开始systemserver进程的
        m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
    } catch (NoSuchMethodException ex) {...}
...
    //抛出MethodAndArgsCaller异常，而此异常在ZygoteInit的main方法中会进行扑捉，异常的处理稍后再分析
    throw new ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m, argv);
}

由代码可知，首先，通过Java的反射机制，借助传入的参数以及类加载器，从而获取systemserver进程的main方法，最后再抛出一个MethodAndArgsCaller的异常，而此异常在ZygoteInit的main方法的最后会进行截取，具体的异常处理稍后在第四节最后再分析，因为普通进程的创建也是通过抛出MethodAndArgsCaller的方法来启动的，至此startsystemserver方法就分析结束了。

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4、runSelectLoop方法分析

//ZygoteInit.java
private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {
//初始化文件描述符组合ZygoteConnection连接组
    ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();

    fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
    peers.add(null);

while (true) {//循环等待ZygoteSocket请求并进行相应的处理
        ...
for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {
if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
continue;
            }
if (i == 0) {
//这里阻塞等待创建进程的Zygote socket请求
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                peers.add(newPeer);
                fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
            } else {
//执行ZygoteConnection连接
boolean done = peers.get(i).runOnce();
if (done) {
//处理结束，则将此连接移除
                    peers.remove(i);
                    fds.remove(i);
                }
            }
        }
    }
}

此方法将会永无休止的进行执行，因为Zygote作为Java域的第一个进程，所有的进程都是由它进行fork的，在android的生命过程中，会不断有ZygoteConnection请求，所以，看runSelectLoop方法，它首先是调用acceptCommandPeer方法来获取一个ZygoteConnection连接，然后再调用ZygoteConnection的runOnce方法来执行连接处理，首先来看acceptCommandPeer方法：

//ZygoteInit.java
private static ZygoteConnection acceptCommandPeer(String abiList) {
try {
//创建ZygoteConnection连接，注意socket的accept阻塞接收请求
return new ZygoteConnection(sServerSocket.accept(), abiList);
    } catch (IOException ex) {
throw new RuntimeException("IOException during accept()", ex);
    }
}

由代么可知，这里是阻塞的，只有在ZygoteInit的main方法中最初注册的socket有请求时，才会执行，并会根据得到的socket连接来创建一个ZygoteConnection，所以，来看它的构造函数：

// ZygoteConnection.java
ZygoteConnection(LocalSocket socket, String abiList) throws IOException {
    mSocket = socket;
this.abiList = abiList;
//获取socket输出流
    mSocketOutStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
//获取socket输入流
    mSocketReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()), 256);
//设置超时
    mSocket.setSoTimeout(CONNECTION_TIMEOUT_MILLIS);

try {
        peer = mSocket.getPeerCredentials();
    } catch (IOException ex) {
throw ex;
    }
}

此构造函数会创建socket的stream通道，至此ZygoteConnection就创建好了，接着看它的runOnce方法，socket请求一次，runOnce会执行一次：

boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
...
    int pid = -1;
    FileDescriptor childPipeFd = null;
    FileDescriptor serverPipeFd = null;

try {
        parsedArgs = new Arguments(args);
if (parsedArgs.abiListQuery) {
return handleAbiListQuery();
        }
...
        int [] fdsToClose = { -1, -1 };
        FileDescriptor fd = mSocket.getFileDescriptor();
...
        fd = ZygoteInit.getServerSocketFileDescriptor();
        //fork 进程
        pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
                parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
                parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,parsedArgs.appDataDir);
    } catch (ErrnoException ex) {
...
    }

try {
if (pid == 0) {
            // in child
            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            serverPipeFd = null;
            //对子进程做相应处理
            handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);
return true;
        } else {
            IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
            childPipeFd = null;
            //对父进程做相应处理
return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
        }
    } finally {
        IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
        IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
    }
}

这里，就是创建普通进程的通道，它的分析类似于startSystemServer方法，它在最后同样会进入Java层的子进程的处理handleChildProc方法，最后还是会获取到创建进程的main方法，并且同样也是会抛出一个MethodAndArgsCaller的异常。
不管是创建systemServer进程还是创建普通进程，在处理其子进程时，都会获取创建子进程的main方法，同时最后会抛出一个MethodAndArgsCaller异常，为什么要抛出异常呢，此异常是在ZygoteInit的main函数中调用的，而main函数位于堆栈的最顶层，如果不采用抛异常的方式，而是在invokestaticMain方法中直接执行新建进程的main方法，则会浪费之前函数调用说占用的调用堆栈。接下来对MethodAndArgsCaller的run方法进行分析：

//ZygoteInit.java
public void run() {
try {
        mMethod.invoke(null, new Object[] { mArgs });
    } catch (IllegalAccessException ex) {
...
    }
}

其中，mMethod为构造MethodAndArgsCaller时，传入的方法，即之前startSystemServer或者runSelectLoop函数中获得的新建进程的main方法，所以run方法的主要作用就是执行此main方法，即进入新建进程。至此，Zygote进程分析结束，它的主要功能有初始化Runtime、fork system server进程以及通过循环等待Zygote socket的请求，来处理普通进行的创建。下面将给出时序图：

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