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[操作系统]Android启动过程深入解析


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英文出处:kpbird。欢迎加入翻译小组。

  • 当按下Android设备电源键时究竟发生了什么?
  • Android的启动过程是怎么样的?
  • 什么是Linux内核?
  • 桌面系统linux内核与Android系统linux内核有什么区别?
  • 什么是引导装载程序?
  • 什么是Zygote?
  • 什么是X86以及ARM linux?
  • 什么是init.rc?
  • 什么是系统服务?

当我们想到Android启动过程时,脑海中总是冒出很多疑问。本文将介绍Android的启动过程,希望能帮助你找到上面这些问题的答案。

Android是一个基于Linux的开源操作系统。x86(x86是一系列的基于intel 8086 CPU的计算机微处理器指令集架构)是linux内核部署最常见的系统。然而,所有的Android设备都是运行在ARM处理器(ARM 源自进阶精简指令集机器,源自ARM架构)上,除了英特尔的Xolo设备(http://xolo.in/xolo-x900-features)。Xolo来源自凌动1.6GHz x86处理器。Android设备或者嵌入设备或者基于linux的ARM设备的启动过程与桌面版本相比稍微有些差别。这篇文章中,我将解释Android设备的启动过程。深入linux启动过程是一篇讲桌面linux启动过程的好文。

当你按下电源开关后Android设备执行了以下步骤。

Android启动流程/过程
此处图片中step2中的一个单词拼写错了,Boot Loaeder应该为Boot Loader(多谢@jameslast 提醒)

第一步:启动电源以及系统启动

当电源按下,引导芯片代码开始从预定义的地方(固化在ROM)开始执行。加载引导程序到RAM,然后执行。

第二步:引导程序

引导程序是在Android操作系统开始运行前的一个小程序。引导程序是运行的第一个程序,因此它是针对特定的主板与芯片的。设备制造商要么使用很受欢迎的引导程序比如redboot、uboot、qi bootloader或者开发自己的引导程序,它不是Android操作系统的一部分。引导程序是OEM厂商或者运营商加锁和限制的地方。

引导程序分两个阶段执行。第一个阶段,检测外部的RAM以及加载对第二阶段有用的程序;第二阶段,引导程序设置网络、内存等等。这些对于运行内核是必要的,为了达到特殊的目标,引导程序可以根据配置参数或者输入数据设置内核。

Android引导程序可以在\bootable\bootloader\legacy\usbloader找到。
传统的加载器包含的个文件,需要在这里说明:

  1. init.s初始化堆栈,清零BBS段,调用main.c的_main()函数;
  2. main.c初始化硬件(闹钟、主板、键盘、控制台),创建linux标签。

更多关于Android引导程序的可以在这里了解。

第三步:内核

Android内核与桌面linux内核启动的方式差不多。内核启动时,设置缓存、被保护存储器、计划列表,加载驱动。当内核完成系统设置,它首先在系统文件中寻找”init”文件,然后启动root进程或者系统的第一个进程。

第四步:init进程

init是第一个进程,我们可以说它是root进程或者说有进程的父进程。init进程有两个责任,一是挂载目录,比如/sys、/dev、/proc,二是运行init.rc脚本。

  • init进程可以在/system/core/init找到。
  • init.rc文件可以在/system/core/rootdir/init.rc找到。
  • readme.txt可以在/system/core/init/readme.txt找到。

对于init.rc文件,Android中有特定的格式以及规则。在Android中,我们叫做Android初始化语言。
Android初始化语言由四大类型的声明组成,即Actions(动作)、Commands(命令)、Services(服务)、以及Options(选项)。
Action(动作):动作是以命令流程命名的,有一个触发器决定动作是否发生。
语法

1
2
3
4
on <trigger>
    <command>
    <command>
    <command>



Service(服务):服务是init进程启动的程序、当服务退出时init进程会视情况重启服务。
语法

1
2
3
4
service <name> <pathname> [<argument>]*
    <option>
    <option>
    ...



Options(选项)
选项是对服务的描述。它们影响init进程如何以及何时启动服务。
咱们来看看默认的init.rc文件。这里我只列出了主要的事件以及服务。
Table

Action/Service描述
on early-init设置init进程以及它创建的子进程的优先级,设置init进程的安全环境
on init设置全局环境,为cpu accounting创建cgroup(资源控制)挂载点
on fs挂载mtd分区
on post-fs改变系统目录的访问权限
on post-fs-data改变/data目录以及它的子目录的访问权限
on boot基本网络的初始化,内存管理等等
service servicemanager启动系统管理器管理所有的本地服务,比如位置、音频、Shared preference等等…
service zygote启动zygote作为应用进程

在这个阶段你可以在设备的屏幕上看到“Android”logo了。

第五步

在Java中,我们知道不同的虚拟机实例会为不同的应用分配不同的内存。假如Android应用应该尽可能快地启动,但如果Android系统为每一个应用启动不同的Dalvik虚拟机实例,就会消耗大量的内存以及时间。因此,为了克服这个问题,Android系统创造了”Zygote”。Zygote让Dalvik虚拟机共享代码、低内存占用以及最小的启动时间成为可能。Zygote是一个虚拟器进程,正如我们在前一个步骤所说的在系统引导的时候启动。Zygote预加载以及初始化核心库类。通常,这些核心类一般是只读的,也是Android SDK或者核心框架的一部分。在Java虚拟机中,每一个实例都有它自己的核心库类文件和堆对象的拷贝。

Zygote加载进程

  1. 加载ZygoteInit类,源代码:/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
  2. registerZygoteSocket()为zygote命令连接注册一个服务器套接字。
  3. preloadClassed “preloaded-classes”是一个简单的包含一系列需要预加载类的文本文件,你可以在<Android Source>/frameworks/base找到“preloaded-classes”文件。
  4. preloadResources() preloadResources也意味着本地主题、布局以及android.R文件中包含的所有东西都会用这个方法加载。

在这个阶段,你可以看到启动动画。

第六步:系统服务或服务

完成了上面几步之后,运行环境请求Zygote运行系统服务。系统服务同时使用native以及java编写,系统服务可以认为是一个进程。同一个系统服务在Android SDK可以以System Services形式获得。系统服务包含了所有的System Services。

Zygote创建新的进程去启动系统服务。你可以在ZygoteInit类的”startSystemServer”方法中找到源代码。

核心服务:

  1. 启动电源管理器;
  2. 创建Activity管理器;
  3. 启动电话注册;
  4. 启动包管理器;
  5. 设置Activity管理服务为系统进程;
  6. 启动上下文管理器;
  7. 启动系统Context Providers;
  8. 启动电池服务;
  9. 启动定时管理器;
  10. 启动传感服务;
  11. 启动窗口管理器;
  12. 启动蓝牙服务;
  13. 启动挂载服务。

其他服务:

  1. 启动状态栏服务;
  2. 启动硬件服务;
  3. 启动网络状态服务;
  4. 启动网络连接服务;
  5. 启动通知管理器;
  6. 启动设备存储监视服务;
  7. 启动定位管理器;
  8. 启动搜索服务;
  9. 启动剪切板服务;
  10. 启动登记服务;
  11. 启动壁纸服务;
  12. 启动音频服务;
  13. 启动耳机监听;
  14. 启动AdbSettingsObserver(处理adb命令)。

第七步:引导完成

一旦系统服务在内存中跑起来了,Android就完成了引导过程。在这个时候“ACTION_BOOT_COMPLETED”开机启动广播就会发出去。