Zygote

前言

Zygote 是 Android 中所有 App 的父进程，有着举足轻重的地位。了解了 Zygote 可以让你对系统如何工作有更深入的了解，今天来学习一下 Zygote 的知识。

本文基于 Android10

app_main

做 Android 的都知道，它是基于 Linux 的，所以在内核启动之后的第一个进程是 init ，而 init 的进程会通过解析 init.rc 来创建一系列进程，比如本文要讲的 Zygote ，我们来看一下 init.zygote.rc 的内容。

源码中许多 init.zygotexxx.rc ，我们就挑一个 init.zygote64.rc 来看

/system/core/rootdir/init.zygote64.rc

service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20
    user root
    group root readproc reserved_disk
    socket zygote stream 660 root system
    socket usap_pool_primary stream 660 root system
    onrestart write /sys/android_power/request_state wake
    onrestart write /sys/power/state on
    onrestart restart audioserver
    onrestart restart cameraserver
    onrestart restart media
    onrestart restart netd
    onrestart restart wificond
    writepid /dev/cpuset/foreground/tasks

从上面的代码中我们可以知道 zygote 的执行文件路径在 /system/bin/app_process64 。

而 app_process64 由 /frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp 编译而来，所以我们要到这里去看看。这里还要注意的是携带了 --zygote 和 --start-system-server 参数

/frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

int main(int argc, char* const argv[])
{
    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
    argc--;
    argv++;

    const char* spaced_commands[] = { "-cp", "-classpath" };
    bool known_command = false;

    // ...

    bool zygote = false;
    bool startSystemServer = false;
    bool application = false;
    String8 niceName;
    String8 className;

    ++i;
    // 遍历参数，给对应的变量赋值
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            // 这里是 zygote64
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) { // 判断有没有 --start-system-server
            startSystemServer = true;
        } else if (strcmp(arg, "--application") == 0) {
            application = true;
        } else if (strncmp(arg, "--nice-name=", 12) == 0) {
            niceName.setTo(arg + 12);
        } else if (strncmp(arg, "--", 2) != 0) {
            className.setTo(arg);
            break;
        } else {
            --i;
            break;
        }
    }

    // ...

    if (!niceName.isEmpty()) {
        // 把进程名换为 zygote
        runtime.setArgv0(niceName.string(), true /* setProcName */);
    }

    if (zygote) {
        // 调用 AppRuntime.start
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        runtime.start("com.android.internal.os.RuntimeInit", args, zygote);
    } else {
        fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
        app_usage();
        LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
    }
}

main 方法比较简单，主要是解析启动参数，创建 AppRuntime 对象，并且最后会调用 AppRuntime.start 方法，之后的事情都交给 AppRuntime 了。

AppRuntime.start

AppRuntime 继承自 AndroidRuntime ， start 方法位于 AndroidRuntime 中。 /frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
{
    static const String8 startSystemServer("start-system-server");

    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
        if (options[i] == startSystemServer) {
           const int LOG_BOOT_PROGRESS_START = 3000;
        }
    }

    const char* rootDir = getenv("ANDROID_ROOT");
    if (rootDir == NULL) {
        rootDir = "/system";
        if (!hasDir("/system")) {
            return;
        }
        setenv("ANDROID_ROOT", rootDir, 1);
    }

    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    // 创建虚拟机
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);
    // 注册 JNI 方法
    if (startReg(env) < 0) {
        return;
    }

    jclass stringClass;
    jobjectArray strArray;
    jstring classNameStr;

    stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
    strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
    classNameStr = env->NewStringUTF(className);
    strArray[0] = "com.android.internal.os.ZygoteInit"
    env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);

    for (size_t i = 0; i < options.size(); ++i) {
        jstring optionsStr = env->NewStringUTF(options.itemAt(i).string());
        assert(optionsStr != NULL);
        env->SetObjectArrayElement(strArray, i + 1, optionsStr);
    }

    // className 是通过参数传递进来的，根据上一小节，我们知道是 com.android.internal.os.ZygoteInit
    // 在这里会被转换成 com/android/internal/os/ZygoteInit
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
    // 通过类名找到 class
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
    } else {
        // 通过 JNI 查找 main 方法
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
        } else {
            // 调用 ZygoteInit.main 方法，进入 Java 世界
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
        }
    }
    free(slashClassName);

    if (mJavaVM->DetachCurrentThread() != JNI_OK)
        ALOGW("Warning: unable to detach main thread\n");
    if (mJavaVM->DestroyJavaVM() != 0)
        ALOGW("Warning: VM did not shut down cleanly\n");
}

这里做的事情就比较多了

调用 startVm 创建虚拟机
调用 startReg 注册 JNI 方法
通过 JNI 调用 ZygoteInit.main 进入 Java 世界

startVm

/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
    // ...
    // 设置虚拟机启动参数
    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapstartsize", heapstartsizeOptsBuf, "-Xms", "4m");
    parseRuntimeOption("dalvik.vm.heapsize", heapsizeOptsBuf, "-Xmx", "16m");

    // 预加载一些类，提高性能
    if (!hasFile("/system/etc/preloaded-classes")) {
        ALOGE("Missing preloaded-classes file, /system/etc/preloaded-classes not found: %s\n",
              strerror(errno));
        return -1;
    }
    parseRuntimeOption("dalvik.vm.method-trace-file", methodTraceFileBuf, "-Xmethod-trace-file:");

    // 创建虚拟机
    if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
        ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

在 startVm 中主要是设置虚拟机的参数，然后调用 JNI_CreateJavaVM 创建虚拟机。

startReg

/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
    // 设置线程创建方法
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
    env->PushLocalFrame(200);
    // 注册 JNI 函数
    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    }
    env->PopLocalFrame(NULL);
    return 0;
}

androidSetCreateThreadFunc

/system/core/libutils/Threads.cpp

void androidSetCreateThreadFunc(android_create_thread_fn func)
{
    gCreateThreadFn = func;
}

仅仅是赋值，在线程启动的时候会调用。

register_jni_procs

/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

#define REG_JNI(name)      { name }
struct RegJNIRec {
    int (*mProc)(JNIEnv*);
};

static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit),
    REG_JNI(register_com_android_internal_os_ZygoteInit_nativeZygoteInit),
    // ... 此处省略 100 多行
};

static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
    // 遍历 array, 调用 mProc 方法
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        if (array[i].mProc(env) < 0) {
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

array 在这里是 gRegJNI ，里面的都经过宏替换，以第一个元素为例

REG_JNI(register_com_android_internal_os_RuntimeInit) 替换后会成为 RegJNIRec 类型，也就是把函数赋值给了 mProc 这个函数指针。

然后调用 Proc ，也就是调用 register_com_android_internal_os_RuntimeInit 方法。

其方法定义如下，所以这里其实也就是使用动态注册 JNI 函数

int register_com_android_internal_os_RuntimeInit(JNIEnv* env)
{
    const JNINativeMethod methods[] = {
        { "nativeFinishInit", "()V",
            (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeFinishInit },
        { "nativeSetExitWithoutCleanup", "(Z)V",
            (void*) com_android_internal_os_RuntimeInit_nativeSetExitWithoutCleanup },
    };
    return jniRegisterNativeMethods(env, "com/android/internal/os/RuntimeInit",
        methods, NELEM(methods));
}

ZygoteInit.main

在 AndroidRuntime.start() 最后部分，使用 JNI 调用了 ZygoteInit.main 方法，从此进入了 Java 世界 /frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
    ZygoteServer zygoteServer = null;

    ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();

    try {
        Os.setpgid(0, 0);
    } catch (ErrnoException ex) {
        throw new RuntimeException("Failed to setpgid(0,0)", ex);
    }

    Runnable caller;
    try {
        // ...
        RuntimeInit.enableDdms();

        boolean startSystemServer = false;
        String zygoteSocketName = "zygote";
        String abiList = null;
        boolean enableLazyPreload = false;
        for (int i = 1; i < argv.length; i++) {
            if ("start-system-server".equals(argv[i])) {
                startSystemServer = true;
            } 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)) {
                zygoteSocketName = argv[i].substring(SOCKET_NAME_ARG.length());
            } else {
                throw new RuntimeException("Unknown command line argument: " + argv[i]);
            }
        }

        final boolean isPrimaryZygote = zygoteSocketName.equals(Zygote.PRIMARY_SOCKET_NAME);

        if (!enableLazyPreload) {
            // 预加载类和资源
            preload(bootTimingsTraceLog);
        } else {
            Zygote.resetNicePriority();
        }

        // 通过 Socket 方式创建 ZygoteServer
        zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote);

        if (startSystemServer) {
            // 创建 SystemServer 进程
            Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer);

            if (r != null) {
                r.run();
                return;
            }
        }

        Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");

        // 进入循环
        caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
    } catch (Throwable ex) {
        Log.e(TAG, "System zygote died with exception", ex);
        throw ex;
    } finally {
        if (zygoteServer != null) {
            zygoteServer.closeServerSocket();
        }
    }

    if (caller != null) {
        caller.run();
    }
}

ZygoteInit.main 方法中主要做了以下四件事

调用 preload 预加载一些资源，如 Drawable 、 Color 等
创建 ZygoteServer 对象
创建 SystemServer 进程
调用 ZygoteServer.runSelectLoop 等待 AMS 的创建应用的请求。

preload

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
    // 加载 /system/etc/preloaded-classes 中的类
    preloadClasses();
    // 加载资源，包含Drawable 和 Color 资源
    preloadResources();
    // 加载显卡驱动
    maybePreloadGraphicsDriver();
    // 加载共享库，包含 android compiler_rt jnigraphics
    preloadSharedLibraries();
    // 加载文本资源
    preloadTextResources();
    WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
    warmUpJcaProviders();
    sPreloadComplete = true;
}

在 preload 中会提前加载一些资源，这样以后通过 fork 创建进程的时候，就可以继承下来，不用再去加载，可以提高性能。

fork 使用的 Copy-On-wirte 的技术，所以子进程拥有和父进程一样的内容。

ZygoteServer

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java

ZygoteServer(boolean isPrimaryZygote) {
    mUsapPoolEventFD = Zygote.getUsapPoolEventFD();

    if (isPrimaryZygote) {
        // PRIMARY_SOCKET_NAME="zygote"
        mZygoteSocket = Zygote.createManagedSocketFromInitSocket(Zygote.PRIMARY_SOCKET_NAME);
        mUsapPoolSocket =
            Zygote.createManagedSocketFromInitSocket(
                Zygote.USAP_POOL_PRIMARY_SOCKET_NAME);
    } else {
        // 逻辑同上
    }

    fetchUsapPoolPolicyProps();

    mUsapPoolSupported = true;
}

调用了 createManagedSocketFromInitSocket 看来，主要的逻辑在这个方法中，跟进去看看。

createManagedSocketFromInitSocket

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/Zygote.java

static LocalServerSocket createManagedSocketFromInitSocket(String socketName) {
    int fileDesc;
    final String fullSocketName = ANDROID_SOCKET_PREFIX + socketName;

    try {
        String env = System.getenv(fullSocketName);
        fileDesc = Integer.parseInt(env);
    } catch (RuntimeException ex) {
        throw new RuntimeException("Socket unset or invalid: " + fullSocketName, ex);
    }

    try {
        // 创建文件描述符，并用它创建 LocalServerSocket
        FileDescriptor fd = new FileDescriptor();
        fd.setInt$(fileDesc);
        return new LocalServerSocket(fd);
    } catch (IOException ex) {
        throw new RuntimeException(
            "Error building socket from file descriptor: " + fileDesc, ex);
    }
}

在这里创建了一个文件描述符，并用这个描述符作为参数创建了 LocalServerSocket 对象，这里 Zygote 就可以作为服务端，等待 AMS 连接，并发送创建应用程序的请求了。不过这里还没有真的开始等待，只是创建好了服务端。

forkSystemServer

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,
            ZygoteServer zygoteServer) {
    long capabilities = posixCapabilitiesAsBits(
        OsConstants.CAP_IPC_LOCK,
        OsConstants.CAP_KILL,
        OsConstants.CAP_NET_ADMIN,
        OsConstants.CAP_NET_BIND_SERVICE,
        OsConstants.CAP_NET_BROADCAST,
        OsConstants.CAP_NET_RAW,
        OsConstants.CAP_SYS_MODULE,
        OsConstants.CAP_SYS_NICE,
        OsConstants.CAP_SYS_PTRACE,
        OsConstants.CAP_SYS_TIME,
        OsConstants.CAP_SYS_TTY_CONFIG,
        OsConstants.CAP_WAKE_ALARM,
        OsConstants.CAP_BLOCK_SUSPEND
        );
    StructCapUserHeader header = new StructCapUserHeader(
        OsConstants._LINUX_CAPABILITY_VERSION_3, 0);
    StructCapUserData[] data;
    try {
        data = Os.capget(header);
    } catch (ErrnoException ex) {
        throw new RuntimeException("Failed to capget()", ex);
    }
    capabilities &= ((long) data[0].effective) | (((long) data[1].effective) << 32);

    String args[] = {
        "--setuid=1000",
        "--setgid=1000",
        "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,"
        + "1024,1032,1065,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010",
        "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
        "--nice-name=system_server",
        "--runtime-args",
        "--target-sdk-version=" + VMRuntime.SDK_VERSION_CUR_DEVELOPMENT,
        "com.android.server.SystemServer",
    };
    ZygoteArguments parsedArgs = null;

    int pid;

    try {
        parsedArgs = new ZygoteArguments(args);
        Zygote.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
        Zygote.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);

        boolean profileSystemServer = SystemProperties.getBoolean(
            "dalvik.vm.profilesystemserver", false);
        if (profileSystemServer) {
            parsedArgs.mRuntimeFlags |= Zygote.PROFILE_SYSTEM_SERVER;
        }

        // fork 子进程，uid=1000,gid=1000, 进程名=system_server
        pid = Zygote.forkSystemServer(
            parsedArgs.mUid, parsedArgs.mGid,
            parsedArgs.mGids,
            parsedArgs.mRuntimeFlags,
            null,
            parsedArgs.mPermittedCapabilities,
            parsedArgs.mEffectiveCapabilities);
    } catch (IllegalArgumentException ex) {
        throw new RuntimeException(ex);
    }

    // 0 表示子进程
    if (pid == 0) {
        // 关闭从 Zygote 继承下来的 ServerSocket，因为用不到
        zygoteServer.closeServerSocket();
        return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
    }

    return null;
    }

在这个方法中调用了 forkSystemServer 创建了 system_server 子进程，然后交给了 handleSystemServerProcess 从此便进入 system_server 的业务逻辑了。

runSelectLoop

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java

Runnable runSelectLoop(String abiList) {
    ArrayList<FileDescriptor> socketFDs = new ArrayList<FileDescriptor>();
    ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();

    socketFDs.add(mZygoteSocket.getFileDescriptor());
    peers.add(null);

    while (true) {
        fetchUsapPoolPolicyPropsWithMinInterval();

        int[] usapPipeFDs = null;
        StructPollfd[] pollFDs = null;

        int pollIndex = 0;
        for (FileDescriptor socketFD : socketFDs) {
            pollFDs[pollIndex] = new StructPollfd();
            pollFDs[pollIndex].fd = socketFD;
            pollFDs[pollIndex].events = (short) POLLIN;
            ++pollIndex;
        }
        final int usapPoolEventFDIndex = pollIndex;

        // ...

        try {
            // 使用 poll 查询 pollFds 中的事件，如果没有事件则会阻塞
            Os.poll(pollFDs, -1);
        } catch (ErrnoException ex) {
            throw new RuntimeException("poll failed", ex);
        }

        boolean usapPoolFDRead = false;

        while (--pollIndex >= 0) {
            if ((pollFDs[pollIndex].revents & POLLIN) == 0) {
                continue;
            }

            if (pollIndex == 0) {
                // pollIndex 为 0 表示的是 LocalServerSocket, 这时候是有连接请求了
                ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                // 加入 peers
                peers.add(newPeer);
                socketFDs.add(newPeer.getFileDescriptor());

            } else if (pollIndex < usapPoolEventFDIndex) { // 不是0，就是别人发送数据过来了
                try {
                    ZygoteConnection connection = peers.get(pollIndex);
                    // 处理 client 发来的数据
                    final Runnable command = connection.processOneCommand(this);

                    if (mIsForkChild) {
                        return command;
                    } else {
                        // ...
                    }
                } catch (Exception e) {
                    // ...
                }
            } else {
                //...
            }
        }
        // ...
    }
}

runSelectLoop 分两步，

调用 acceptCommandPeer 等待 client 发起连接的请求，收到请求后创建 ZygoteConnection 并放入 peers ，等待 client 发送数据过来
取出有发送数据过来的 ZygoteConnection ，调用 processOneCommand 处理请求。

acceptCommandPeer

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteServer.java

private ZygoteConnection acceptCommandPeer(String abiList) {
    try {
        return createNewConnection(mZygoteSocket.accept(), abiList);
    } catch (IOException ex) {
        throw new RuntimeException(
            "IOException during accept()", ex);
    }
}

protected ZygoteConnection createNewConnection(LocalSocket socket, String abiList)
    throws IOException {
    return new ZygoteConnection(socket, abiList);
}

acceptCommandPeer 等待 client 发起请求，收到后创建 ZygoteConnection 。

processOneCommand

/frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteConnection.java

Runnable processOneCommand(ZygoteServer zygoteServer) {
    String args[];
    ZygoteArguments parsedArgs = null;
    FileDescriptor[] descriptors;

    try {
        // 读取参数
        args = Zygote.readArgumentList(mSocketReader);

        descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
    } catch (IOException ex) {
        throw new IllegalStateException("IOException on command socket", ex);
    }

    int pid = -1;
    FileDescriptor childPipeFd = null;
    FileDescriptor serverPipeFd = null;
    // 解析参数
    parsedArgs = new ZygoteArguments(args);
    // fork 子进程
    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.mTargetSdkVersion);

    try {
        if (pid == 0) {
            zygoteServer.setForkChild();
            // 子进程中用不到 ServerSocket ，所以需要关闭
            zygoteServer.closeServerSocket();
            IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            serverPipeFd = null;

            // 进入子进程处理
            return handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd,
                               parsedArgs.mStartChildZygote);
        } else {
            IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
            childPipeFd = null;
            handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd);
            return null;
        }
    } finally {
        IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
        IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
    }
}

processOneCommand 中先读取了 client 发送过来的数据，解析成 ZygoteArguments ，然后调用 Zygote.forkAndSpecialize 创建应用程序进程。

然后在子进程中关闭了 ZygoteServer ，因为普通 App 用不到。

紧接着调用 handleChildProc 进入子进程的业务逻辑，通常就是我们自己写的 App 了。

总结

画个时序图来整体上看一下都做了啥

参考

《深入理解Android(卷I)》
Android系统启动-zygote篇 - Gityuan博客 | 袁辉辉的技术博客

Contents

前言

app_main

AppRuntime.start

startVm

startReg

androidSetCreateThreadFunc

register_jni_procs

ZygoteInit.main

preload

ZygoteServer

createManagedSocketFromInitSocket

forkSystemServer

runSelectLoop

acceptCommandPeer

processOneCommand

总结

参考