Android Framework 笔记02 - init 进程启动过程

init 进程是 Android 系统中用户空间的第一个进程，进程号为 1，是 Android 系统启动流程中一个关键的步骤，作为第一个进程，它被赋予了很多极其重要的工作职责，比如创建 Zygote (孵化器) 和属性服务等。init 进程是由多个源文件共同组成的，这些文件位于源码目录 system/core/init 中。

引入 init 进程

为了讲解 init 进程，首先了解一下 Android 系统启动流程的前几步，以引入 init 进程。

1）启动电源以及系统启动

当电源按下时引导芯片代码从预定义的地方 (固化在 ROM) 开始执行。加载引导程序 BootLoader 到 RAM 中，然后执行。

2）引导程序 BootLoader

引导程序 BootLoader 是在 Android 系统启动前的一个小程序，它的作用主要是把系统 OS 拉起来并运行。

3）Linux 内核启动

当内核启动时，设置缓存、被保护存储器、计划列表、加载驱动。在内核完成系统设置后，它首先在系统文件中寻找 init.rc 文件，并启动 init 进程。

4）init 进程启动

init 进程做的工作比较多，主要用来初始化和属性服务，也用来启动 Zygote 进程。

从上面的步骤可以看出，当我们按下电源时，系统启动会加载引导程序，引导程序又启动 Linux 内核，在 Linux 内核完成后，第一件事就是要启动 init 进程。

init 进程的入口函数

在 Linux 内核加载完成后，它首先在系统文件中寻找 init.rc 文件，并启动 init 进程，init 进程的入口函数 main，代码如下：

int main(int argc, char** argv) {

    // ...

    bool is_first_stage = (getenv("INIT_SECOND_STAGE") == nullptr);

    if (is_first_stage) {
      // ...
    }

    // ...

    // 1. 对属性服务进行初始化
    property_init();

    // ...

    // 创建 epoll 句柄
    epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);
    if (epoll_fd == -1) {
        PLOG(FATAL) << "epoll_create1 failed";
    }

    // 2. 用于设置子进程信号处理函数，如果子进程 (Zygote 进程) 异常退出，init 进程
    // 会调用该函数中设定的信号处理函数进行处理
    sigchld_handler_init();

    if (!IsRebootCapable()) {
        // If init does not have the CAP_SYS_BOOT capability, it is running in a container.
        // In that case, receiving SIGTERM will cause the system to shut down.
        InstallSigtermHandler();
    }

    // 导入默认的环境变量
    property_load_boot_defaults();
    export_oem_lock_status();

    // 3. 启动属性服务
    start_property_service();
    set_usb_controller();

    // ...

    // 4. 解析加载 init.rc 配置文件
    LoadBootScripts(am, sm);

    // ...
    while (true) {
        // By default, sleep until something happens.
        int epoll_timeout_ms = -1;

        if (do_shutdown && !shutting_down) {
            do_shutdown = false;
            if (HandlePowerctlMessage(shutdown_command)) {
                shutting_down = true;
            }
        }

        if (!(waiting_for_prop || Service::is_exec_service_running())) {
            am.ExecuteOneCommand();
        }
        if (!(waiting_for_prop || Service::is_exec_service_running())) {
            if (!shutting_down) {

                // 5. 重启死去的进程
                auto next_process_restart_time = RestartProcesses();

                // If there's a process that needs restarting, wake up in time for that.
                if (next_process_restart_time) {
                    epoll_timeout_ms = std::chrono::ceil<std::chrono::milliseconds>(
                                           *next_process_restart_time - boot_clock::now())
                                           .count();
                    if (epoll_timeout_ms < 0) epoll_timeout_ms = 0;
                }
            }

            // If there's more work to do, wake up again immediately.
            if (am.HasMoreCommands()) epoll_timeout_ms = 0;
        }

        epoll_event ev;
        int nr = TEMP_FAILURE_RETRY(epoll_wait(epoll_fd, &ev, 1, epoll_timeout_ms));
        if (nr == -1) {
            PLOG(ERROR) << "epoll_wait failed";
        } else if (nr == 1) {
            ((void (*)()) ev.data.ptr)();
        }
    }

    return 0;
}

// 解析加载 init.rc 配置文件
static void LoadBootScripts(ActionManager& action_manager, ServiceList& service_list) {
    Parser parser = CreateParser(action_manager, service_list);

    std::string bootscript = GetProperty("ro.boot.init_rc", "");
    if (bootscript.empty()) {
        parser.ParseConfig("/init.rc");
        if (!parser.ParseConfig("/system/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/system/etc/init");
        }
        if (!parser.ParseConfig("/product/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/product/etc/init");
        }
        if (!parser.ParseConfig("/odm/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/odm/etc/init");
        }
        if (!parser.ParseConfig("/vendor/etc/init")) {
            late_import_paths.emplace_back("/vendor/etc/init");
        }
    } else {
        parser.ParseConfig(bootscript);
    }
}

1） 注释 1 和 3 都是关于属性服务

在注释 1 处 property_init 函数来对属性进行厨师阿虎，并在注释 3 处调用 start_property_service 启动属性服务

2）注释 2 处设置子进程信号处理函数

注释 2 处调用 sigchld_handler_init 用于设置子进程信号处理函数，主要用于防止 init 进程的子进程成为僵尸进程，为了防止僵尸进程的出现系统会在子进程暂停和终止的时候发出 SIGCHLD 信号，而 sigchld_handler_init 函数就是用来接收这个信号的（其内部只处理进程终止的 SIGCHLD 信号）。

在 UNIX/Linux 中，父进程使用 fork 创建子进程，在子进程终止之后，如果父进程并不知道子进程已经终止了，这时子进程虽然已经推出了，但是在系统进程表中还为它保留了一定的信息（比如进程号、退出状态、运行时间等），这个子进程就被称作僵尸进程。系统进程表示一项有限资源，如果被僵尸进程耗尽的话，系统就可能无法创建新的进程了。

3）注释 5 负责重启 init 子进程

Zygote 也是 init 进程的子进程之一，如果出现子进程终止的情况就会触发 sigchld_handler_init 并触发清理 Zygote 进程的信息，然后 Zygote 就会在注释 5 处被重启。

4）注释 4 用来解析 init.rc 文件

init.rc 是一个非常重要的配置文件，它是由 Android 初始化语言（Android Init Language）编写的脚本，这种语言主要包含 5 种类型语句：Action、Command、Service、Option 和 Import。

Zygote 的配置与启动

1）Zygote 配置

从 Android 8.0 开始对 init.rc 文件进行了拆分，每个服务对应一个 rc 文件，下面是 Zygote 启动脚本，在 init.zygote64.rc 中。代码如下：

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
    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

Service 命令用于通知 init 进程 Zygote 进程的名为 zygote，这个进程执行程序的路径为 system/bin/app_process64，后面的代码是要传给 app_process64 的参数。class main 指的是 Zygote 的 classname 为 main。

Service 命令会由 init main 函数的代码中解析为 Service 对象，再添加到 ServiceManager 中 vector 类型的 Service 链表中，执行 Service 命令解析的主要涉及文件是是 system/core/init/service.cpp 执行的时候

2）Zygote 进程的真正启动

init.rc 是一个配置文件，在 Service 命令定义 Zygote 后还有如下配置代码：

on nonencrypted
    class_start main
    class_start late_start

其中 clas_start 对应的函数执行是 system/core/init/builtins.cpp 中的 do_class_start，这里就是启动 classname 为 main 的 Service，其中 zygote 就是在此处启动的。如下：

static Result<Success> do_class_start(const BuiltinArguments& args) {
    // Starting a class does not start services which are explicitly disabled.
    // They must  be started individually.
    for (const auto& service : ServiceList::GetInstance()) {
        if (service->classnames().count(args[1])) {
            if (auto result = service->StartIfNotDisabled(); !result) {
                LOG(ERROR) << "Could not start service '" << service->name()
                           << "' as part of class '" << args[1] << "': " << result.error();
            }
        }
    }
    return Success();
}

其中 Zygote 执行程序的路径是 /system/bin/app_process64 对应的文件为 framework/base/cmds/app_process/app_main.cpp，部分代码如下：

int main(int argc, char* const argv[])
{
    // ...

    if (zygote) {
        // 1. 启动 Zygote
        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.");
    }
}

• 如上注释 1 处调用 runtime 的 start 函数启动 Zygote，至此 Zygote 就启动了。

Android 系统的属性服务

Android 系统提供了属性服务，其实是类似于 Windows 系统中的注册表管理器，用于记录用户的一些使用信息，从而在系统或软件重启后，扔能够获取存储的记录，进行相应的初始化工作。

init 进程启动时会启动属性服务，并为其分配内存，用来存储这些属性，如果需要属性直接读取就可以了，上面 init.cpp 的提到的 property_init, start_property_service 就是用于初始化属性配置和启动属性服务的。

void start_property_service() {
    selinux_callback cb;
    cb.func_audit = SelinuxAuditCallback;
    selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);

    property_set("ro.property_service.version", "2");

    // 1
    property_set_fd = CreateSocket(PROP_SERVICE_NAME, SOCK_STREAM | SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK,
                                   false, 0666, 0, 0, nullptr);
    if (property_set_fd == -1) {
        PLOG(FATAL) << "start_property_service socket creation failed";
    }

    // 2
    listen(property_set_fd, 8);

    // 3
    register_epoll_handler(property_set_fd, handle_property_set_fd);
}

• 属性服务通过创建非阻塞的 Socket
• 属性服务通过 listen 函数对 property_set_fd 进行设置最多同时可以为 8 个试图设置属性服务的用户提供服务。
• 最终将 property_set_fd 放入 epoll 中，用 epoll 监听收到新数据的时候回调 handle_property_set_fd 函数

ps: epoll 为 Linux 内核为处理大批量文件描述符而做了改进的 poll，是 Linux 下多路复用 I/O 接口 select/poll 的增强版本，epoll 内部使用数据结构是红黑树，而 select 使用数组，当存在大量文件描述符时，epoll 查找效率会比 select 速度快。

属性服务中分为控制属性和普通属性，控制属性用来执行一些命令，比如开机的动画就使用了这个属性。控制属性和普通属性的存储、更新逻辑不一致，控制属性的 key 名称以 ctl. 开头。

总结

init 进程启动做了很多工作，总的来说做了三件事

• 创建和挂载启动所需的文件目录
• 初始化和启动属性服务
• 解析 init.rc 并执行启动 Zygote 进程