探秘Android系统启动的神秘面纱

系统启动过程对于任何操作系统来说都是一个非常关键的环节，Android作为移动设备领域中占据主导地位的操作系统，其启动过程也是个值得深入研究的重点话题。本文将为您解开Android启动过程的神秘面纱，详细剖析其中的每一个步骤，并通过实战案例，帮助您从实践中理解这个复杂而精密的过程。

由于Android 系统是基于 Linux 内核的，所以启动过程与 Linux 系统有很多相似的地方。

对linux 系统启动过程比较感兴趣的朋友，建议前往查阅：揭秘Linux启动的层层面纱，一文看懂从黑屏到界面的精彩之旅。

在开始之前，首先来一张图完整展示 Android 系统启动过程：

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一、Bootloader

Android 设备作为嵌入式系统，没有像传统计算机那样的 BIOS 程序，而是使用 Bootloader 来完成系统启动前的初始化工作。Bootloader 负责初始化硬件，建立内存映射，并为加载系统内核做好准备。

Android 设备使用的是 ROM（只读存储器）来存储操作系统和用户程序，而不是硬盘。ROM 被划分为多个区域，每个区域用于存放不同类型的数据，具体如下：

/boot：存储启动程序，包括内核和内存管理程序。
/system：相当于电脑中的 C 盘，用于存储 Android 系统和系统应用程序。
/recovery：恢复分区，允许用户在此区域执行系统恢复操作。
/data：用户数据分区，存储用户的个人信息，如联系人、短信、应用设置等。
/cache：系统缓存分区，用于存储系统频繁访问的数据和应用程序。
/misc：包含系统设置和功能启用/禁用等杂项信息。
/sdcard：用户存储分区，用于存储照片、音乐、视频等个人文件。

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启动 Android 设备时，Bootloader 是首先被加载的组件，类似于 PC 的启动过程。当设备开机并通电时，Bootloader 会被自动加载。

Bootloader 的任务是从 ROM 中读取操作系统信息，并将 Linux 内核加载到设备的随机存取存储器（RAM）中。

一旦 Linux 内核开始运行，它会进行一系列的初始化操作，包括配置硬件和软件环境、加载必要的驱动程序以及挂载根文件系统。这些步骤完成后，Linux 内核会启动 init 进程，这是用户空间的第一个进程，负责管理系统的启动和运行。

二、 init 进程与 init.rc 文件

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1、`init`进程介绍

在Android系统中，init进程是一个非常重要的系统进程，它是用户空间的第一个进程，具有PID（进程ID）1。init进程负责启动系统启动过程中的其他所有进程，以及管理系统的运行时环境。

以下是init进程的一些关键职责：

启动服务：init进程会根据启动脚本启动系统服务和应用程序，例如窗口管理器、网络守护进程等。
处理启动脚本：init进程会解析init.rc文件和其他.rc文件，这些脚本定义了系统启动过程中的一系列动作和条件。
管理运行级别：Android的init进程管理不同的运行级别（runlevels），每个级别都对应一组应该运行的服务和进程。
监听系统事件：init进程会监听系统事件，如按键事件、电源事件等，并根据这些事件触发相应的动作。
恢复模式：在系统启动失败或用户选择恢复模式时，init进程会启动恢复系统。

Kernel 启动后会调用 /system/core/init/Init.cpp 的 main() 方法。

Init.main()

首先初始化 Kernel log，创建一块共享的内存空间，加载 /default.prop 文件，解析 init.rc 文件。

2、`init.rc`文件介绍

init.rc文件是Android系统中的一个关键脚本文件，它位于/system/etc/init目录下。这个文件包含了一系列的命令和脚本，用于定义系统启动时应该执行的操作。

以下是init.rc文件的一些特点：

语法：init.rc文件使用一种简单的脚本语言，包括服务定义、条件语句和命令。
服务定义：在init.rc中，每个服务都通过一系列的属性来定义，如service关键字、服务名称、启动命令、依赖关系等。
条件执行：init.rc支持条件执行，可以根据系统的状态或属性来决定是否启动某个服务。
依赖管理：服务之间可以定义依赖关系，确保服务按照正确的顺序启动。
启动阶段：init.rc中的服务可以根据启动阶段（如early boot， late boot等）来分组，以控制服务的启动时机。
资源管理：init.rc还可以控制资源的分配，例如网络资源的分配和释放。

init.rc脚本文件在Android系统中扮演着关键角色，它配置了一系列基础服务，这些服务对于系统的正常启动和运行至关重要。init进程通过解析init.rc文件并创建子进程来启动这些服务。这些服务主要运行在Linux内核空间，并以守护进程的形式在后台提供服务，通常通过socket与系统其他部分通信。

以下是通过init.rc脚本启动的一些核心服务：

service_manager：负责启动Binder IPC机制，它是Android中用于进程间通信的关键技术，同时管理着系统中所有的服务。
mountd：作为设备安装守护进程，它负责处理设备的安装和状态通知。
debuggerd：启动调试系统，处理系统调试相关的请求。
rild：即Radio Interface Layer Daemon，它处理与电话相关的事件和请求。
media_server：启动多媒体服务，包括AudioFlinger、MediaPlayerService和CameraService，负责音频、视频播放和摄像头功能。
surface_flinger：SurfaceFlinger负责管理显示输出，是Android图形系统的一个核心组件。
zygote：作为进程孵化器，它启动Android Java运行时环境和system_server进程，负责孵化新的应用程序进程。

当这些服务启动并运行后，用户便能在设备屏幕上看到"Android"的标志，这通常意味着系统已经完成了关键的初始化步骤。

完成上述启动任务后，init进程将进入循环状态，继续监控和管理系统的运行。

init进程和init.rc文件共同工作，确保Android系统能够正确、高效地启动和运行。通过这些机制，Android系统可以在启动时加载必要的服务，同时保持系统的稳定性和响应性。

三、service_manager 进程

service_manager进程在Android系统中扮演着至关重要的角色。它是系统服务管理的核心组件，负责启动、管理和协调系统服务之间的通信。

以下是service_manager进程的一些关键功能和特点：

启动系统服务：service_manager进程在系统启动时被init进程启动。它负责启动系统中的各个服务，这些服务是Android运行所必需的，包括窗口管理器、电源管理器、网络守护进程等。
Binder IPC机制：service_manager进程使用Binder机制来实现进程间通信（IPC）。Binder是Android中的一种IPC框架，允许不同进程之间通过一个客户端-服务器模型进行通信。
服务注册与发现：系统服务在启动时会向service_manager注册自己，提供服务名称和相关的服务对象。这样，当其他进程需要某个服务时，可以通过service_manager来查找并获取服务对象。
服务管理：service_manager进程还负责管理服务的生命周期，包括服务的启动、停止和重启。它确保服务按照正确的顺序和依赖关系启动。
权限管理：service_manager进程还负责权限管理，确保只有授权的进程才能访问特定的服务。
服务调度：service_manager进程还参与服务的调度工作，确保服务能够及时响应请求。
守护进程：service_manager作为一个守护进程，它在后台运行，不依赖于任何特定的应用程序或服务。
系统稳定性：由于service_manager进程管理着系统中的许多关键服务，它对于维护整个系统的稳定性和可靠性至关重要。
调试和诊断：service_manager进程还可以用于调试和诊断问题，因为它提供了服务的注册信息和状态信息。
跨进程调用：service_manager进程支持跨进程调用，使得不同应用程序和服务能够相互交互，实现复杂的功能。

总的来说，service_manager进程是Android系统中的一个核心组件，它通过Binder IPC机制为系统服务的启动、管理和通信提供了基础设施。通过service_manager，Android系统能够高效、安全地运行各种服务，确保整个系统的正常运作。

四、SurfaceFlinger 进程

SurfaceFlinger是Android系统中的一个关键组件，它负责处理显示输出和图形合成。这个进程在系统启动的早期阶段由init进程启动，并在整个系统运行期间持续工作。以下是SurfaceFinger进程的一些主要功能和特点：

显示合成：SurfaceFlinger的主要任务是将多个层（Layers）合成为单一的显示图像。这些层可能包括应用程序界面、状态栏、屏幕锁等。
帧缓冲区管理：它管理帧缓冲区（Frame Buffer），这是直接与显示硬件交互的内存区域，用于存储最终的显示数据。
VSync同步：SurfaceFlinger使用垂直同步（VSync）信号来同步显示刷新，确保屏幕内容的平滑更新，减少撕裂效果。
屏幕旋转：它处理屏幕旋转请求，根据设备的传感器输入调整显示内容的方向。
多显示器支持：在支持多显示器的设备上，SurfaceFlinger可以管理多个显示器的输出。
2D和3D图形：SurfaceFlinger支持2D图形的直接合成以及3D图形的硬件加速。
权限和安全：它控制对显示内容的访问权限，确保只有授权的应用和服务可以访问或修改显示层。
性能优化：SurfaceFlinger通过优化图形渲染路径和减少不必要的渲染操作来提高系统性能。
显示设置：它还负责处理显示相关的设置，如亮度、色彩校正等。
跨进程通信：SurfaceFlinger使用Binder机制与Android中的其他进程（如应用程序、窗口管理器等）进行通信。
资源管理：它管理显示资源，包括图层缓冲区的分配和回收。
调试和诊断：SurfaceFlinger提供了调试和诊断工具，帮助开发者和技术支持人员分析显示问题。

SurfaceFlinger进程在Android系统中的作用至关重要，它不仅负责将用户界面呈现给用户，还确保了显示内容的质量和性能。通过高效的图形合成和显示管理，SurfaceFlinger为Android设备提供了流畅和响应迅速的用户体验。

五、media_server 进程

media_server进程是Android系统中的一个关键组件，它负责处理所有与多媒体相关的任务。这个服务通常在系统启动时由init进程启动，并持续运行以提供多媒体功能。以下是media_server进程的一些主要功能和特点：

多媒体播放：media_server进程管理音频和视频的播放，包括本地文件和流媒体内容。
编解码器管理：它负责管理编解码器（Codecs），这些是用于压缩和解压音频和视频数据的软件或硬件模块。
音频处理：media_server包含AudioFlinger组件，它处理音频数据流，包括混音、音量控制和音频效果。
视频处理：它管理视频数据流，包括视频解码和渲染。
CameraService：media_server包含CameraService组件，它负责管理相机硬件的访问和图像捕获。
图像处理：它还可能包含图像处理功能，如图像解码、缩放和旋转。
多媒体会话管理：media_server管理多媒体会话，确保音频和视频流的正确播放和切换。
电源管理：它与系统的电源管理服务协同工作，优化多媒体播放的电源使用。
硬件加速：media_server利用硬件加速来提高多媒体内容的处理效率，减少CPU负载。
远程控制：它支持远程控制接口，允许其他应用程序控制播放和录制操作。
媒体数据库访问：media_server提供对媒体数据库的访问，这个数据库存储了媒体文件的元数据。
媒体扫描：它负责扫描存储设备上的媒体文件，并将信息更新到媒体数据库中。
播放状态监控：media_server监控播放状态，包括播放进度、缓冲情况和播放错误。
跨进程通信：media_server使用Binder机制与Android系统中的其他进程进行通信，提供多媒体服务。
安全和权限：它管理对多媒体内容的访问权限，确保只有授权的应用可以访问敏感的多媒体数据。
调试和诊断：media_server提供了调试工具，帮助开发者和技术支持人员诊断多媒体播放问题。

media_server进程是Android系统中多媒体功能的核心，它通过集成多种多媒体处理组件，为用户和开发者提供了一个强大而灵活的多媒体平台。通过media_server，Android设备能够支持丰富的多媒体应用，包括音乐播放器、视频播放器、相机应用等。

六、Zygote 进程

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Zygote进程是Android系统框架（Framework）的基础，它负责孵化所有的Android应用进程。Zygote进程的启动标志着Android Framework框架的初始化和启动。

以下是Zygote服务进程的主要功能：

注册JNI函数：Zygote进程会将底层功能的JNI（Java Native Interface）函数注册到Java虚拟机中，允许Java代码调用本地代码。
预加载Java类和资源：它预加载常用的Java类和资源，以加速新进程的启动。
启动system_server进程：Zygote进程通过fork操作启动system_server，这是Android系统中的核心服务进程。
监听孵化新进程的请求：作为守护进程，Zygote监听来自系统的孵化新进程的请求。
进入循环状态：启动后，Zygote进程会进入一个循环状态，等待下一次的fork请求。

当Zygote进程启动时，它会执行以下步骤：

执行frameworks/base/cmds/app_process/App_main.cpp文件中的main()方法。
App_main.main()：设置进程名，并启动AppRuntime。
AndroidRuntime::start()：创建Java虚拟机，注册JNI方法，并调用ZygoteInit.main()方法。
ZygoteInit.main()：为Zygote注册socket，预加载类和资源，并启动system_server进程。

完成这些步骤后，Zygote进程将进入循环状态，等待系统发出孵化新进程的请求。

Zygote进程的设计允许Android系统高效地启动新应用进程，通过预加载类和资源，减少了启动时间，提高了系统的整体性能。同时，Zygote进程作为Android Framework的基础，为Android应用的开发和运行提供了重要的支持。

七、system_server 进程

system_server进程是Android操作系统中非常核心的一个组件，它负责启动并管理Android系统中的一系列关键服务。这些服务构成了Android运行时环境（Android Runtime）的基础，为应用程序提供必要的支持。

1、system_server进程的一些关键功能和特点

服务管理：system_server进程启动后，会初始化并管理许多系统服务，这些服务包括窗口管理器、活动管理器、通知管理器、位置服务、电源管理器等。
系统服务框架：它提供了一个框架，使得这些系统服务能够相互协作并提供一致的接口给应用程序。
系统资源管理：system_server进程负责协调系统资源的使用，确保系统的稳定性和响应性。
安全和权限管理：它还负责执行安全策略和权限管理，确保应用程序和服务遵守Android的安全模型。
系统设置和配置：system_server进程管理着系统级的设置和配置，包括网络设置、用户设置等。
硬件抽象层（HAL）：它与硬件抽象层交互，为上层应用和服务提供硬件功能的支持。
后台服务：system_server作为一个守护进程，在后台持续运行，为系统提供持续的服务。
系统监控：它监控系统的运行状态，包括内存使用、CPU负载等，以确保系统的健康运行。
系统更新和维护：system_server进程还负责处理系统更新和维护任务。
跨进程通信：system_server使用Binder机制来实现与其他进程的通信，这是Android系统中进程间通信的主要方式。
启动顺序：system_server进程是在Zygote进程之后启动的，它是由Zygote进程fork出来的。
系统日志：它还负责收集和生成系统日志，这对于系统调试和问题诊断非常重要。
用户空间和内核空间的桥梁：system_server进程在用户空间和内核空间之间起到桥梁作用，协调两者之间的交互。

2、system_server启动过程的详细步骤

ZygoteInit.startSystemServer()：首先调用此方法来启动system_server进程。
ZygoteInit.handleSystemServerProcess()：此方法fork出子进程，即system_server，并进入该进程。
RuntimeInit.zygoteInit()：设置当前进程名为“system_server”，并创建PathClassLoader类加载器。
nativeZygoteInit()：此方法经过多层调用，最终进入app_main.cpp中的onZygoteInit()方法。
app_main::onZygoteInit()：启动一个新的Binder线程。
applicationInit()：此方法经过多层调用，最终抛出异常，由ZygoteInit.MethodAndArgsCaller(m， argv)捕获。
ZygoteInit.main()：开启DDMS功能，调用preload()方法加载资源，预加载OpenGL，并调用SystemServer.main()方法。
SystemServer.main()：初始化SystemServer对象，并调用其run()方法。
SystemServer.run()：准备主线程的looper，加载android_servers.so库，该库包含的源码位于frameworks/base/services/目录下。
初始化系统上下文：设置主题，创建系统服务管理SystemServiceManager。
startBootstrapServices()：启动引导服务，包括ActivityManagerService、PowerManagerService等。
startCoreServices()：启动核心服务，如BatteryService、UsageStatsService、WebViewUpdateService等。
startOtherServices()：启动其他服务，如InputManagerService、WindowManagerService等，并等待ServiceManager和SurfaceFlinger启动完成，然后显示启动界面。
注册服务到ServiceManager：所有服务启动完成后，注册到ServiceManager。
ActivityManagerService.systemReady()：ActivityManagerService服务启动完成后，进入此方法。
启动SystemUI、WebViewFactory、Watchdog和Launcher App：启动系统界面、WebView工厂、看门狗服务和桌面启动器应用。
进入循环状态：最后，system_server进程进入循环状态，通过Looper.loop()监听和处理系统事件。

system_server进程的启动和运行对于Android系统的正常工作至关重要。它不仅提供了系统服务，还确保了系统的安全性、稳定性和性能。通过精心设计的架构和高效的资源管理，system_server进程支撑着整个Android系统的运行。

八、ActivityManagerService 启动

ActivityManagerService是Android系统中负责管理应用程序生命周期和状态的核心服务。

以下是ActivityManagerService的启动过程：

ActivityManagerService(Context)：创建ActivityManagerService实例。
- 创建名为“ActivityManager”的前台线程，并获取mHandler。
- 通过UiThread类，创建名为“android.ui”的线程。
- 创建前台和后台广播接收器。
- 创建/data/system目录。
- 创建并启动BatteryStatsService服务。
ActivityManagerService.start()：
- 启动电池统计服务。
- 创建LocalService并添加到LocalServices。
ActivityManagerService.startOtherServices() -> installSystemProviders()：
- 安装所有系统Provider。
ActivityManagerService.systemReady()：
- 恢复最近任务列表。
- 启动WebView、SystemUI、开启Watchdog。
- 启动桌面Launcher应用。
- 发送系统广播。