Android系统中的进程管理：进程的创建
對于操作系統來說，進程管理是其最重要的職責之一。
考慮到這部分的內容較多，因此會拆分成幾篇文章來講解。
本文是進程管理系統文章的第一篇，會講解Android系統中的進程創建。
本文適合Android平臺的應用程序開發者，也適合對于Android系統內部實現感興趣的讀者。
概述
Android系統以Linux內核為基礎，所以對于進程的管理自然離不開Linux本身提供的機制。例如：
- 通過fork來創建進行
- 通過信號量來管理進程
- 通過proc文件系統來查詢和調整進程狀態 等
對于Android來說，進程管理的主要內容包括以下幾個部分內容：
- 進程的創建
- 進程的優先級管理
- 進程的內存管理
- 進程的回收和死亡處理
本文會專門講解進程的創建，其余部分將在后面的文章中講解。
主要模塊
為了便于下文的講解，這里先介紹一下Android系統中牽涉到進程創建的幾個主要模塊。
同時為了便于讀者更詳細的了解這些模塊，這里也同時提供了這些模塊的代碼路徑。
這里提到的代碼路徑是指AOSP的源碼數中的路徑。
關于如何獲取AOSP源碼請參見這里：Downloading the Source。
本文以Android N版本的代碼為示例，所用到的Source Code Tags是：android-7.0.0_r1。
相關模塊：
- app_process
代碼路徑：frameworks/base/cmds/app_process
說明：app_process是一個可執行程序，該程序的主要作用是啟動zygote和system_server進程。
- Zygote
代碼路徑：frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
說明：zygote進程是所有應用進程的父進程，這是系統中一個非常重要的進程，下文我們會詳細講解。
- ActivityManager
代碼路徑：frameworks/base/services/core/java/com/android/server/am/
說明：am是ActivityManager的縮寫。
這個目錄下的代碼負責了Android全部四大組件（Activity，Service，ContentProvider，BroadcastReceiver）的管理，并且還掌控了所有應用程序進程的創建和進程的優先級管理。
因此，這個部分的內容將是本系列文章講解的重點。
進程與線程
Android官方開發網站的這篇文章：Processes and Threads?非常好的介紹了Android系統中進程相關的一些基本概念和重要知識。
在閱讀下文之前，請務必將這篇文章瀏覽一遍。
關于進程
在Android系統中，進程可以大致分為系統進程和應用進程兩大類。
系統進程是系統內置的（例如：init，zygote，system_server進程），屬于操作系統必不可少的一部分。系統進程的作用在于：
- 管理硬件設備
- 提供訪問設備的基本能力
- 管理應用進程
應用進程是指應用程序運行的進程。這些應用程序可能是系統出廠自帶的（例如Launcher，電話，短信等應用），也可能是用戶自己安裝的（例如：微信，支付寶等）。
系統進程的數量通常是固定的（出廠或者系統升級之后就確定了），并且系統進程通常是一直存活，常駐內存的。系統進程的異常退出將可能導致設備無法正常使用。
而應用程序和應用進程在每個人使用的設備上通常是各不一樣的。如何管理好這些不確定的應用進程，就是操作系統本身要仔細考慮的內容。也是衡量一個操作系統好壞的標準之一。
在本文中，我們會介紹init，zygote和system_server三個系統進程。
除此之外，本系列文章將會把主要精力集中在講解Android系統如何管理應用進程上。
init進程
init進程是一切的開始，在Android系統中，所有進程的進程號都是不確定的，唯獨init進程的進程號一定是1。
因為這個進程一定是系統起來的第一個進程。
并且，init進程掌控了整個系統的啟動邏輯。
我們知道，Android可能運行在各種不同的平臺，不同的設備上。因此，啟動的邏輯是不盡相同的。 為了適應各種平臺和設備的需求，init進程的初始化工作通過init.rc配置文件來管理。
你可以在AOSP源碼的system/core/rootdir/路徑找到這些配置文件。
配置文件的主入口文件是init.rc，這個文件會通過import引入其他幾個文件。
在本文中，我們統稱這些文件為init.rc。
init.rc通過Android Init Language來進行配置。 建議讀者大致閱讀一下其?語法說明?。
init.rc中配置了系統啟動的時候該做哪些事情，以及啟動哪些系統進程。
這其中有兩個特別重要的進程就是：zygote和system_server進程。
- zygote的中文意思是“受精卵“。這是一個很有寓意的名稱：所有的應用進程都是由zygote?fork出來的子進程，因此zygote進程是所有應用進程的父進程。
- system_server?這個進程正如其名稱一樣，這是一個系統服務器。Framework層的幾乎所有服務都位于這個進程中。這其中就包括管理四大組件的ActivityManagerService。
Zygote進程
init.rc文件會根據平臺不一樣，選擇下面幾個文件中的一個來啟動zygote進程：
- init.zygote32.rc
- init.zygote32_64.rc
- init.zygote64.rc
- init.zygote64_32.rc
這幾個文件的內容是大致一致的，僅僅是為了不同平臺服務的。這里我們以init.zygote32.rc的文件為例，來看看其中的內容：
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server class main 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 writepid /dev/cpuset/foreground/tasks /dev/stune/foreground/tasks在這段配置文件中（如果你不明白這段配置的含義，請閱讀一下文檔：Android Init Language），啟動了一個名稱叫做zygote的服務進程。這個進程是通過/system/bin/app_process?這個可執行程序創建的。
并且在啟動這個可執行程序的時候，傳遞了-Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server class main?這些參數。
要知道這里到底做了什么，我們需要看一下app_process的源碼。
app_process的源碼在這個路徑：frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp。
這個文件的main函數的有如下代碼：
int main(int argc, char* const argv[]) { ...while (i < argc) {const char* arg = argv[i++];if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {zygote = true;niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;} else if (strcmp(arg, "--start-system-server") == 0) {startSystemServer = true;...}...if (!className.isEmpty()) {...} else {...if (startSystemServer) {args.add(String8("start-system-server"));}} ...if (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.");return 10;} }這里會判斷，
- 如果執行這個命令時帶了--zygote參數，就會通過runtime.start啟動com.android.internal.os.ZygoteInit。
- 如果參數中帶有--start-system-server參數，就會將start-system-server添加到args中。
這段代碼是C++實現的。在執行這段代碼的時候還沒有任何Java的環境。而runtime.start就是啟動Java虛擬機，并在虛擬機中啟動指定的類。于是接下來的邏輯就在ZygoteInit.java中了。
這個文件的main函數主要代碼如下：：
public static void main(String argv[]) {...try {...boolean startSystemServer = false;String socketName = "zygote";String abiList = null;for (int i = 1; i < argv.length; i++) {if ("start-system-server".equals(argv[i])) {startSystemServer = true;} else if (argv[i].startsWith(ABI_LIST_ARG)) {...}}...registerZygoteSocket(socketName);...preload();...Zygote.nativeUnmountStorageOnInit();ZygoteHooks.stopZygoteNoThreadCreation();if (startSystemServer) {startSystemServer(abiList, socketName);}Log.i(TAG, "Accepting command socket connections");runSelectLoop(abiList);closeServerSocket();} catch (MethodAndArgsCaller caller) {caller.run();} catch (RuntimeException ex) {Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);closeServerSocket();throw ex;} }在這段代碼中，我們主要關注如下幾行：
這里需要說明的是：zygote進程啟動之后，會啟動一個socket套接字，并通過Looper一直在這個套接字上等待連接。
所有應用進程都是通過發送數據到這個套接字上，然后由zygote進程創建的。
這里還有一點說明的是： 在Zygote進程中，會通過preload函數加載需要應用程序都需要的公共資源。
預先加載這些公共資源有如下兩個好處：
- 加快應用的啟動速度?因為這些資源已經在zygote進程啟動的時候加載好了
- 通過共享的方式節省內存?這是Linux本身提供的機制：父進程已經加載的內容可以在子進程中進行共享，而不用多份數據拷貝（除非子進程對這些數據進行了修改。）
preload的資源主要是Framework相關的一些基礎類和Resource資源，而這些資源正是所有應用都需要的：
開發者通過Android SDK開發應用所調用的API實現都在Framework中。
static void preload() {Log.d(TAG, "begin preload");Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "BeginIcuCachePinning");beginIcuCachePinning();Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadClasses");preloadClasses();Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadResources");preloadResources();Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadOpenGL");preloadOpenGL();Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);preloadSharedLibraries();preloadTextResources();WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();endIcuCachePinning();warmUpJcaProviders();Log.d(TAG, "end preload"); }system_server進程
上文已經提到，zygote進程起來之后會根據需要啟動system_server進程。
system_server進程中包含了大量的系統服務。例如：
- 負責網絡管理的NetworkManagementService
- 負責窗口管理的WindowManagerService
- 負責震動管理的VibratorService
- 負責輸入管理的InputManagerService
等等。關于system_server，我們今后會其他的文章中專門講解，這里不做過多說明。
在本文中，我們只關注system_server中的ActivityManagerService這個系統服務。
ActivityManagerService
上文中提到：zygote進程在啟動之后會啟動一個socket，然后一直在這個socket等待連接。
而會連接它的就是ActivityManagerService。
因為ActivityManagerService掌控了所有應用進程的創建。
所有應用程序的進程都是由ActivityManagerService通過socket發送請求給Zygote進程，然后由zygote fork創建的。
ActivityManagerService通過Process.start方法來請求zygote創建進程：
public static final ProcessStartResult start(final String processClass,final String niceName,int uid, int gid, int[] gids,int debugFlags, int mountExternal,int targetSdkVersion,String seInfo,String abi,String instructionSet,String appDataDir,String[] zygoteArgs) {try {return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids,debugFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,abi, instructionSet, appDataDir, zygoteArgs);} catch (ZygoteStartFailedEx ex) {Log.e(LOG_TAG,"Starting VM process through Zygote failed");throw new RuntimeException("Starting VM process through Zygote failed", ex);} }這個函數會將啟動進程所需要的參數組裝好，并通過socket發送給zygote進程。然后zygote進程根據發送過來的參數將進程fork出來。
在ActivityManagerService中，調用Process.start的地方是下面這個方法：
private final void startProcessLocked(ProcessRecord app, String hostingType,String hostingNameStr, String abiOverride, String entryPoint, String[] entryPointArgs) {...Process.ProcessStartResult startResult = Process.start(entryPoint,app.processName, uid, uid, gids, debugFlags, mountExternal,app.info.targetSdkVersion, app.info.seinfo, requiredAbi, instructionSet,app.info.dataDir, entryPointArgs); ... }下文中我們會看到，所有四大組件進程的創建，都是調用這里的startProcessLocked這個方法而創建的。
對于每一個應用進程，在ActivityManagerService中，都有一個ProcessRecord與之對應。這個對象記錄了應用進程的所有詳細狀態。
PS：對于ProcessRecord的內部結構，在下一篇文章中，我們會講解。
為了查找方便，對于每個ProcessRecord會存在下面兩個集合中。
- 按名稱和uid組織的集合：
- 按pid組織的集合：
下面這幅圖小節了上文的這些內容：
關于應用組件
Processes and Threads?提到：
“當某個應用組件啟動且該應用沒有運行其他任何組件時，Android 系統會使用單個執行線程為應用啟動新的 Linux 進程。”
因此，四大組件中的任何一個先起來都會導致應用進程的創建。下文我們就詳細看一下，它們啟動時，各自是如何導致應用進程的創建的。
PS：四大組件的管理本身又是一個比較大的話題，限于篇幅關系，這里不會非常深入的講解，這里主要是講解四大組件與進程創建的關系。
在應用程序中，開發者通過：
- startActivity(Intent intent)?來啟動Activity
- startService(Intent service)?來啟動Service
- sendBroadcast(Intent intent)?來發送廣播
- ContentResolver?中的接口來使用ContentProvider
這其中，startActivity，startService和sendBroadcast還有一些重載方法。
其實這里提到的所有這些方法，最終都是通過Binder調用到ActivityManagerService中，由其進行處理的。
這里特別說明一下：應用進程和ActivityManagerService所在進程（即system_server進程）是相互獨立的，兩個進程之間的方法通常是不能直接互相調用的。
而Android系統中，專門提供了Binder框架來提供進程間通訊和方法調用的能力。
調用關系如下圖所示：
Activity與進程創建
在ActivityManagerService中，對每一個運行中的Activity都有一個ActivityRecord對象與之對應，這個對象記錄Activity的詳細狀態。
ActivityManagerService中的startActivity方法接受Context.startActivity的請求，該方法代碼如下：
@Override public final int startActivity(IApplicationThread caller, String callingPackage,Intent intent, String resolvedType, IBinder resultTo, String resultWho, int requestCode,int startFlags, ProfilerInfo profilerInfo, Bundle bOptions) {return startActivityAsUser(caller, callingPackage, intent, resolvedType, resultTo,resultWho, requestCode, startFlags, profilerInfo, bOptions,UserHandle.getCallingUserId()); }Activity的啟動是一個非常復雜的過程。這里我們簡單介紹一下背景知識：
- ActivityManagerService中通過Stack和Task來管理Activity
- 每一個Activity都屬于一個Task，一個Task可能包含多個Activity。一個Stack包含多個Task
- ActivityStackSupervisor類負責管理所有的Stack
- Activity的啟動過程會牽涉到：
- Intent的解析
- Stack，Task的查詢或創建
- Activity進程的創建
- Activity窗口的創建
- Activity的生命周期調度
Activity的管理結構如下圖所示：
在Activity啟動的最后，會將前一個Activity pause，將新啟動的Activity resume以便被用戶看到。
在這個時候，如果發現新啟動的Activity進程還沒有啟動，則會通過startSpecificActivityLocked將其啟動。整個調用流程如下：
- ActivityManagerService.activityPaused?=>
- ActivityStack.activityPausedLocked?=>
- ActivityStack.completePauseLocked?=>
- ActivityStackSupervisor.ensureActivitiesVisibleLocked?=>
- ActivityStack.makeVisibleAndRestartIfNeeded?=>
- ActivityStackSupervisor.startSpecificActivityLocked?=>
- ActivityManagerService.startProcessLocked
ActivityStackSupervisor.startSpecificActivityLocked?關鍵代碼如下：
void startSpecificActivityLocked(ActivityRecord r,boolean andResume, boolean checkConfig) {// Is this activity's application already running?ProcessRecord app = mService.getProcessRecordLocked(r.processName,r.info.applicationInfo.uid, true);r.task.stack.setLaunchTime(r);if (app != null && app.thread != null) {...}mService.startProcessLocked(r.processName, r.info.applicationInfo, true, 0,"activity", r.intent.getComponent(), false, false, true); }這里的ProcessRecord app?描述了Activity所在進程。
Service與進程創建
Service的啟動相對于Activity來說要簡單一些。
在ActivityManagerService中，對每一個運行中的Service都有一個ServiceRecord對象與之對應，這個對象記錄Service的詳細狀態。
ActivityManagerService中的startService方法處理Context.startServiceAPI的請求，相關代碼：
@Override public ComponentName startService(IApplicationThread caller, Intent service,String resolvedType, String callingPackage, int userId)throws TransactionTooLargeException {...synchronized(this) {final int callingPid = Binder.getCallingPid();final int callingUid = Binder.getCallingUid();final long origId = Binder.clearCallingIdentity();ComponentName res = mServices.startServiceLocked(caller, service,resolvedType, callingPid, callingUid, callingPackage, userId);Binder.restoreCallingIdentity(origId);return res;} }這段代碼中的mServices對象是ActiveServices類型的，這個類專門負責管理活動的Service。
啟動Service的調用流程如下：
- ActivityManagerService.startService?=>
- ActiveServices.startServiceLocked?=>
- ActiveServices.startServiceInnerLocked?=>
- ActiveServices.bringUpServiceLocked?=>
- ActivityManagerService.startProcessLocked
ActiveServices.bringUpServiceLocked會判斷如果Service所在進程還沒有啟動，
則通過ActivityManagerService.startProcessLocked將其啟動。相關代碼如下：
// Not running -- get it started, and enqueue this service record // to be executed when the app comes up. if (app == null && !permissionsReviewRequired) {if ((app=mAm.startProcessLocked(procName, r.appInfo, true, intentFlags,"service", r.name, false, isolated, false)) == null) {String msg = "Unable to launch app "+ r.appInfo.packageName + "/"+ r.appInfo.uid + " for service "+ r.intent.getIntent() + ": process is bad";Slog.w(TAG, msg);bringDownServiceLocked(r);return msg;}if (isolated) {r.isolatedProc = app;} }這里的mAm?就是ActivityManagerService。
Provider與進程創建
在ActivityManagerService中，對每一個運行中的ContentProvider都有一個ContentProviderRecord對象與之對應，這個對象記錄ContentProvider的詳細狀態。
開發者通過ContentResolver中的insert,?delete,?update,?query這些API來使用ContentProvider。在ContentResolver的實現中，無論使用這里的哪個接口，ContentResolver都會先通過acquireProvider?這個方法來獲取到一個類型為IContentProvider的遠程接口。這個遠程接口對接了ContentProvider的實現提供方。
同一個ContentProvider可能同時被多個模塊使用，而調用ContentResolver接口的進程只是ContentProvider的一個客戶端而已，真正的ContentProvider提供方是運行自身的進程中的，兩個進程的通訊需要通過Binder的遠程接口形式來調用。如下圖所示：
ContentResolver.acquireProvider?最終會調用到ActivityManagerService.getContentProvider中，該方法代碼如下：
@Override public final ContentProviderHolder getContentProvider(IApplicationThread caller, String name, int userId, boolean stable) {enforceNotIsolatedCaller("getContentProvider");if (caller == null) {String msg = "null IApplicationThread when getting content provider "+ name;Slog.w(TAG, msg);throw new SecurityException(msg);}// The incoming user check is now handled in checkContentProviderPermissionLocked() to deal// with cross-user grant.return getContentProviderImpl(caller, name, null, stable, userId); }而在getContentProviderImpl這個方法中，會判斷對應的ContentProvider進程有沒有啟動，
如果沒有，則通過startProcessLocked方法將其啟動。
Receiver與進程創建
開發者通過Context.sendBroadcast接口來發送廣播。ActivityManagerService.broadcastIntent?方法了對應廣播發送的處理。
廣播是一種一對多的消息形式，廣播接受者的數量是不確定的。因此發送廣播本身可能是一個很耗時的過程（因為要逐個通知）。
在ActivityManagerService內部，是通過隊列的形式來管理廣播的：
- BroadcastQueue?描述了一個廣播隊列
- BroadcastRecord?描述了一個廣播事件
在ActivityManagerService中，如果收到了一個發送廣播的請求，會先創建一個BroadcastRecord接著將其放入BroadcastQueue中。
然后通知隊列自己去處理這個廣播。然后ActivityManagerService自己就可以繼續處理其他請求了。
廣播隊列本身是在另外一個線程處理廣播的發送的，這樣保證的ActivityManagerService主線程的負載不會太重。
在BroadcastQueue.processNextBroadcast(boolean fromMsg)?方法中真正實現了通知廣播事件到接受者的邏輯。在這個方法，如果發現接受者（即BrodcastReceiver）還沒有啟動，便會通過ActivityManagerService.startProcessLocked?方法將其啟動。相關如下所示：
final void processNextBroadcast(boolean fromMsg) {...// Hard case: need to instantiate the receiver, possibly// starting its application process to host it.ResolveInfo info =(ResolveInfo)nextReceiver;ComponentName component = new ComponentName(info.activityInfo.applicationInfo.packageName,info.activityInfo.name);...// Not running -- get it started, to be executed when the app comes up.if (DEBUG_BROADCAST) Slog.v(TAG_BROADCAST,"Need to start app ["+ mQueueName + "] " + targetProcess + " for broadcast " + r);if ((r.curApp=mService.startProcessLocked(targetProcess,info.activityInfo.applicationInfo, true,r.intent.getFlags() | Intent.FLAG_FROM_BACKGROUND,"broadcast", r.curComponent,(r.intent.getFlags()&Intent.FLAG_RECEIVER_BOOT_UPGRADE) != 0, false, false))== null) {// Ah, this recipient is unavailable. Finish it if necessary,// and mark the broadcast record as ready for the next.Slog.w(TAG, "Unable to launch app "+ info.activityInfo.applicationInfo.packageName + "/"+ info.activityInfo.applicationInfo.uid + " for broadcast "+ r.intent + ": process is bad");logBroadcastReceiverDiscardLocked(r);finishReceiverLocked(r, r.resultCode, r.resultData,r.resultExtras, r.resultAbort, false);scheduleBroadcastsLocked();r.state = BroadcastRecord.IDLE;return;}mPendingBroadcast = r;mPendingBroadcastRecvIndex = recIdx;} }至此，四大組件的啟動就已經分析完了。
結束語
進程管理本身是一個非常大的話題，本文講解了Android系統中進程創建的相關內容。
進程啟動之后該如何管理就是下一篇文章要講解的內容了。
敬請期待。
參考資料與推薦讀物
UNIX環境高級編程(第3版)
深入理解LINUX內核(第3版)
Processes and Threads
Android Booting
原文： http://qiangbo.space/2016-10-10/AndroidAnatomy_Process_Creation/
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Android系统中的进程管理：进程的创建的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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