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Android进程框架：进程的创建、启动与调度流程

6074次阅读  |  发布于5年以前

Android系统的启动流程如下图（点击查看大图）所示：

Loader层

  1. 当手机处于关机状态时，长按电源键开机，引导芯片开始从固化在Boot ROM里的预设代码开始执行，然后加载引导程序Boot Loader到RAM。
  2. Boot Loader被加载到RAM之后开始执行，该程序主要完成检查RAM，初始化硬件参数等功能。

Kernel层

  1. 引导程序之后进入Android内核层，先启动swapper进程（idle进程），该进程用来初始化进程管理、内存管理、加载Display、Camera Driver、Binder Driver等相关工作。
  2. swapper进程进程之后再启动kthreadd进程，该进程会创建内核工作线程kworkder、软中断线程ksoftirqd、thernal等内核守护进程，kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖。

Native层

  1. 接着会启动init进程，init进程是所有用户进程的鼻祖，它会接着孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程，启动ServiceManager来管理系统
    服务，启动Bootnaim开机动画。
  2. init进程通过解析init.rc文件fork生成Zygote进程，该进程是Android系统第一个Java进程，它是所有Java进程父进程，该进程主要完成了加载ZygoteInit类，注册Zygote Socket
    服务套接字；加载虚拟机；预加载Class；预加载Resources。

Framework层

  1. init进程接着fork生成Media Server进程，该进程负责启动和管理整个C++ Framwork（包含AudioFlinger、Camera Service等服务）。

  2. Zygote进程接着会fork生成System Server进程，该进程负责启动和管理整个Java Framwork（包含ActivityManagerService、WindowManagerService等服务）。

App层

Zygote进程孵化出的第一个应用进程是Launcher进程（桌面），它还会孵化出Browser进程（浏览器）、Phone进程（电话）等。我们每个创建的应用都是一个单独的进程。

通过上述流程的分析，想必读者已经对Android的整个进程模型有了大致的理解。作为一个应用开发者我们往往更为关注Framework层和App层里进程的创建与管理相关原理，我们来
一一分析。

一 进程的创建与启动流程

在正式介绍进程之前，我们来思考一个问题，何为进程，进程的本质是什么？🤔

我们知道，代码是静态的，有代码和资源组成的系统要想运行起来就需要一种动态的存在，进程就是程序的动态执行过程。何为进程？
进程就是处理执行状态的代码以及相关资源的集合，包括代码端段、文件、信号、CPU状态、内存地址空间等。

进程使用task_struct结构体来描述，如下所示：

关于进程的更多详细信息，读者可以去翻阅Linux相关书籍，这里只是给读者带来一种整体上的理解，我们的重心还是放在进程再Android平台上的应用。

在文章开篇的时候，我们提到了系统中运行的各种进程，那么这些进程如何被创建呢？🤔

我们先来看看我们最熟悉的应用进程是如何被创建的，前面我们已经说来每一个应用都运行在一个单独的进程里，当ActivityManagerService去启动四大组件时，
如果发现这个组件所在的进程没有启动，就会去创建一个新的进程，启动进程的时机我们在分析四大组件的启动流程的时候也有讲过，这里再总结一下：

这个新进程就是zygote进程通过复制自身来创建的，新进程在启动的过程中还会创建一个Binder线程池（用来做进程通信）和一个消息循环（用来做线程通信）
整个流程如下图所示：

  1. 当我们点击应用图标启动应用时或者在应用内启动一个带有process标签的Activity时，都会触发创建新进程的请求，这种请求会先通过Binder
    发送给system_server进程，也即是发送给ActivityManagerService进行处理。
  2. system_server进程会调用Process.start()方法，会先收集uid、gid等参数，然后通过Socket方式发送给Zygote进程，请求创建新进程。
  3. Zygote进程接收到创建新进程的请求后，调用ZygoteInit.main()方法进行runSelectLoop()循环体内，当有客户端连接时执行ZygoteConnection.runOnce()
    方法，最后fork生成新的应用进程。
  4. 新创建的进程会调用handleChildProc()方法，最后调用我们非常熟悉的ActivityThread.main()方法。

注：整个流程会涉及Binder和Socket两种进程通信方式，这个我们后续会有专门的文章单独分析，这个就不再展开。

整个流程大致就是这样，我们接着来看看具体的代码实现，先来看一张进程启动序列图：

从第一步到第三步主要是收集整理uid、gid、groups、target-sdk、nice-name等一系列的参数，为后续启动新进程做准备。然后调用openZygoteSocketIfNeeded()方法
打开Socket通信，向zygote进程发出创建新进程的请求。

注：第二步中的Process.start()方法是个阻塞操作，它会一直等待进程创建完毕，并返回pid才会完成该方法。

我们来重点关注几个关键的函数。

1.1 Process.openZygoteSocketIfNeeded(String abi)

关于Process类与Zygote进程的通信是如何进行的呢？🤔

Process的静态内部类ZygoteState有个成员变量LocalSocket对象，它会与ZygoteInit类的成员变量LocalServerSocket对象建立连接，如下所示：

客户端

public static class ZygoteState {
    final LocalSocket socket;
}

服务端

public class ZygoteInit {
    //该Socket与/dev/socket/zygote文件绑定在一起
    private static LocalServerSocket sServerSocket;
}

我们来具体看看代码里的实现。

 public static class ZygoteState {

    public static ZygoteState connect(String socketAddress) throws IOException {
        DataInputStream zygoteInputStream = null;
        BufferedWriter zygoteWriter = null;
        //创建LocalSocket对象
        final LocalSocket zygoteSocket = new LocalSocket();

        try {
            //将LocalSocket与LocalServerSocket建立连接，建立连接的过程就是
            //LocalSocket对象在/dev/socket目录下查找一个名称为"zygote"的文件
            //然后将自己与其绑定起来，这样就建立了连接。
            zygoteSocket.connect(new LocalSocketAddress(socketAddress,
                    LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED));

            //创建LocalSocket的输入流，以便可以接收Zygote进程发送过来的数据
            zygoteInputStream = new DataInputStream(zygoteSocket.getInputStream());

            //创建LocalSocket的输出流，以便可以向Zygote进程发送数据。
            zygoteWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(
                    zygoteSocket.getOutputStream()), 256);
        } catch (IOException ex) {
            try {
                zygoteSocket.close();
            } catch (IOException ignore) {
            }

            throw ex;
        }

        String abiListString = getAbiList(zygoteWriter, zygoteInputStream);
        Log.i("Zygote", "Process: zygote socket opened, supported ABIS: " + abiListString);

        return new ZygoteState(zygoteSocket, zygoteInputStream, zygoteWriter,
                Arrays.asList(abiListString.split(",")));
    }
}

建立Socket连接的流程很明朗了，如下所示：

  1. 创建LocalSocket对象。
  2. 将LocalSocket与LocalServerSocket建立连接，建立连接的过程就是LocalSocket对象在/dev/socket目录下查找一个名称为"zygote"的文件，然后将自己与其绑定起来，这样就建立了连接。
  3. 创建LocalSocket的输入流，以便可以接收Zygote进程发送过来的数据。
  4. 创建LocalSocket的输出流，以便可以向Zygote进程发送数据。

1.2 ZygoteInit.main(String argv[])

ZygoteInit是Zygote进程的启动类，该类会预加载一些类，然后便开启一个循环，等待通过Socket发过来的创建新进程的命令，fork出新的
子进程。

ZygoteInit的入口函数就是main()方法，如下所示：

public class ZygoteInit {

    public static void main(String argv[]) {
            // Mark zygote start. This ensures that thread creation will throw
            // an error.
            ZygoteHooks.startZygoteNoThreadCreation();

            try {
                //...
                registerZygoteSocket(socketName);
                //...
                //开启循环                
                runSelectLoop(abiList);

                closeServerSocket();
            } catch (MethodAndArgsCaller caller) {
                caller.run();
            } catch (Throwable ex) {
                Log.e(TAG, "Zygote died with exception", ex);
                closeServerSocket();
                throw ex;
            }
        }

    // 开启一个选择循环，接收通过Socket发过来的命令，创建新线程
    private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller {

        ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>();
        ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>();

        //sServerSocket指的是Socket通信的服务端，在fds中的索引为0
        fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
        peers.add(null);

        //开启循环
        while (true) {
            StructPollfd[] pollFds = new StructPollfd[fds.size()];
            for (int i = 0; i < pollFds.length; ++i) {
                pollFds[i] = new StructPollfd();
                pollFds[i].fd = fds.get(i);
                pollFds[i].events = (short) POLLIN;
            }
            try {
                //处理轮询状态，当pollFds有时间到来时则往下执行，否则阻塞在这里。
                Os.poll(pollFds, -1);
            } catch (ErrnoException ex) {
                throw new RuntimeException("poll failed", ex);
            }
            for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {

                //采用IO多路复用机制，当接收到客户端发出的连接请求时或者数据处理请求到来时则
                //往下执行，否则进入continue跳出本次循环。
                if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) {
                    continue;
                }
                //索引为0，即为sServerSocket，表示接收到客户端发来的连接请求。
                if (i == 0) {
                    ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList);
                    peers.add(newPeer);
                    fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
                }
                //索引不为0，表示通过Socket接收来自对端的数据，并执行相应的操作。
                else {
                    boolean done = peers.get(i).runOnce();
                    //处理完成后移除相应的文件描述符。
                    if (done) {
                        peers.remove(i);
                        fds.remove(i);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

可以发现ZygoteInit在其入口函数main()方法里调用runSelectLoop()开启了循环，接收Socket发来的请求。请求分为两种：

  1. 连接请求
  2. 数据请求

没有连接请求时Zygote进程会进入休眠状态，当有连接请求到来时，Zygote进程会被唤醒，调用acceptCommadPeer()方法创建Socket通道ZygoteConnection

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

然后调用runOnce()方法读取连接请求里的数据，然后创建新进程。

此外，连接的过程中服务端接受的到客户端的connect()操作会执行accpet()操作，建立连接手，客户端通过write()写数据，服务端通过read()读数据。

1.3 ZygoteConnection.runOnce()

class ZygoteConnection {

    boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {

            String args[];
            Arguments parsedArgs = null;
            FileDescriptor[] descriptors;

            try {
                //读取客户端发过来的参数列表
                args = readArgumentList();
                descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors();
            } catch (IOException ex) {
                Log.w(TAG, "IOException on command socket " + ex.getMessage());
                closeSocket();
                return true;
            }

            //... 参数处理

            try {

                //... 参数处理

                //调用Zygote.forkAndSpecialize（来fork出新进程
                pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids,
                        parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo,
                        parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet,
                        parsedArgs.appDataDir);
            } catch (ErrnoException ex) {
                logAndPrintError(newStderr, "Exception creating pipe", ex);
            } catch (IllegalArgumentException ex) {
                logAndPrintError(newStderr, "Invalid zygote arguments", ex);
            } catch (ZygoteSecurityException ex) {
                logAndPrintError(newStderr,
                        "Zygote security policy prevents request: ", ex);
            }

            try {
                //pid == 0时表示当前是在新创建的子进程重磅执行
                if (pid == 0) {
                    // in child
                    IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
                    serverPipeFd = null;
                    handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr);

                    // should never get here, the child is expected to either
                    // throw ZygoteInit.MethodAndArgsCaller or exec().
                    return true;
                }
                // pid < 0表示创建新进程失败，pid > 0 表示当前是在父进程中执行
                else {
                    // in parent...pid of < 0 means failure
                    IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
                    childPipeFd = null;
                    return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs);
                }
            } finally {
                IoUtils.closeQuietly(childPipeFd);
                IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd);
            }
     }
}

该方法主要用来读取进程启动参数，然后调用Zygote.forkAndSpecialize()方法fork出新进程，该方法是创建新进程的核心方法，它主要会陆续调用三个
方法来完成工作：

  1. preFork()：先停止Zygote进程的四个Daemon子线程的运行以及初始化GC堆。这四个Daemon子线程分别为：Java堆内存管理现场、堆线下引用队列线程、析构线程与监控线程。
  2. nativeForkAndSpecialize()：调用Linux系统函数fork()创建新进程，创建Java堆处理的线程池，重置GC性能数据，设置进程的信号处理函数，启动JDWP线程。
  3. postForkCommon()：启动之前停止的Zygote进程的四个Daemon子线程。

上面的方法都完成会后，新进程会创建完成，并返回pid，接着就调用handleChildProc()来启动新进程。handleChildProc()方法会接着调用RuntimeInit.zygoteInit()来
完成新进程的启动。

1.4 RuntimeInit.zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)

这个就是个关键的方法了，它主要用来创建一些运行时环境，我们来看一看。

public class RuntimeInit {

    public static final void zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
            throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
        if (DEBUG) Slog.d(TAG, "RuntimeInit: Starting application from zygote");

        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "RuntimeInit");
        redirectLogStreams();
        //创建应用进程的时区和键盘等通用信息
        commonInit();
        //在应用进程中创建一个Binder线程池
        nativeZygoteInit();
        //创建应用信息
        applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader);
    }
}

该方法主要完成三件事：

  1. 调用commonInit()方法创建应用进程的时区和键盘等通用信息。
  2. 调用nativeZygoteInit()方法在应用进程中创建一个Binder线程池。
  3. 调用applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader)方法创建应用信息。

Binder线程池我们后续的文章会分析，我们重点来看看applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader)方法的实现，它主要用来完成应用的创建。

该方法里的argv参数指的就是ActivityThread，该方法会调用invokeStaticMain()通过反射的方式调用ActivityThread类的main()方法。如下所示：

public class RuntimeInit {

      private static void applicationInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)
              throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
          //...

          // Remaining arguments are passed to the start class's static main
          invokeStaticMain(args.startClass, args.startArgs, classLoader);
      }

      private static void invokeStaticMain(String className, String[] argv, ClassLoader classLoader)
              throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
          Class<?> cl;

          //通过反射调用ActivityThread类的main()方法
          try {
              cl = Class.forName(className, true, classLoader);
          } catch (ClassNotFoundException ex) {
              throw new RuntimeException(
                      "Missing class when invoking static main " + className,
                      ex);
          }

          Method m;
          try {
              m = cl.getMethod("main", new Class[] { String[].class });
          } catch (NoSuchMethodException ex) {
              throw new RuntimeException(
                      "Missing static main on " + className, ex);
          } catch (SecurityException ex) {
              throw new RuntimeException(
                      "Problem getting static main on " + className, ex);
          }
          //...
      }  
}

走到ActivityThread类的main()方法，我们就很熟悉了，我们知道在main()方法里，会创建主线程Looper，并开启消息循环，如下所示：

public final class ActivityThread {

   public static void main(String[] args) {
       //...
       Environment.initForCurrentUser();
       //...
       Process.setArgV0("<pre-initialized>");
       //创建主线程looper
       Looper.prepareMainLooper();

       ActivityThread thread = new ActivityThread();
       //attach到系统进程
       thread.attach(false);

       if (sMainThreadHandler == null) {
           sMainThreadHandler = thread.getHandler();
       }

       //主线程进入循环状态
       Looper.loop();

       throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
   }
}

前面我们从Process.start()开始讲起，分析了应用进程的创建及启动流程，既然有启动就会有结束，接下来我们从
Process.killProcess()开始讲起，继续分析进程的结束流程。

二 进程的优先级

进程按照优先级大小不同又可以分为实时进程与普通进程。

prio值越小表示进程优先级越高，

三 进程调度流程

进程的调度在Process类里完成。

3.1 优先级调度

优先级调度方法

setThreadPriority(int tid, int priority)

进程的优先级以及对应的nice值如下所示：

3.2 组优先级调度

进程组优先级调度方法

setProcessGroup(int pid, int group)
setThreadGroup(int tid, int group)

组优先级及对应取值

3.3 调度策略

调度策略设置方法

setThreadScheduler(int tid, int policy, int priority)

3.4 进程adj调度

另外除了这些基本的调度策略，Android系统还定义了两个和进程相关的状态值，一个就是定义在ProcessList.java里的adj值，另一个
是定义在ActivityManager.java里的procState值。

定义在ProcessList.java文件，oom_adj划分为16级，从-17到16之间取值。

更新进程adj值的方法定义在ActivityManagerService中，分别为：

那么进程的adj值什么时候会被更新呢？🤔

Activity

Service

BroadcastReceiver

ContentProvider

另外，Lowmemorykiller也会根据当前的内存情况逐级进行进程释放，一共有六个级别（上面加粗的部分）：

定义在ActivityManager.java文件，process_state划分18类，从-1到16之间取值

根据上面说描述的adj值和state值，我们又可以按照重要性程度的不同，将进程划分为五级：

前台进程

用户当前操作所必需的进程。如果一个进程满足以下任一条件，即视为前台进程：

通常，在任意给定时间前台进程都为数不多。只有在内存不足以支持它们同时继续运行这一万不得已的情况下，系统才会终止它们。 此时，设备往往已达到内存分页状态，因此需要终止一些前台进程来确保用户界面正常响应。

可见进程

没有任何前台组件、但仍会影响用户在屏幕上所见内容的进程。 如果一个进程满足以下任一条件，即视为可见进程：

可见进程被视为是极其重要的进程，除非为了维持所有前台进程同时运行而必须终止，否则系统不会终止这些进程。

服务进程

正在运行已使用 startService() 方法启动的服务且不属于上述两个更高类别进程的进程。尽管服务进程与用户所见内容没有直接关联，但是它们通常在执行一些用户关
心的操作（例如，在后台播放音乐或从网络下载数据）。因此，除非内存不足以维持所有前台进程和可见进程同时运行，否则系统会让服务进程保持运行状态。

后台进程

包含目前对用户不可见的 Activity 的进程（已调用 Activity 的 onStop() 方法）。这些进程对用户体验没有直接影响，系统可能随时终止它们，以回收内存供前台进程、可见进程或服务进程使用。 通常会有很多后台进程在运行，因此它们会保存在 LRU （最近最少使用）列表中，以确保包含用户最近查看的 Activity 的进程最后一个被终止。如果某个 Activity 正确实现了生命周期方法，并保存了其当前状态，则终止其进程不会对用户体验产生明显影响，因为当用户导航回该 Activity 时，Activity 会恢复其所有可见状态。

空进程

不含任何活动应用组件的进程。保留这种进程的的唯一目的是用作缓存，以缩短下次在其中运行组件所需的启动时间。 为使总体系统资源在进程缓存和底层内核缓存之间保持平衡，系统往往会终止这些进程。

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