Android系统启动概述

Android系统开机流程基于Linux系统，总体可分为三个阶段：

Boot Loader引导程序启动
Linux内核启动
Android系统启动，Launcher/app启动

启动流程如图1形象展示：

图1 Android开机启动一般性流程

图1只简单地描述了开机启动一般性流程，“正常开机”（注意，是正常模式，不是工厂模式、recovery模式）流程为：

1. 手机、TV等android设备上电或重启后，系统硬件进行相应的复位操作，然后CPU开始执行第一条指令，该指令固化在ROM或者flash中某地址处，不可更改，由芯片制造商确定，该指令的作用就是加载引导程序到RAM执行。

2. 引导程序(boot loader)，顾名思义，引导操作系统（比如Linux、Android、windows等）启动的程序，
就是在操作系统运行之前运行的一段程序，其作用是初始化硬件设备、创建存储器空间的映射等软件运行时所需要的最小环境；加载Linux内核镜像文件（本文只针对Android、Linux）到RAM中某个地址处执行，此时引导程序的控制权就交给了内核。
各家厂商都有可能自行设计boot loader，常见的有：U-Boot、RedBoot、ARMBoot等。

3. 当内核镜像文件被加载到RAM时，通过汇编编写的程序初始化硬件、堆栈、进行一些必要的环境设置等，然后调用decompress_kernel函数解压内核镜像，再调用c语言编写的start_kernel函数启动内核，内核启动时，会进行一些列初始化工作，包括：初始化调度程序、内存管理区、日期时间、缓存、中断等，再创建init内核线程，最后调用可执行程序init执行。

4. init进程启动后，创建、挂载文件系统、设备节点，解析init.rc文件，再启动各种系统守护进程，包括Android部分最重要的Zygote、ServiceManager进程，由此进入到Android系统启动部分。无论什么Linux发行版本还是Android系统，init进程都是用户空间的第一个进程(不是内核空间)，其进程号固定为1，init进程是通向Linux、Android文件系统的大门，其他用户级进程都由init进程直接、间接创建，本文主要关注init进程的来龙去脉。

启动init进程

在kernel/init/路径下，main.c文件中的start_kernel函数就是启动内核的入口，经过一些列的初始化操作后进入到rest_init：

kernel_thread函数调用do_fork创建了2号内核线程kthreadd、1号内核线程init，他们的父进程是内核0号进程，2号内核线程kthreadd作用是管理调度其他内核线程，而init内核线程通过调用init可执行程序转变成init进程，进程号还是1，kernel_thread函数第一个参数就是kernel_init函数：

第一行就是kernel_init_freeable函数：

wait_for_completion(&kthreadd_done);

kernel_init函数在内核线程init中执行，执行前必须等待kthreadd线程建立好后才能进行，随后进行内存页分配等工作。

do_basic_setup();

在执行此函数之前，CPU、内存管理、进程管理等已经初始化完成，但是和设备相关的工作还没有展开，而此函数就是进行设备相关的初始化，重点包括初始化设备驱动程序(编译进内核的)，这由driver_init函数完成。由此可知，在前文讨论了诸多初始化，都没有涉及到驱动，一直等到内核线程init创建时才开始。

一开始，ramdisk_execute_command为空，被初始化为”/init”，默认init进程的路径在根目录下

返回到kernel_init函数继续看

ramdisk_execute_command已经被赋值为”/init”不为空，调用run_init_process处理init可执行程序，run_init_process函数中的do_execve就是系统调用execve的具体实现，作用是运行可执行程序。

如果根目录下没有init可执行程序，就会在”/sbin”、”/etc”、”/bin”下查找，直到找到后执行，如果都没有找到，系统尝试建立一个交互的shell命令可执行程序，让管理员尝试修复。如果sh也没有，此时Android系统启动失败，调用panic把错误提示保存到磁盘中，待重启后显示。

注：本文关于内核部分基于3.1版本所述，与2.6有差别，比如没有init_post函数，但核心内容没有太大区别。

init进程执行过程

上文通过内核启动init可执行程序，内核把控制权交到了用户空间，开始真正的Android之旅！init进程源码所在路径：

system\core\init

查看Android.mk文件，有这两句：

LOCAL_MODULE:= init   // 编译后生成的模块的名字，具体是什么模块，看include关键字编译成什么

include $(BUILD_EXECUTABLE) //编译成可执行程序

init进程主要代码是init.c，标准c语言写的程序，其main函数是入口，init.c源码如下：

init进程主要做的事情都在main函数中，前两个语句：

libc库函数basename去除诸如：

/sbin/ueventd

前面的斜杠和前缀，获得字符串”ueventd”，如果argv数组包含该参数，就执行ueventd_main函数。ueventd也是一个可执行程序，在system\core\init\Android.mk中：

这段代码编译后生成三个可执行文件：/init、/sbin/ueventd、/sbin/watchdogd。SYMLINKS关键字确定ueventd和watchdogd可执行程序文件作为init的软链接(也称符号链接)存在，查看运行环境：

ueventd和watchdogd都指向了init程序。init程序运行时，实际上同时运行了三个程序，之所以把ueventd和watchdogd作为init进程的软链接，是因为这个三个进程共享了共同资源，放在同一份代码中即可，不用额外再写出分别针对ueventd和watchdogd的程序，这样造成了代码的冗余，也不便于维护。但是，放在同一份代码中如何区别当前进程是哪一个？这就是作者在main函数开头用了两个if语句的原因，通过进程名字判断到底是哪个进程。

ueventd进程用来管理设备，如果有新设备插入，就会在/dev创建对应的设备文件；watchdogd进程是看门狗程序，每隔一段时间通过系统调用write向内核看门狗设备发一个信息，以确保系统正常运行。

把虚拟文件系统tmpfs、devpts、profs、sysfs分别挂载/dev、/dev/pts、/proc、/sys目录下。

sysfs是一种基于内存的虚拟文件系统，在内核中产生，作用是把设备、驱动等内核信息从内核空间输出到用户空间，也可以对设备和驱动程序做设置。一般情况下，该文件系统挂在在/sys目录，但不是强制规定，也可以挂载在其他位置。sysfs文件内容以二进制、ASCII格式保存，一个文件只保存一个数据。

procfs文件系统(进程文件系统，procfs:process data filesystem)，装载在/proc目录，也可以在其他位置，也是一种基于内存的虚拟文件系统，通过内核生成与系统状态、配置相关信息，其信息不能从块设备读取，只有在读取文件内容时，动态生成相应的内容。

所谓动态生成相应内容，就是在用户访问某信息时，实时生成相关信息供用户访问。
比如，ls -l proc/version 返回
-r-r-r- root root 0 2015-12-29 16:45 version
字节大小为0，没有任何内容
但是如果用cat proc/version 返回
Linux version 3.10.0_s5 (abc@H58M-SERVER) (gcc version 4.4.1 (Hisilicon_v200(gcc4.4-290+glibc-2.11+eabi+nptl)) ) #3 SMP Wed Dec 23 10:42:11 CST 2015

确实有数据的，这是内核实时产生的有关系统内核版本，系统固件版本名称等，该信息从内核内存的数据结构中实时获取而来，这就是动态生成信息的本意。

tmpfs也是一种虚拟内存文件系统，最大特点是其存储空间在VM(虚拟内存)，而VM大小最大可达到实际内存+swap交换分区。
tmpfs的作用：linux中把一些程序的临时文件放在tmpfs中，利用tmpfs比硬盘速度快的特点提升系统性能。

devfs是一种设备文件系统，作用是提供一种高效率方式管理通常位于 /dev 的所有块设备和字符设备。

既然procfs文件系统已经挂载，就可以使用了，get_hardware_name函数从/proc/cpuinfo中读取处理器、硬件版本号、序列号等信息。

从/proc/cmdline中获取内核命令参数并保存到相应的属性中

property_get从属性ro.bootmode中获得值保存到tmp中，再用strlcpy库函数把tmp值拷贝到bootmode中，strcmp比较是否等于”charge”，如果是，is_charger为true，代表充电模式，否则，非充电模式。

property_load_boot_defaults对系统属性进行初始化，一开始调用了load_properties_from_file，第一个参数PROP_PATH_RAMDISK_DEFAULT的位置在

函数load_properties读取属性文件default.prop中每一个属性key和value，通过property_set把值都保存到相应的key中。default.prop中都是系统属性，系统编译后会copy到root/default.prop中，其原始位置在/build/core/main.mk中。

解析init.rc文件，read_file读取init.rc文件内容，保存到缓冲区，返回缓冲区指针。

parse_config中有一个for循环，循环读取每一行行内容，parse_new_section里面的parse_service、parse_line_service解析service；parse_action、parse_line_action解析Action。解析的最后一句是：

分别把解析得到的service段和action段的地址放入到service_list列表和action_list列表保存起来，待后面使用时取出来。action段就是以on关键字开头的一部分命令组成的区域，比如：on early-init、on init及其后面跟随的各种命令，service段以service关键字开头的及其属性选项构成了一个section段，比如：

分别表示uevented服务段、logd服务段，其他依次类推。

action_for_each_trigger函数根据给定的action段字符串如early-init、init、late-init、boot等，在action_list中查询相应的action段，把qlist插入到action_queue尾部，就是把action段放到即将要执行的列表中，待执行。action_for_each_trigger把相应的段按顺序加入到队列中，其先后执行顺序就决定了段action段的执行顺序，因此，on early-init段最先执行，其次是on init、on charge(必须在充电模式下才能起作用)、on late-init等。

queue_builtin_action的作用和action_for_each_trigger差不多，主要处理以on property开头的属性服务相关的action。

进程执行到此，init.rc文件已经解析完毕，解析过程中把action段、service段、属性段等放到了“即将执行队列”待执行。

进程继续执行到一个for无限循环，从“即将执行队列”中取出action段来执行。执行者是execute_one_command函数，该函数先取出action中的command，再调用：

func函数是parse_line_action中得到的，如下所示，把func赋值为kw_func(kw)

kw_func是一个宏

然后继续找下去直到core\init\Keywords.h，在keywords.h中找到每个action中的command都有对应执行函数如下：

比如，在init.rc中开头

start ueventd对应这do_start、mkdir对应着do_mkdir函数，class_start core对应着do_class_start等。在start命令对应的do_start函数中，当service_start函数执行到如下语句时：

系统会调用execve函数执行可执行程序。对于start ueventd来说，就是执行 ueventd程序，开始启动 ueventd进程。除此之外，chmod、mount都是action中的command，分别对应do_write、do_mkdir函数，以此类推，其他action也是如此执行。

在执行action的command时就有部分服务被启动，这部分服务并没有以service关键字开头执行，那么init.rc中那些以service关键字开头的服务又是在哪里启动？

一般来说，大部分服务(在init.rc中以service关键字开头的)进程是在执行class_start时被启动的，因为这些服务进程是属于某一类别的，比如，class core、class main类别，只要在含有class_start core或class_start main的action被执行时，就会启动所有类别标识为core、main的服务。可以看到在on boot的这个动作段中含有class_start core，那么相应被启动的服务进程有logd、netd、adbd、healthd、lm、servicemanager、vold、surfaceflinger、bootanimation、netd、debuggerd、rild、drmserver、mediaserver、installd、racoon、mtpd、keystore、dumpstate、mdnsd、uncrypt、zygote等(zygote通过import命令import /init.${ro.zygote}.rc引用进来，在init.rc开始部分)，查看这些服务，发现其option选项中含有class core、class main这样的类别，用ps命令查看当前系统那些进程是init启动，以验证上文分析是否正确：

如红色字体所示，第一行就是init进程，进程号PID为1，PPID是父进程号，查看所有PPID为1的进程可知，ueventd、logd、servicemanager、zygote等都是有init进程fork并启动的，是其子进程。

除了这些android通用服务进程外，还有一些与具体硬件产品、厂商相关的服务进程等，在init.rc开头处看到如下内容：

与usb相关的服务进程都在init.usb.rc中，与厂商、硬件相关的都在init.<hardware>.rc中，比如，与wifi相关的wpa_supplicant进程、与ppoe相关的ppp进程、与电视厂商相关的显示进程、tv进程等、虚拟按键板等进程，由厂商自行创建。

init.rc文件解析完毕后，会继续解析由import导入的其他rc文件，函数调用流程：

init_parse_config_file—>parse_config—>init_parse_config_file

import关键字也是一个段second，解析过程和init.rc大致相同，不再赘述。

init进程主要做了三件事：

a. 创建/dev、/dev/pts、/proc、/sys目录，并挂载虚拟文件系统tmpfs、devpts、profs、sysfs

b. 解析init.rc等rc文件，启动系统服务进程，包括ServiceManager、Zygote、adbd、logd等

开机启动流程图

经过上文分析，本文最后给出开机启动流程图，主要以进程创建的方式描述：

图2 开机启动流程图

zygote是android部分的第一个进程，创建了ART，包括虚拟机以及各种库，最后创建了SystemServer，SystemServer用来创建系统最关键性服务包括ActivityManagerService、PowerManagerService、DisplayManagerService，随后创建了核心服务LightsService、BatteryService、AccountManagerService、VibratorService、WindowManagerService等，这些核心服务必须在ServiceManager中注册方可使用。当所有这些java层服务创建后，系统启动Launcher，系统启动过程结束。

建议继续学习：

1. 提升进入界面的速度    (阅读：1289)
2. ubuntu设置开机后台自动运行    (阅读：915)