进程：每个App在启动前必须先创建一个进程，该进程是由Zygote fork出来的，进程具有独立的资源空间，用于承载App上运行的各种Activity/Service等组件。进程对于上层应用来说是完全透明的，这也是google有意为之，让App程序都是运行在Android Runtime。大多数情况一个App就运行在一个进程中，除非在AndroidManifest.xml中配置Android:process属性，或通过native代码fork进程。
线程：线程对应用开发者来说非常熟悉，比如每次new Thread().start()都会创建一个新的线程，该线程并没有自己独立的地址空间，而是与其所在进程之间资源共享。从Linux角度来说进程与线程都是一个task_struct结构体，除了是否共享资源外，并没有其他本质的区别。
在接下来的文章，会涉及到system_server进程和Zygote进程，下面简要这两个进程：
- system_server进程：是用于管理整个Java framework层，包含ActivityManager，PowerManager等各种系统服务;
- Zygote进程：是Android系统的首个Java进程，Zygote是所有Java进程的父进程，包括 system_server进程以及所有的App进程都是Zygote的子进程，注意这里说的是子进程，而非子线程。
如果想更进一步了解system_server进程和Zygote进程在整个Android系统所处的地位，可查看我的另一个文章Android系统-开篇。
进程创建图
对于大多数的应用开发者来说创建线程比较熟悉，而对于创建进程并没有太多的概念。对于系统工程师或者高级开发者，还是有很必要了解Android系统是如何一步步地创建出一个进程的。先来看一张进程创建过程的简要图：
图解：
- App发起进程：当从桌面启动应用，则发起进程便是Launcher所在进程；当从某App内启动远程进程，则发送进程便是该App所在进程。发起进程先通过binder发送消息给system_server进程；
- system_server进程：调用Process.start()方法，通过socket向zygote进程发送创建新进程的请求；
- zygote进程：在执行ZygoteInit.main()后便进入runSelectLoop()循环体内，当有客户端连接时便会执行ZygoteConnection.runOnce()方法，再经过层层调用后fork出新的应用进程；
- 新进程：执行handleChildProc方法，最后调用ActivityThread.main()方法。
接下来，依次从system_server进程发起请求到Zygote创建进程，再到新进程的运行这3大块展开讲解进程创建是一个怎样的过程。
二. system_server发起请求
1. Process.start
[-> Process.java]
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 { //【见小节2】 return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids, debugFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo, abi, instructionSet, appDataDir, zygoteArgs); } catch (ZygoteStartFailedEx ex) { throw new RuntimeException(""); } }
2. startViaZygote
[-> Process.java]
private static ProcessStartResult startViaZygote(final String processClass, final String niceName, final int uid, final int gid, final int[] gids, int debugFlags, int mountExternal, int targetSdkVersion, String seInfo, String abi, String instructionSet, String appDataDir, String[] extraArgs) throws ZygoteStartFailedEx { synchronized(Process.class) { ArrayList<String> argsForZygote = new ArrayList<String>(); argsForZygote.add("--runtime-args"); argsForZygote.add("--setuid=" + uid); argsForZygote.add("--setgid=" + gid); argsForZygote.add("--target-sdk-version=" + targetSdkVersion); if (niceName != null) { argsForZygote.add("--nice-name=" + niceName); } if (appDataDir != null) { argsForZygote.add("--app-data-dir=" + appDataDir); } argsForZygote.add(processClass); if (extraArgs != null) { for (String arg : extraArgs) { argsForZygote.add(arg); } } //【见小节3】 return zygoteSendArgsAndGetResult(openZygoteSocketIfNeeded(abi), argsForZygote); } }
该过程主要工作是生成argsForZygote数组，该数组保存了进程的uid、gid、groups、target-sdk、nice-name等一系列的参数。
3. zygoteSendArgsAndGetResult
[-> Process.java]
private static ProcessStartResult zygoteSendArgsAndGetResult( ZygoteState zygoteState, ArrayList<String> args) throws ZygoteStartFailedEx { try { //其中zygoteState 【见小节3.1】 final BufferedWriter writer = zygoteState.writer; final DataInputStream inputStream = zygoteState.inputStream; writer.write(Integer.toString(args.size())); writer.newLine(); int sz = args.size(); for (int i = 0; i < sz; i++) { String arg = args.get(i); if (arg.indexOf('\n') >= 0) { throw new ZygoteStartFailedEx( "embedded newlines not allowed"); } writer.write(arg); writer.newLine(); } writer.flush(); ProcessStartResult result = new ProcessStartResult(); //等待socket服务端（即zygote）返回新创建的进程pid; //对于等待时长问题，Google正在考虑此处是否应该有一个timeout，但目前是没有的。 result.pid = inputStream.readInt(); if (result.pid < 0) { throw new ZygoteStartFailedEx("fork() failed"); } result.usingWrapper = inputStream.readBoolean(); return result; } catch (IOException ex) { zygoteState.close(); throw new ZygoteStartFailedEx(ex); } }
这个方法的主要功能是通过socket通道向Zygote进程发送一个参数列表，然后进入阻塞等待状态，直到远端的socket服务端发送回来新创建的进程pid才返回。
3.1 openZygoteSocketIfNeeded
private static ZygoteState openZygoteSocketIfNeeded(String abi) throws ZygoteStartFailedEx { if (primaryZygoteState == null || primaryZygoteState.isClosed()) { try { //向主zygote发起connect()操作 primaryZygoteState = ZygoteState.connect(ZYGOTE_SOCKET); } catch (IOException ioe) { ... } } if (primaryZygoteState.matches(abi)) { return primaryZygoteState; } if (secondaryZygoteState == null || secondaryZygoteState.isClosed()) { //当主zygote没能匹配成功，则采用第二个zygote，发起connect()操作 secondaryZygoteState = ZygoteState.connect(SECONDARY_ZYGOTE_SOCKET); } if (secondaryZygoteState.matches(abi)) { return secondaryZygoteState; } ... }
openZygoteSocketIfNeeded(abi)方法是根据当前的abi来选择与zygote还是zygote64来进行通信。
三. Zygote创建进程
文章Android系统启动-zygote篇已介绍，简单来说就是Zygote进程是由由init进程而创建的，进程启动之后调用ZygoteInit.main()方法，经过创建socket管道，预加载资源后，便进程runSelectLoop()方法。
4. ZygoteInit.main
[–>ZygoteInit.java]
public static void main(String argv[]) { try { runSelectLoop(abiList); //【见小节5】 .... } catch (MethodAndArgsCaller caller) { caller.run(); //【见小节16】 } catch (RuntimeException ex) { closeServerSocket(); throw ex; } }
后续会讲到runSelectLoop()方法会抛出异常MethodAndArgsCaller，从而进入caller.run()方法。
5. runSelectLoop
[-> ZygoteInit.java]
private static void runSelectLoop(String abiList) throws MethodAndArgsCaller { ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList<FileDescriptor>(); ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList<ZygoteConnection>(); //sServerSocket是socket通信中的服务端，即zygote进程。保存到fds[0] fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor()); peers.add(null); 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有事件到来则往下执行，否则阻塞在这里 Os.poll(pollFds, -1); } catch (ErrnoException ex) { ... } for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) { //采用I/O多路复用机制，当接收到客户端发出连接请求 或者数据处理请求到来，则往下执行； // 否则进入continue，跳出本次循环。 if ((pollFds[i].revents & POLLIN) == 0) { continue; } if (i == 0) { //即fds[0]，代表的是sServerSocket，则意味着有客户端连接请求； // 则创建ZygoteConnection对象,并添加到fds。//【见小节5.1】 ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer(abiList); peers.add(newPeer); fds.add(newPeer.getFileDesciptor()); //添加到fds. } else { //i>0，则代表通过socket接收来自对端的数据，并执行相应操作【见小节6】 boolean done = peers.get(i).runOnce(); if (done) { peers.remove(i); fds.remove(i); //处理完则从fds中移除该文件描述符 } } } } }
该方法主要功能：
- 客户端通过openZygoteSocketIfNeeded()来跟zygote进程建立连接。zygote进程收到客户端连接请求后执行accept()；然后再创建ZygoteConnection对象,并添加到fds数组列表；
- 建立连接之后，可以跟客户端通信，进入runOnce()方法来接收客户端数据，并执行进程创建工作。
5.1 acceptCommandPeer
[-> ZygoteInit.java]
private static ZygoteConnection acceptCommandPeer(String abiList) { try { return new ZygoteConnection(sServerSocket.accept(), abiList); } catch (IOException ex) { ... } }
接收客户端发送过来的connect()操作，Zygote作为服务端执行accept()操作。再后面客户端调用write()写数据，Zygote进程调用read()读数据。
没有连接请求时会进入休眠状态，当有创建新进程的连接请求时，唤醒Zygote进程，创建Socket通道ZygoteConnection，然后执行ZygoteConnection的runOnce()方法。
6. runOnce
[-> ZygoteConnection.java]
boolean runOnce() throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller { String args[]; Arguments parsedArgs = null; FileDescriptor[] descriptors; try { //读取socket客户端发送过来的参数列表 args = readArgumentList(); descriptors = mSocket.getAncillaryFileDescriptors(); } catch (IOException ex) { closeSocket(); return true; } PrintStream newStderr = null; if (descriptors != null && descriptors.length >= 3) { newStderr = new PrintStream(new FileOutputStream(descriptors[2])); } int pid = -1; FileDescriptor childPipeFd = null; FileDescriptor serverPipeFd = null; try { //将binder客户端传递过来的参数，解析成Arguments对象格式 parsedArgs = new Arguments(args); ... int [] fdsToClose = { -1, -1 }; FileDescriptor fd = mSocket.getFileDescriptor(); if (fd != null) { fdsToClose[0] = fd.getInt$(); } fd = ZygoteInit.getServerSocketFileDescriptor(); if (fd != null) { fdsToClose[1] = fd.getInt$(); } fd = null; //【见小节7】 pid = Zygote.forkAndSpecialize(parsedArgs.uid, parsedArgs.gid, parsedArgs.gids, parsedArgs.debugFlags, rlimits, parsedArgs.mountExternal, parsedArgs.seInfo, parsedArgs.niceName, fdsToClose, parsedArgs.instructionSet, parsedArgs.appDataDir); } catch (Exception e) { ... } try { if (pid == 0) { //子进程执行 IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd); serverPipeFd = null; //【见小节13】 handleChildProc(parsedArgs, descriptors, childPipeFd, newStderr); // 不应到达此处，子进程预期的是抛出异常ZygoteInit.MethodAndArgsCaller或者执行exec(). return true; } else { //父进程执行 IoUtils.closeQuietly(childPipeFd); childPipeFd = null; return handleParentProc(pid, descriptors, serverPipeFd, parsedArgs); } } finally { IoUtils.closeQuietly(childPipeFd); IoUtils.closeQuietly(serverPipeFd); } }
7. forkAndSpecialize
[-> Zygote.java]
public static int forkAndSpecialize(int uid, int gid, int[] gids, int debugFlags, int[][] rlimits, int mountExternal, String seInfo, String niceName, int[] fdsToClose, String instructionSet, String appDataDir) { VM_HOOKS.preFork(); //【见小节8】 int pid = nativeForkAndSpecialize( uid, gid, gids, debugFlags, rlimits, mountExternal, seInfo, niceName, fdsToClose, instructionSet, appDataDir); //【见小节9】 ... VM_HOOKS.postForkCommon(); //【见小节11】 return pid; }
VM_HOOKS是Zygote对象的静态成员变量：VM_HOOKS = new ZygoteHooks();
7.1 Zygote进程
先说说Zygote进程，如下图：
从图中可知Zygote进程有4个Daemon子线程分别是ReferenceQueueDaemon，FinalizerDaemon，FinalizerWatchdogDaemon，HeapTaskDaemon。图中线程名显示的并不完整是由于底层的进程结构体task_struct是由长度为16的char型数组保存，超过15个字符便会截断。
可能有人会问zygote64进程不是还有system_server，com.android.phone等子线程，怎么会只有4个呢？那是因为这些并不是Zygote子线程，而是Zygote的子进程。在图中用红色圈起来的是进程的VSIZE，virtual size)，代表的是进程虚拟地址空间大小。线程与进程的最为本质的区别便是是否共享内存空间，图中VSIZE和Zygote进程相同的才是Zygote的子线程，否则就是Zygote的子进程。
8. preFork
[-> ZygoteHooks.java]
public void preFork() { Daemons.stop(); //停止4个Daemon子线程【见小节8.1】 waitUntilAllThreadsStopped(); //等待所有子线程结束【见小节8.2】 token = nativePreFork(); //完成gc堆的初始化工作【见小节8.3】 }
8.1 Daemons.stop
public static void stop() { HeapTaskDaemon.INSTANCE.stop(); //Java堆整理线程 ReferenceQueueDaemon.INSTANCE.stop(); //引用队列线程 FinalizerDaemon.INSTANCE.stop(); //析构线程 FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.stop(); //析构监控线程 }
此处守护线程Stop方式是先调用目标线程interrrupt()方法，然后再调用目标线程join()方法，等待线程执行完成。
8.2 waitUntilAllThreadsStopped
private static void waitUntilAllThreadsStopped() { File tasks = new File("/proc/self/task"); // 当/proc中线程数大于1，就出让CPU直到只有一个线程，才退出循环 while (tasks.list().length > 1) { Thread.yield(); } }
8.3 nativePreFork
nativePreFork通过JNI最终调用如下方法：
[-> dalvik_system_ZygoteHooks.cc]
static jlong ZygoteHooks_nativePreFork(JNIEnv* env, jclass) { Runtime* runtime = Runtime::Current(); runtime->PreZygoteFork(); // 见下文 if (Trace::GetMethodTracingMode() != TracingMode::kTracingInactive) { Trace::Pause(); } //将线程转换为long型并保存到token，该过程是非安全的 return reinterpret_cast<jlong>(ThreadForEnv(env)); }
至于runtime->PreZygoteFork的过程：
void Runtime::PreZygoteFork() { // 堆的初始化工作。这里就不继续再往下追art虚拟机 heap_->PreZygoteFork(); }
VM_HOOKS.preFork()的主要功能便是停止Zygote的4个Daemon子线程的运行，等待并确保Zygote是单线程（用于提升fork效率），并等待这些线程的停止，初始化gc堆的工作, 并将线程转换为long型并保存到token
