详解 Android 是如何启动的

摘要

本文是 Android 系统学习系列文章中的第一章节,从大体上说明 Android 系统是如何启动的?从开机到程序启动,发生了那些步骤,这些步骤意味着什么?欢迎进入今天的「走进科学」,逃 :)。对此系列感兴趣的同学,可以收藏这个链接 Android 系统学习,也可以点击 RSS订阅 进行订阅。

 


系统分区划分

Android 达人都经历过刷机的体验,如果通过 fastboot 来进行刷机的话,会在刷机界面看到如下的几个步骤。这些步骤是做什么用的?就是通过 fastboot 协议更新和烧录到 Android 手机对应的分区上。对 fastboot 感兴趣的同学,可以点击这个 链接 进行查看。

从 fastboot 的烧录过程中可以看出 Android 系统的大致分区,这里我也通过 adb shell 中的 df 命令查看了小米手机中的系统分区,如下图所示。

xiaomi_file_system

一般而言,虽然各个手机厂商在在系统上的实现不一致,Android 系统分为下面表格中的几个部分。

android-partitions

分区 功能
boot 系统引导分区,包含着android 内核,系统没有这个无法启动。这一部分的镜像在 boot unlocked 时,也能够被擦除,但在这个过程中,不能被打断,关机等等,否者会导致系统无法启动。
system Android 整个系统所在地,也包含预装的应用(这是预装的APP,手机厂商盈利的一种渠道),
recovery 备份分区,启动时可进入 recovery ,然后在这个模式下进行相应的 recovery 操作。
data 应用程序相关的数据,例如你安装的豌豆荚,数据就放在 /data/data/com.wandoujia.phoenix2 下面,当进行恢复出厂设置时,这部分数据会被擦除掉。
cache 用于存放缓存相关的数据。
misc 存放一些硬件配置、USB 配置等等信息,如果被擦除可能会导致某些系统设备无法正常工作。

Android 系统启动

如我们所知,Android 系统是基于 Linux 系统开发而成,在其中针对移动设备的特性进行了相应的调整,所以 Android 系统大体上可以分为 Linux 内核部分和 应用系统部分。在 Android 系统启动的时候,也会先启动 Linux 内核,然后再启动应用系统。整个启动步骤分为 6 个部分,在下面进行详细的描述。

07115949n944zi559xt1zt.jpg.thumb

启动电源以及系统启动

当电源按下,引导芯片代码开始从预定义的地方(固化在ROM)开始执行。加载引导程序到RAM,然后执行。

Boot Loader

Android系统是基于Linux操作系统的,所以它最初的启动过程跟Linux一样。当设备通电时,首先执行BootLoader引导装载器,BootLoader是在操作系统内核运行之前运行的一小段程序。BootLoader 的概念在各个操作系统 windows, mac, Android 中都存在。通过这段小程序初始化硬件设置,建立内存空间映射图,从而将系统的软硬件环境导入到合适的状态,以使为最终调用操作系统内核准备好正确的运行环境。

BootLoader 在任何软件之前执行,因而也没有类似于虚拟机那样的概率来屏蔽不同运行环境的差异,因而某个主板都有特定的BootLoader。另一方面,iOS 系统由于其各个版本间的稳定性,因而不同版本件的 BootLoader 差异不大。另一方面,Android OS 是开源系统,其可以运行在不同的硬件上,这些硬件千差万别,因而在 Android 上的 BootLoader 也各有不同。

一般而言 BootLoader 出于锁闭状态,毕竟厂商开发出系统后,还是希望在 ROM 上的 Android 系统保持不变。因而刷机的第一步,往往是解锁 BootLoader.

总结起来,BootLoader 完成的工作是: 1. 初始化 RAM 2. 初始化基础硬件,例如 WIFI 3. 加载内核和内存空间映射图 4. 跳转到内核中

内核模块

内核模块,负责了大部分的硬件、驱动和文件系统的初始化,这部分都在内核空间完成,不涉及用户空间的内容。内核模块的初始化是非常硬件相关的,目的就是使得 CPU 能够更快地执行 C 代码,然后在这执行完毕后,初始化各个子系统,来执行 init 进程。

Init 进程

Init 进程作为第一个执行的进程,开天辟地。这个进程主要做两件事情,挂在相应的目录(/sys,/dev 等等),另一方面是执行 init.rc 脚本,可通过 init.rc 源码 查看相应的链接。

Init 进程会启动 Runtime 运行时服务,所谓的 Runtime 服务就是将中间代码静态编译成本地代码。而 Android 所使用的 Java 动态执行,所依附的正式这个 Runtime 环境。

其后,Init 进程会启动一些本地守护进程,这些守护进程启动后,会初始化其相应的模块,在其中最特别的就是 Zygote。不过 Init 进程不会直接启动 Zygote 进程,而是使用 app_process 命令来通过 Android Runtime 来启动,Android Runtime 会启动第一个 Davlik 虚拟机,并调用 Zygote 的 main 方法。

Zygote and Dalvik

对于每一个运行的程序,Android 都会赋予其单独的虚拟机,以支持其运行,但每一次新建虚拟机的开销都不小,那么如何来缩短这个时间了?尤其是针对嵌入式设备,都希望相应速度能够达到理想的状况。Zyogte 就是用来解决这个问题的,其中文意思是受精卵。从这个名字上可以看出,其余的应用进程都是通过 fork 这个进程来实现的,他们共享相同的内存区域,这样能减少不少的内存占用开销和应用启动时间。

为了加速 App 的启动,Zygote 进程会预先加载 App 在运行时所需的资源和 Class 文件到系统 RAM 中。Zygote 会监听其 Socket (/dev/socket/zygote) 来判断是否需要启动 App。每当监听到需要创建 App 的请求时,就 fork 一个进程即可。这样的好处在于最初始的 Zygote 进程,保有所有的系统 Class 和 App 启动可能需要的资源,这样一来,就不需要启动一个 App 时,动态去加载相应的资源。

监听 /dev/socket/zygote socket.

为何在 Android 中 fork Zygote 进程如此高效了?Linux Kernel 采用了 Copy-On-Write 的技术,Copy-On-Write 的意思是只有在写的时候才单独复制一份,而读的时候不进行操作。 换而言之 fork zygote 实际上并未实际复制什么东西,只有在发生写操作时,才单独复制一份。而另一方面,class 和 Resource 资源文件并不需要重新写,这些文件在绝大多数时候都是只读的。最后,实际的效果就是尽管运行着多个 APP,但实际只有一份 class 和 resource 文件在 Zygote 进程中。

System Server 和 系统服务

绝大多数 App 都是通过 fork Zygote 进程来完成了,只有一个例外,那就是 System Sever。在启动 System Server 之后,其他系统服务将自己注入到 System Server 中,同时其他系统服务也完成启动。这些服务主要包括,Power Manager,Telephony Registry,Battery Service,Window Manager等等。在这其中也包括我们熟知的 Activity ManagerActivity Manager在启动完成后,会发送一个 Intent.CATEGORY_HOME 的 intent,从而我们就能看到我们熟知的桌面。

android-launchers-2015

由于之前对 System Server 进行过详细的讲解,这里就不在赘述,感兴趣的同学可以查看这篇文章 Android Binder 全解析(2) – 设计详解

总结

上述章节把 Android 启动中发生的事情表述完毕,现在没有什么比下面这张图更能总结观点了。

android-boot


参考文献

1 13 收藏 2 评论

可能感兴趣的话题



直接登录
最新评论
跳到底部
返回顶部