Android系统启动流程--init进程的启动流程

这可能是个系列文章，用来总结和梳理Android系统的启动过程，以加深对Android系统相对全面的感知和理解（基于Android11）。

1.启动电源，设备上电

引导芯片代码从预定义的地方（固化在ROM，全称Read Only Memory，是一种只能读出事先所存的数据的固态半导体存储器）开始执行，加载引导程序BootLoader到RAM（RAM 是随机存取存储器，它的特点是易挥发性，即掉电失忆）并执行该程序。

2.引导程序BootLoader

BootLoader是用来引导Android操作系统启动的程序，相当于windows中的bose程序，它创建了Android系统中第一个进程idle（pid=0）。

3.Linux内核启动

idle进程创建后中做了初始化进程管理、内存管理、加载Binder Driver Display、Camera Driver等相关工作，并创建了以下两个进程(线程)，干完这些工作之后idle进程就空闲下来了。

①创建kthread（pid=2）线程，在其中创建kworker线程，软中断线程ksoftirqd，thermal守护线程（kernel中没有进程线程之分），内核线程鼻祖。

②init（pid=1）进程，它是用户空间的第一个进程，由此开始后面创建的进程都是由init或其子进程fork而来。

以上3步简单了解即可，重点从启动init进程开始。

4. init进程启动

当kernel启动后会开始启动init进程：

//文件路径： kernel/common/init/main.c

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
	int ret;

    //执行/bin/init程序
	if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
	    !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
	    !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
	    !try_to_run_init_process("/bin/sh"))
		return 0;
}

"/bin/init"是在Android系统源码编译时编译出的一个可执行程序，路径为Android设备上的"system/bin/init"，而这个init程序则是由system/core/init/main.cpp文件编译生成的(可查看同目录下的Android.bp,其中描述了编译规则)，所以执行这个init程序其实就是运行到了main.cpp的main()方法。

//文件路径 system/core/init/main.cpp

//此方法会执行多次
int main(int argc, char** argv) {
#if __has_feature(address_sanitizer)
    __asan_set_error_report_callback(AsanReportCallback);
#endif

    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);
    }

    if (argc > 1) {
        if (!strcmp(argv[1], "subcontext")) {
            android::base::InitLogging(argv, &android::base::KernelLogger);
            const BuiltinFunctionMap& function_map = GetBuiltinFunctionMap();

            return SubcontextMain(argc, argv, &function_map);
        }

        //SELinux 是由美国NSA(国安局)和 SCC 开发的 Linux的一个扩张强制访问控制安全模块
        if (!strcmp(argv[1], "selinux_setup")) { //（是从FirstStageMain()中调用到这里）
            //step2:启动selinux
            return SetupSelinux(argv);
        }

        //step3:
        if (!strcmp(argv[1], "second_stage")) {
            return SecondStageMain(argc, argv);
        }
    }

    //step1:第一次进入argv为空
    return FirstStageMain(argc, argv);
}

我们先看第一步会做哪些操作：

//文件路径：system/core/init/first_stage_init.cpp

int FirstStageMain(int argc, char** argv) {
    //安全处理，如果init进程挂掉，会重启引导加载程序
    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        InstallRebootSignalHandlers();
    }
    
    //创建和挂载启动所需的目录文件
    CHECKCALL(clearenv());
    CHECKCALL(setenv("PATH", _PATH_DEFPATH, 1));
    // Get the basic filesystem setup we need put together in the initramdisk
    // on / and then we'll let the rc file figure out the rest.
    CHECKCALL(mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755"));
    CHECKCALL(mkdir("/dev/pts", 0755));
    CHECKCALL(mkdir("/dev/socket", 0755));
    CHECKCALL(mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL));
    ...
    
    //把标准输入输出重定向到dev/null文件
    SetStdioToDevNull(argv);
    // Now that tmpfs is mounted on /dev and we have /dev/kmsg, we can actually
    // talk to the outside world...
    // 初始化日志
    InitKernelLogging(argv);

    ...
    //启动selinux
    const char* path = "/system/bin/init";
    const char* args[] = {path, "selinux_setup", nullptr};
    auto fd = open("/dev/kmsg", O_WRONLY | O_CLOEXEC);
    dup2(fd, STDOUT_FILENO);
    dup2(fd, STDERR_FILENO);
    close(fd);
    execv(path, const_cast<char**>(args)); //这里执行就会运行到上面提到的main()中selinux_setup分支
    ...
    return 1
}

总结：FirstStageMain()中主要做了以下几件事

挂载创建系统所需的文件和目录
重定向输入输出
初始化内核日志打印

接下来是第二步：

//文件路径: system/core/init/selinux.cpp

int SetupSelinux(char** argv) {
    //重定向（初始化）输入输出
    SetStdioToDevNull(argv);
	//初始化kernel日志打印
    InitKernelLogging(argv);

    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        InstallRebootSignalHandlers();
    }

    boot_clock::time_point start_time = boot_clock::now();

    MountMissingSystemPartitions();

    // Set up SELinux, loading the SELinux policy.
    // 启动selinux安全策略
    SelinuxSetupKernelLogging();
    SelinuxInitialize();

    // We're in the kernel domain and want to transition to the init domain.  File systems that
    // store SELabels in their xattrs, such as ext4 do not need an explicit restorecon here,
    // but other file systems do.  In particular, this is needed for ramdisks such as the
    // recovery image for A/B devices.
    if (selinux_android_restorecon("/system/bin/init", 0) == -1) {
        PLOG(FATAL) << "restorecon failed of /system/bin/init failed";
    }

    setenv(kEnvSelinuxStartedAt, std::to_string(start_time.time_since_epoch().count()).c_str(), 1);

    //再次执行init程序，这次走到second_stage分支
    const char* path = "/system/bin/init";
    const char* args[] = {path, "second_stage", nullptr};
    execv(path, const_cast<char**>(args));

    // execv() only returns if an error happened, in which case we
    // panic and never return from this function.
    PLOG(FATAL) << "execv(\"" << path << "\") failed";

    return 1;
}

总结：SetupSelinux()中主要做的几件事：

重定向输入输出
初始化内核日志打印
初始化selinux相关内容

接下来是第三步：

//文件路径：system/core/init/init.cpp

int SecondStageMain(int argc, char** argv) {
    //重启判断，是否重新启动引导程序
    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        InstallRebootSignalHandlers();
    }
  
    ...

    //重定向（初始化）输入输出
    SetStdioToDevNull(argv);
	//初始化kernel日志打印
    InitKernelLogging(argv);

    //初始化属性服务，property_service.cpp
    PropertyInit();

    // 再次初始化selinux
    SelinuxSetupKernelLogging();
    SelabelInitialize();
    SelinuxRestoreContext();
 
    //处理子进程的终止信号，及时清除挂掉的进程，防止出现僵尸进程
    InstallSignalFdHandler(&epoll);
    InstallInitNotifier(&epoll);
    StartPropertyService(&property_fd);

    //建立linux命令与实现其功能的函数间的关系
    const BuiltinFunctionMap& function_map = GetBuiltinFunctionMap();
    Action::set_function_map(&function_map);

    //解析init.rc文件,将解析出的内容存储到下面两个对象中
    ActionManager& am = ActionManager::GetInstance();
    ServiceList& sm = ServiceList::GetInstance();
    LoadBootScripts(am, sm);

    //循环处理init.rc脚本中的command命令，处理完就进入等待
    while (true) {
      
       if (!(prop_waiter_state.MightBeWaiting() || Service::is_exec_service_running())) {
            //内部遍历执行每个action中携带的command对应的执行函数
			am.ExecuteOneCommand();
        }
    }
    
}

总结：SecondStageMain()中主要做的几件事：

重定向输入输出
初始化内核日志打印
初始化属性服务
监听并处理挂掉的子进程
建立linux命令与实现方法的联系
初始化selinux相关内容
解析init.rc文件
执行init.rc中的action

init进程总结：

init进程会走main.cpp,然后分阶段去执行main()函数，这个调用是循环调用的方式，最后一个阶段是SecondStageMain(),里面会执行一个非常重要的方法LoadBootScripts(am,sm),这个方法解析了一个init.rc文件，并将这些命令写到了am与sm中，在while循环里通过ExecuteOneCommand去执行这些命令。其中就包含了启动zygote进程的命令。当然这个while是个死循环以保证init进程的存活，那要是没事做怎么办?那就睡眠等待，用epoll.wait.

init做的事：