android的init过程分析

前言
  Android系统是运作在linux kernal上的,因此它的启动过程也遵循linux的启动过程,当linux内核启动之后,运行的第一个进程是init,这个进程是一个守护进程,它的生命周期贯穿整个linux 内核运行的始终, linux中所有其他的进程的共同始祖均为init进程。当然为了启动并运行整个android系统,google实现了自己的init进程,下面主要分析init进程都做了些什么?

  1.首先,init是一个守护进程,为了防止init的子进程成为僵尸进程(zombie process),需要init在子进程在结束时获取子进程的结束码,通过结束码将程序表中的子进程移除,防止成为僵尸进程的子进程占用程序表的空间,当程序表的空间达到上限时,则系统就不能再启动新的进程了,那么就会引起很严重的系统问题。
  在linux当中,父程序是通过捕捉SIGCHLD信号来得知子进程结束的情况的;由于系统默认在子进程暂停时也会发送信号SIGCHLD,init需要忽略子进程在暂停时发出的SIGCHLD信号,因此将act.sa_flags 置为SA_NOCLDSTOP,该标志位的含义是就是要求系统在子进程暂停时不发送SIGCHLD信号。具体的代码如下所示:(在我的system/core/init/init.c的main函数里面没有发现下面这段代码)

    struct sigaction act;
    ………………
    act.sa_handler = sigchld_handler;
    act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;
    act.sa_mask = 0;
    act.sa_restorer = NULL;
    sigaction(SIGCHLD, &act, 0);

  2.创建文件系统目录并挂载相关的文件系统

    /* clear the umask */
    umask(0);

        /* 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.
         */
    mkdir("/dev", 0755);
    mkdir("/proc", 0755);
    mkdir("/sys", 0755);

    mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", 0, "mode=0755");
    mkdir("/dev/pts", 0755);
    mkdir("/dev/socket", 0755);
    mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);
    mount("proc", "/proc", "proc", 0, NULL);
    mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);

  1 清除屏蔽字(file mode creation mask),保证新建的目录的访问权限不受屏蔽字影响.
  2 在init初始化过程中,Android分别挂载了tmpfs,devpts,proc,sysfs 4类文件系统

  tmpfs文件系统
  tmpfs是一种虚拟内存文件系统,因此它会将所有的文件存储在虚拟内存中,并且tmpfs下的所有内容均为临时性的内容,如果你将tmpfs文件系统卸载后,那么其下的所有的内容将不复存在。
  tmpfs有些像虚拟磁盘(ramdisk),但不是一回事。说其像虚拟磁盘,是因为它可以使用你的RAM,但它也可以使用你的交换分区。传统的虚拟磁盘是一个块设备,而且需要一个mkfs之类的命令格式化它才能使用。tmpfs是一个独立的文件系统,不是块设备,只要挂接,立即就可以使用。
  tmpfs的大下是不确定的,它最初只有很小的空间,但随着文件的复制和创建,它的大小就会不断变化,换句话说,它会根据你的实际需要而改变大小;tmpfs的速度非常惊人,毕竟它是驻留在RAM中的,即使用了交换分区,性能仍然非常卓越;由于tmpfs是驻留在RAM的,因此它的内容是不持久的,断电后,tmpfs的内容就消失了,这也是被称作tmpfs的根本原因。
    关于tmpfs文件系统请参考linux内核文档:kernel/Documentation/filesystems/tmpfs.txt

  devpts文件系统   
  devpts文件系统为伪终端提供了一个标准接口,它的标准挂接点是/dev/pts。只要pty的主复合设备/dev/ptmx被打开,就会在/dev/pts下动态的创建一个新的pty设备文件。

  proc文件系统
  proc文件系统是一个非常重要的虚拟文件系统,它可以看作是内核内部数据结构的接口,通过它我们可以获得系统的信息,同时也能够在运行时修改特定的内核参数。
  在proc文件系统中,你可以修改内核的参数,是不是很强大?怎么修改呢?你只需要echo一个新的值到对应的文件中即可,但是如果在修改过程中发生错误的话,那么你将别无选择,只能重启设备。
  关于tmpfs文件系统请参考linux内核文档:kernel/Documentation/filesystems/proc.txt

  sysfs文件系统
  与proc文件系统类似,sysfs文件系统也是一个不占有任何磁盘空间的虚拟文件系统。它通常被挂接在/sys目录下。sysfs文件系统是Linux2.6内核引入的,它把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的文件,使得它们可以在用户空间存取。

  3.屏蔽标准的输入输出,即标准的输入输出定向到NULL设备。
  这一步是通过调用函数open_devnull_stdio实现的,下面我们研究一下open_devnull_stdio的函数实现

void open_devnull_stdio(void)
{
    int fd;
    static const char *name = "/dev/__null__";

    //创建一个字符专用文件(character special  file) /dev/__null__ 
    if (mknod(name, S_IFCHR | 0600, (1 << 8) | 3) == 0) {
            //获取/dev/__null__的文件描述符,并输出该文件
              fd = open(name, O_RDWR);
            unlink(name);
            //将与进程相关的标准输入(0),标准输出(1),标准错误输出(2),均定向到NULL设备
              if (fd >= 0) {
               dup2(fd, 0);
               dup2(fd, 1);
               dup2(fd, 2);
               if (fd > 2) {
                   close(fd);
            } 
            return;
        }
    }
    exit(1);
}

   这里解释一下
            dup2(fd, 0);
            dup2(fd, 1);
            dup2(fd, 2);
  过程:
  首先说明以下dup2的作用,这个函数主要是复制一个函数的描述符,一般用于重定向进程的stdin,stdout,stderr。它的原型如下:
  int dup2(int oldfd, int newfd);
            dup2(fd, 0);
            dup2(fd, 1);
            dup2(fd, 2);
  这三次调用一次将依次代表stdin,stdout,stderr的描述符0,1,2,重定向到dev/null,通过这种方式达到屏蔽标准输入输出的作用。

  4. 初始化内核log系统
  这个过程对应的源码为:log_init();
  这个函数详细实现为

void log_init(void)
{
    static const char *name = "/dev/__kmsg__";
    if (mknod(name, S_IFCHR | 0600, (1 << 8) | 11) == 0) {
        log_fd = open(name, O_WRONLY);
        //当进程在进行exec系统调用时,要确保log_fd是关闭的(通过FD_CLOEXEC标志位来设置).
        fcntl(log_fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
        unlink(name);
    }
}

  有上述实现看出内核的log输出是通过文件描述符log_fd写入的,那到底写入到什么设备呢?/dev/kmsg,这个设备则会把它收到的任何写入都作为printk的输出。printk函数是内核中运行的向控制台输出显示的函数。

5.解析init.rc
  1 Android init language
  Android init language包含四种类型语句:Actions, Commands, Services, Options。
  它的主要语法风格为:
      1>.每一个语句占据一行,所有关键字通过空格来分割。
      2>.c语言风格的反斜杠(/)将被转义为插入一个空格;
      3>.如果一个关键字含有一个或多个空格,那么怎么保证关键字完整呢?可以使用双引号来确定关键字的范围。
      4>.用于行尾的反斜杠表示续行符。
      5>.Actions和Services声明一个字段(section),紧随其后的Commands和Options均属于这个字段,在第一个字段之前的Commands和Options的没有意义。
      6>.Actions和Services有独一无二的名字,如果Actions和Services的名字有重名,那么将被视作错误。
  (1) Actions
  Actions其实就是一组被命名的Commands序列。当满足触发器的事件发生时,这个action就会被置于一个队列中,这个队列存放着将要被执行的action。其格式如下:
  on <trigger>
          <command>
          <command>
          <command>
  on是Actions的关键字,它表明下面的序列是Actions序列。
  (2) Services
  Services是有init进程启动的或者重新启动的程序。其格式如下:
  service <name> <pathname> [ <argument> ]*
          <option>
          <option>
  (3) Options
  Options是Services的修饰符,由它来指定何时并且如何启动Services程序。
  (4) Commands
  Commands即是在满足triger条件后,Actions中执行的内容。
  Options和Commands的取值在这里就不描述里,有兴趣请参考system/core/rootdir/init.rc

  2 init.rc解析过程
  我们继续回到init.c的main函数中,看init.rc的解析过程。init文件有两个init.rc和init.hardware.rc。  

  init_parse_config_file("/init.rc");//解析init.rc

  /* pull the kernel commandline and ramdisk properties file in */
  import_kernel_cmdline(0);//从/proc/cmdline读取内核启动参数,并保存到相应的变量中

    get_hardware_name(hardware, &revision);//从/proc/cpuinfo中获取硬件信息
    snprintf(tmp, sizeof(tmp), "/init.%s.rc", hardware);
    init_parse_config_file(tmp);//解析硬件相关的init信息

  着重介绍一下init_parse_config_file过程,这个函数负责init文件的解析。
       1>.首先判断关键字,只能有两种可能on或者service,通过关键字来判定section范围;
       2>.根据Actions和Services的格式对section进行逐行解析;
       3>.将解析出的内容存放到双向循环链表中。
  解析过程中的双向循环链表的使用,android用到了一个非常巧妙的链表实现方法,一般情况下如果链表的节点是一个单独的数据结构的话,那么针对不同的数据结构,都需要定义不同链表操作。
  而在初始化过程中使用到的链表则解决了这个问题,它将链表的节点定义为了一个非常精简的结构,只包含前向和后向指针,那么在定义不同的数据结构时,只需要将链表节点嵌入到数据结构中即可(linux内核list.h)。
  例如,链表节点定义如下,

    struct listnode
    {
        struct listnode *next;
        struct listnode *prev;
    };

  数据结构的定义如下,拿Action的数据结构为例,

    struct action {
        /* node in list of all actions */
        struct listnode alist;
        /* node in the queue of pending actions */
        struct listnode qlist;
        /* node in list of actions for a trigger */
        struct listnode tlist;

        unsigned hash;
        const char *name;
        
        struct listnode commands;
        struct command *current;
    };

  这样的话,所有的链表的基本操作,例如插入,删除等只会针对listnode进行操作,而不是针对特定的数据结构,如action进行操作,那么在多个数据结构使用双向链表时,链表的实现得到了统一,即精简了代码,又提高了效率。
  但是这样的链表实现,存在一个问题,链表节点listnode中只有前向和后向指针,并且前向和后向指针均指向listnode,那么我们通过什么方式来访问数据结构action的内容呢?
  在这里引入了一个宏offsetof,我们man一下这个宏的的定义,发现这个宏是结构体中成员变量的偏移量。这下大家心里是不是已经意识到怎么访问数据结构action了吧,对!就是计算链表节点在数据结构中的偏移量,来计算数据结构实例的地址。
  Android的init过程是通过下面的宏定义来实现的,

#define node_to_item(node, container, member) /
    (container *) (((char*) (node)) - offsetof(container, member))

   小结一下这种链表的优点:
    1>. 所有链表基本操作都是基于listnode指针的,因此添加类型时,不需要重复写链表基本操作函数
    2>. 一个container数据结构可以含有多个listnode成员,这样就可以同时挂到多个不同的链表中。

5.3 Actions待执行队列
  当解析完所有的init.rc内容之后,在执行这些action之前,需要按顺序将其置于一个待执行队列中,如
  action_for_each_trigger(“early-init”, action_add_queue_tail);

  还有一些没有在init.rc中定义的action,相比init.rc,这些action的共同点是没有参数,如
  queue_builtin_action(wait_for_coldboot_done_action, “wait_for_coldboot_done”);

  下面我们分析一下init中的Actions待执行队列的顺序以及功能 

    action_for_each_trigger("early-init", action_add_queue_tail);

    queue_builtin_action(wait_for_coldboot_done_action, "wait_for_coldboot_done");
    queue_builtin_action(property_init_action, "property_init");
    queue_builtin_action(keychord_init_action, "keychord_init");
    queue_builtin_action(console_init_action, "console_init");
    queue_builtin_action(set_init_properties_action, "set_init_properties");

        /* execute all the boot actions to get us started */
    action_for_each_trigger("init", action_add_queue_tail);
    action_for_each_trigger("early-fs", action_add_queue_tail);
    action_for_each_trigger("fs", action_add_queue_tail);
    action_for_each_trigger("post-fs", action_add_queue_tail);

    queue_builtin_action(property_service_init_action, "property_service_init");
    queue_builtin_action(signal_init_action, "signal_init");
    queue_builtin_action(check_startup_action, "check_startup");
    

    /* execute all the boot actions to get us started */
    action_for_each_trigger("early-boot", action_add_queue_tail);
    action_for_each_trigger("boot", action_add_queue_tail);

        /* run all property triggers based on current state of the properties */
    queue_builtin_action(queue_property_triggers_action, "queue_propety_triggers");


#if BOOTCHART
    queue_builtin_action(bootchart_init_action, "bootchart_init");
#endif

  1 early-init
  查看init.rc中的相应字符段为
  start ueventd
  这个action主要目的是通过early-init启动ueventd服务,这个服务负责uevent(user space event)的处理,uevent是内核向用户空间发出的一个时间通知,使应用程序能够有机会对该event做出反应。

  2 wait_for_coldboot_done
  android 冷过程结束后会生成dev/.coldboot_done文件,wait_for_coldboot_done这个action会等待dev/.coldboot_done文件的生成,等待时长为5s。当然这个action不会阻塞android的冷启动过程,它会没查询一次就会休眠0.1s,直到冷启动结束。

  3 property_init
  几种特殊的属性:
    1>. ro.属性,它表示只读属性,它一旦被设置就不能被修改;
    2>. net.属性,顾名思义,就是与网络相关的属性,net.属性中有一个特殊的属性:net.change,它记录了每一次最新设置和更新的net.属性,也就是每次设置和更新net.属性时则会自动的更新net.change属性,net.change属性的value就是这个被设置或者更新的net属性的name。例如我们更新了属性net.bt.name的值,由于net有属性发生了变化,那么属性服务就会自动更新net.change,将其值设置为net.bt.name。
    3>. persist.属性,以文件的形式保存在/data/property路径下。persist.属性由于将其保存在了用户空间中,所以在property_init中是不能对其更新的,只能将其更新过程交给用户来处理。
    4>. ctl.属性,虽然是以属性的形式来进行设置,其实它的目的是为了启动或关闭它指定的service
  初始化android的属性系统,整个的过程分为下面2步
    1>. 初始化属性区域(property area),主要工作是将属性设备节点/dev/properties映射到内存空间上,将整个的属性内容作为共享内存来处理,这个共享内存就是属性区域,当前android中使用全局变量__system_property_area__来标记属性区域。
    2>. 加载并设置/default.prop中定义的属性,default.prop中主要是一些“ro.”只读属性。

  4 keychord_init
  这个东东不是太理解,目前的所有service均未用到这个机制。

  5 console_init
    1>. 如果/proc/cmdline指定了控制台终端,那么优先使用这个控制台,如果没有指定,那么将使用默认控制台终端/dev/console。
       2>. 加载开机图片,参考load_565rle_image函数
        a,通过ioctl函数修改dev/tty0(即终端控制台)为图像显示模式;
        b,尝试打开/initlogo.rle,如果失败,那么将dev/tty0恢复为文本显示模式,则开机时显示”ANDROID”文字;
        c,如果打开/initlogo.rle成功,那么init将会打开Framebuffer,下面我们分析一下这个过程

        //logo.c
        static int fb_open(struct FB *fb)
        {
            //打开Framebuffer对应的设备文件/dev/graphics/fb0    
            fb->fd = open("/dev/graphics/fb0", O_RDWR);
            if (fb->fd < 0)
            return -1;
            //通过ioctl函数获得Framebuffer相关信息
            //FBIOGET_FSCREENINFO对应的是Framebuffer的固定信息
            //FBIOGET_VSCREENINFO对应的是Framebuffer的可变信息    
            if (ioctl(fb->fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb->fi) < 0)
            goto fail;
            if (ioctl(fb->fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb->vi) < 0)
            goto fail;
            //由于Framebuffer是可以被用户直接读写的,所以需要将/dev/graphics/fb0映射到用户空间的内存区。
            fb->bits = mmap(0, fb_size(fb), PROT_READ | PROT_WRITE, 
                    MAP_SHARED, fb->fd, 0);
            if (fb->bits == MAP_FAILED)
            goto fail;

            return 0;

        fail:
            close(fb->fd);
            return -1;
        }

  d,将initlogo.rle数据写到Framebuffer中。
  目前android默认是没有initlogo.rle,如果想自己添加开机图片的话,具体过程请参考http://www.cnmsdn.com/html/201005/1274855679ID5109.html

  6 set_init_properties
  设置与硬件载频相关的只读属性。

  7 init
  执行init.rc中init action字段中定义的处理。init.rc中的actions就不再一一分析了,有兴趣或者有时间在分析。

  8 property_service_init
    1>. 读取/system/build.prop,/system/default.prop, /data/local.prop以及/data/property/下的属性并将其设置;
    2>. 创建一个服务器端UNIX Domain Socket,它的socket文件路径为/dev/socket/property_service,这个socket监听来自客户端的属性修改请求.

  9 signal_init
    1>.
    2>.通过socketpair创建一对已连接的socket,将生成的两个socket设置为O_NONBLOCK模式,也就是将对socket句柄的读写操作设置为非阻塞模式。

  10 check_startup
  确保5.3.8中属性设置socket文件描述符和signal_init中signal socket文件描述符,如果两个有其一不存在,那么将退出系统。

  11 boot
  boot action主要由两部分组成,
    1>. 还是一些配置性的工作,例如基本的网络配置;ActivityManagerService中用到的进程管理和资源回收时,需要用到的优先级变量的设置等。
      2>. 启动所有init.rc声明的未指定class的service;
  具体的command为 class_start default。
  在解析init.rc时,如果service未指定class选项的话,那么会给它的classname默认的指定为“default”,而目前的init.rc中的所有的service均未指定class选项,所以命令“class_start default”将按顺序启动所有的service。
  也可以为需要一起启动,一起关闭的services指定一个相同的class,那么就可以对这些service进行统一处理了。
  还需注意:如果service中定义了disabled选项,那么不能通过class_start来启动它,只能显示的一个一个的启动。被disabled修饰的service一般是在

  12 queue_propety_triggers
  根据init.rc中action指定的property值与属性中的值比较,如果相等则执行对应的command。例如

  on property:ro.secure=0
    start console

  如果当前ro.secure的值为0,那么启动console服务

  13 bootchart_init
  Bootchart 能够对系统的性能进行分析,并生成系统启动过程的图表,以便为你提供有价值的参考信息。综合所得的信息,你就可以进行相应的改进,从而加快你的 Linux 系统启动过程。
  如果设置了Bootchart,则该过程初始化Bootchart。

5.4 init轮询过程
  以上部分将所有需要操作的action均放在了action待执行队列中,那么init进程将要进入一个死循环过程,整个android的将会运行在这个生命周期内。

  1.执行action待执行队列中的所有command;
  2.重启所有需要重启的service;
  3.注册属性设置property_set_fd,信号signal处理signal_recv_fd,keychord keychord_fd三个文件描述符的为轮询对象。

    if (!property_set_fd_init && get_property_set_fd() > 0) {
            ufds[fd_count].fd = get_property_set_fd();
            ufds[fd_count].events = POLLIN;
            ufds[fd_count].revents = 0;
            fd_count++;
            property_set_fd_init = 1;
        }
        if (!signal_fd_init && get_signal_fd() > 0) {
            ufds[fd_count].fd = get_signal_fd();
            ufds[fd_count].events = POLLIN;
            ufds[fd_count].revents = 0;
            fd_count++;
            signal_fd_init = 1;
        }
        if (!keychord_fd_init && get_keychord_fd() > 0) {
            ufds[fd_count].fd = get_keychord_fd();
            ufds[fd_count].events = POLLIN;
            ufds[fd_count].revents = 0;
            fd_count++;
            keychord_fd_init = 1;
        }

  有以上代码可见,init进程将三个描述符均定义为了POLLIN事件响应,当描述符有可读数据时,对于socket描述符,有连接请求时ufds就会收到POLLIN事件。
  
  4.下面分别对这3个文件描述符的轮询过程作简单的介绍

        nr = poll(ufds, fd_count, timeout);
        if (nr <= 0)
            continue;

        for (i = 0; i < fd_count; i++) {
            if (ufds[i].revents == POLLIN) {
                if (ufds[i].fd == get_property_set_fd())
                    handle_property_set_fd();
                else if (ufds[i].fd == get_keychord_fd())
                    handle_keychord();
                else if (ufds[i].fd == get_signal_fd())
                    handle_signal();
            }
        }

  上面的代码为轮询的总体体现,当有POLLIN事件发生时,相应的ufds[i].revents就会被置为POLLIN,然后执行各自的handler
  A,property_set_fd
  收到属性设置的socket请求之后,设置相关属性。            
  B,signal_recv_fd
  当有子进程终止时,也就是service终止时,内核会给init发送SIGCHLD,此时调用注册的handler函数

    static void sigchld_handler(int s)
    {
        write(signal_fd, &s, 1);
    }

  这个handler函数是向其中的一个socket signal_fd写入数据,由于signal_init过程中初始化了一对已连接的socket signal_fd和signal_recv_fd,因此此时signal_recv_fd会收到向signal_fd写入的数据,然后查询那个service终止,然后根据该service的属性来作相关的操作,是重启还是结束进行资源回收。
  C,keychord_fd
  目前的init过程中没有service执行keychord机制。
转载:http://blog.csdn.net/windskier/article/details/6416547

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