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Android启动篇 — init原理（一）

　　Android源码下载：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/help/AOSP/

      源码编译可参考【牛肉面大神之作】：http://blog.csdn.net/cjpx00008/article/details/60474883

　　【开篇说明】

　　在【Android启示录】中，提到了主要的分析对象和分享内容，抛开Android内核级的知识点，学习Android第一步便是“init”，作为天字第一号进程，代码羞涩难懂，但是也极其重要，熟悉init的原理对后面Zygote -- SystemServer -- 核心服务等一些列源码的研究是有很大作用的，所以既然说研究Android源码，就先拿init “庖丁解牛”！

　　【正文开始】

　　Init进程，它是一个由内核启动的用户级进程，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，确切的说，它是Linux系统中用户控件的第一个进程，所以它的进程号是1。它的生命周期贯穿整个linux 内核运行的始终， linux中所有其它的进程的共同始祖均为init进程，可以通过“adb shell ps | grep init”查看进程号。

　　Android init进程的入口文件在system/core/init/init.cpp中，由于init是命令行程序，所以分析init.cpp首先应从main函数开始：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {    // 入口函数main  
  2.     if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {  
  3.         return ueventd_main(argc, argv);  
  4.     }  
  5.   
  6.     if (!strcmp(basename(argv[0]), "watchdogd")) {  
  7.         return watchdogd_main(argc, argv);  
  8.     }  
  9.   
  10.     // Clear the umask.  
  11.     umask(0);    // 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。  
  12.     add_environment("PATH", _PATH_DEFPATH);  
  13.       
  14.     bool is_first_stage = (argc == 1) || (strcmp(argv[1], "--second-stage") != 0);    // 判断是否是系统启动的第一阶段，只有启动参数中有--second-stage才为第二阶段  
  15.     // Get the basic filesystem setup we need put together in the initramdisk   
  16.     // on / and then we'll let the rc file figure out the rest.   
  17.     if (is_first_stage) {   
  18.         mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755");                        // 挂载tmpfs文件系统   
  19.         mkdir("/dev/pts", 0755);   
  20.         mkdir("/dev/socket", 0755);   
  21.         mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL);                                 // 挂载devpts文件系统   
  22.         #define MAKE_STR(x) __STRING(x)   
  23.         mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC));     // 挂载proc文件系统   
  24.         mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL);                                       // 挂载sysfs文件系统   
  25.     }  

　　以上代码主要做的工作就是：【创建文件系统目录并挂载相关的文件系统】

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     // We must have some place other than / to create the device nodes for  
  5.     // kmsg and null, otherwise we won't be able to remount / read-only  
  6.     // later on. Now that tmpfs is mounted on /dev, we can actually talk  
  7.     // to the outside world.  
  8.     open_devnull_stdio();    // 重定向标准输入输出到/dev/_null_  -->  定义在system/core/init/Util.cpp中  
  9.     // init进程通过klog_init函数，提供输出log信息的设备  -->  定义在system/core/libcutils/Klog.c中  
  10.     klog_init();      // 对klog进行初始化           
  11.     klog_set_level(KLOG_NOTICE_LEVEL);  // NOTICE level  

　　继续分析源码，接下来要做的就是初始化属性域：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     /* 03. 初始化属性域 */  
  5.     NOTICE("init %s started!\n", is_first_stage ? "first stage" : "second stage");  
  6.     if (!is_first_stage) {      // 引入SELinux机制后，通过is_first_stage区分init运行状态  
  7.         // Indicate that booting is in progress to background fw loaders, etc.  
  8.         close(open("/dev/.booting", O_WRONLY | O_CREAT | O_CLOEXEC, 0000));      /* 检测/dev/.booting文件是否可读写、创建等*/  
  9.         property_init();        // 初始化属性域 --> 定义于system/core/init/Property_service.cpp  
  10.   
  11.         // If arguments are passed both on the command line and in DT,  
  12.         // properties set in DT always have priority over the command-line ones.  
  13.         process_kernel_dt();  
  14.         process_kernel_cmdline();     // 处理内核命令行  
  15.         // Propagate the kernel variables to internal variables  
  16.         // used by init as well as the current required properties.  
  17.         export_kernel_boot_props();  
  18.     }  

　　看一下property_init方法：位于system/core/init/Property_service.cpp中

Java代码
  1. void property_init() {  
  2.     if (__system_property_area_init()) {         // 调用此函数初始化属性域  
  3.         ERROR("Failed to initialize property area\n");  
  4.         exit(1);  
  5.     }  
  6. }  

      继续分析main函数：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     /* 03. 初始化属性域 */  
  5.     /* 04. 完成SELinux相关工作 */  
  6.     // Set up SELinux, including loading the SELinux policy if we're in the kernel domain.  
  7.     selinux_initialize(is_first_stage);     // 调用selinux_initialize启动SELinux  

　　详细看一下selinux_initialize()函数：

Java代码
  1. static void selinux_initialize(bool in_kernel_domain) {     // 区分内核态和用户态  
  2.     Timer t;      //使用Timer计时，计算selinux初始化耗时  
  3.   
  4.     selinux_callback cb;  
  5.     cb.func_log = selinux_klog_callback;              // 用于打印Log的回调函数  
  6.     selinux_set_callback(SELINUX_CB_LOG, cb);  
  7.     cb.func_audit = audit_callback;                    // 用于检查权限的回调函数  
  8.     selinux_set_callback(SELINUX_CB_AUDIT, cb);  
  9.   
  10.     if (in_kernel_domain) {        // 内核态处理流程，第一阶段in_kernel_domain为true    
  11.         INFO("Loading SELinux policy...\n");        // 该行log打印不出，INFO级别   
  12.         // 用于加载sepolicy文件。该函数最终将sepolicy文件传递给kernel，这样kernel就有了安全策略配置文件  
  13.         if (selinux_android_load_policy() < 0) {  
  14.             ERROR("failed to load policy: %s\n", strerror(errno));  
  15.             security_failure();  
  16.         }  
  17.   
  18.         bool kernel_enforcing = (security_getenforce() == 1);      // 内核中读取的信息  
  19.         bool is_enforcing = selinux_is_enforcing();                // 命令行中得到的信息  
  20.         if (kernel_enforcing != is_enforcing) {  
  21.         // 用于设置selinux的工作模式。selinux有两种工作模式：  
  22.             // 1、”permissive”，所有的操作都被允许（即没有MAC），但是如果违反权限的话，会记录日志  
  23.             // 2、”enforcing”，所有操作都会进行权限检查。在一般的终端中，应该工作于enforing模式  
  24.             if (security_setenforce(is_enforcing)) {        //设置selinux的模式，是开还是关  
  25.                 ERROR("security_setenforce(%s) failed: %s\n",  
  26.                       is_enforcing ? "true" : "false", strerror(errno));  
  27.                 security_failure();    // 将重启进入recovery mode  
  28.             }  
  29.         }  
  30.   
  31.         if (write_file("/sys/fs/selinux/checkreqprot", "0") == -1) {  
  32.             security_failure();  
  33.         }  
  34.   
  35.         NOTICE("(Initializing SELinux %s took %.2fs.)\n",  
  36.                is_enforcing ? "enforcing" : "non-enforcing", t.duration());   //输出selinux的模式，与初始化耗时  
  37.     } else {   
  38.         selinux_init_all_handles(); //如果启动第二阶段，调用该函数     
  39.     }   
  40. }  

　　回到main函数中继续分析：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     /* 03. 初始化属性域 */  
  5.     /* 04. 完成SELinux相关工作 */  
  6.     /* 05. 重新设置属性 */  
  7.     // If we're in the kernel domain, re-exec init to transition to the init domain now  
  8.     // that the SELinux policy has been loaded.  
  9.     if (is_first_stage) {  
  10.         if (restorecon("/init") == -1) {    // 按selinux policy要求，重新设置init文件属性  
  11.             ERROR("restorecon failed: %s\n", strerror(errno));  
  12.             security_failure();  
  13.         }  
  14.         char* path = argv[0];  
  15.         char* args[] = { path, const_cast<char*>("--second-stage"), nullptr };     //设置参数--second-stage  
  16.    
  17.   
  18.     if (execv(path, args) == -1) {        // 执行init进程，重新进入main函数  
  19.             ERROR("execv(\"%s\") failed: %s\n", path, strerror(errno));  
  20.             security_failure();  
  21.         }  
  22.     }  
  23.   
  24.     // These directories were necessarily created before initial policy load  
  25.     // and therefore need their security context restored to the proper value.  
  26.     // This must happen before /dev is populated by ueventd.  
  27.     NOTICE("Running restorecon...\n");  
  28.     restorecon("/dev");  
  29.     restorecon("/dev/socket");  
  30.     restorecon("/dev/__properties__");  
  31.     restorecon("/property_contexts");  
  32.   
  33.     restorecon_recursive("/sys");  
  34.   
  35.     epoll_fd = epoll_create1(EPOLL_CLOEXEC);         // 调用epoll_create1创建epoll句柄  
  36.     if (epoll_fd == -1) {  
  37.         ERROR("epoll_create1 failed: %s\n", strerror(errno));  
  38.         exit(1);  
  39.     }  

　　接着往下分析：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     /* 03. 初始化属性域 */  
  5.     /* 04. 完成SELinux相关工作 */·  
  6.     /* 05. 重新设置属性 */  
  7.     /* 06. 创建epoll句柄 */  
  8.     /* 07. 装载子进程信号处理器 */  
  9.     signal_handler_init();       // 装载子进程信号处理器  

　　Note：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（程序表的空间达到上限时，系统就不能再启动新的进程了，会引起严重的系统问题）。

　　细化signal_handler_init()函数：

Java代码
  1. void signal_handler_init() {        // 函数定位于：system/core/init/Singal_handler.cpp  
  2.     // 在linux当中，父进程是通过捕捉SIGCHLD信号来得知子进程运行结束的情况  
  3.     // Create a signalling mechanism for SIGCHLD.  
  4.     int s[2];  
  5.     // 利用socketpair创建出已经连接的两个socket，分别作为信号的读、写端  
  6.     if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC, 0, s) == -1) {  
  7.         ERROR("socketpair failed: %s\n", strerror(errno));  
  8.         exit(1);  
  9.     }  
  10.   
  11.     signal_write_fd = s[0];  
  12.     signal_read_fd = s[1];  
  13.   
  14.     // Write to signal_write_fd if we catch SIGCHLD.  
  15.     struct sigaction act;  
  16.     memset(&act, 0, sizeof(act));  
  17.     // 信号处理器为SIGCHLD_handler，其被存在sigaction结构体中，负责处理SIGCHLD消息  
  18.     act.sa_handler = SIGCHLD_handler;       // 信号处理器：SIGCHLD_handler  
  19.     act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;            // 仅当进程终止时才接受SIGCHLD信号  
  20.     // 调用信号安装函数sigaction，将监听的信号及对应的信号处理器注册到内核中  
  21.     sigaction(SIGCHLD, &act, 0);  
  22.     // 相对于6.0的代码，进一步作了封装，用于终止出现问题的子进程  
  23.     ServiceManager::GetInstance().ReapAnyOutstandingChildren();  
  24.   
  25.     register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);        // 定义在system/core/init/Init.cpp  
  26. }  

　　Linux进程通过互相发送接收消息来实现进程间的通信，这些消息被称为“信号”。每个进程在处理其它进程发送的信号时都要注册处理者，处理者被称为信号处理器。

　　注意到sigaction结构体的sa_flags为SA_NOCLDSTOP。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，该标志位表示仅当进程终止时才接受SIGCHLD信号。

　　观察SIGCHLD_handler具体工作：

Java代码
  1. static void SIGCHLD_handler(int) {  
  2.     /* init进程是所有进程的父进程，当其子进程终止产生SIGCHLD信号时，SIGCHLD_handler对signal_write_fd执行写操作，由于socketpair的绑定关系，这将触发信号对应的signal_read_fd收到数据。*/  
  3.     if (TEMP_FAILURE_RETRY(write(signal_write_fd, "1", 1)) == -1) {  
  4.         ERROR("write(signal_write_fd) failed: %s\n", strerror(errno));  
  5.     }  
  6. }  

　　在装在信号监听器的最后，有如下函数：register_epoll_handler(signal_read_fd, handle_signal);

Java代码
  1. void register_epoll_handler(int fd, void (*fn)()) {        // 回到init.cpp中  
  2.     epoll_event ev;  
  3.     ev.events = EPOLLIN;  
  4.     ev.data.ptr = reinterpret_cast<void*>(fn);  
  5.     // epoll_fd增加一个监听对象fd,fd上有数据到来时，调用fn处理  
  6.     // 当epoll句柄监听到signal_read_fd中有数据可读时，将调用handle_signal进行处理。  
  7.     if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) == -1) {  
  8.         ERROR("epoll_ctl failed: %s\n", strerror(errno));  
  9.     }  
  10. }  

　　【小结】

　　当init进程调用signal_handler_init后，一旦收到子进程终止带来的SIGCHLD消息后，将利用信号处理者SIGCHLD_handler向signal_write_fd写入信息； epoll句柄监听到signal_read_fd收消息后，将调用handle_signal进行处理。

Android启动篇 — init原理（一）

　　查看handle_signal函数：

Java代码
  1. static void handle_signal() {      // --> 位于system/core/init/signal_handler.cpp中  
  2.     // Clear outstanding requests.  
  3.     char buf[32];  
  4.     read(signal_read_fd, buf, sizeof(buf));  
  5.   
  6.     ServiceManager::GetInstance().ReapAnyOutstandingChildren();  
  7. }  

　　从代码中可以看出，handle_signal只是清空signal_read_fd中的数据，然后调用ServiceManager::GetInstance().ReapAnyOutstandingChildren()。

　　继续分析：

Java代码
  1. // 定义于system/core/init/service.cpp中，是一个单例对象。  
  2. ServiceManager::ServiceManager() {     // 默认private属性  
  3. }  
  4.   
  5. ServiceManager& ServiceManager::GetInstance() {  
  6.     static ServiceManager instance;  
  7.     return instance;  
  8. }  
  9. void ServiceManager::ReapAnyOutstandingChildren() {  
  10.     while (ReapOneProcess()) {    // 实际调用了ReapOneProcess函数  
  11.     }  
  12. }  

　　接下来看下ReapOneProcess这个函数：

Java代码
  1. bool ServiceManager::ReapOneProcess() {  
  2.     int status;  
  3.     //用waitpid函数获取状态发生变化的子进程pid  
  4.     //waitpid的标记为WNOHANG，即非阻塞，返回为正值就说明有进程挂掉了  
  5.     pid_t pid = TEMP_FAILURE_RETRY(waitpid(-1, &status, WNOHANG));  
  6.     if (pid == 0) {  
  7.         return false;  
  8.     } else if (pid == -1) {  
  9.         ERROR("waitpid failed: %s\n", strerror(errno));  
  10.         return false;  
  11.     }  
  12.     // 利用FindServiceByPid函数，找到pid对应的服务。  
  13.     // FindServiceByPid主要通过轮询解析init.rc生成的service_list，找到pid与参数一直的svc  
  14.     Service* svc = FindServiceByPid(pid);  
  15.       
  16.     std::string name;  
  17.     if (svc) {  
  18.         name = android::base::StringPrintf("Service '%s' (pid %d)",  
  19.                                            svc->name().c_str(), pid);  
  20.     } else {  
  21.         name = android::base::StringPrintf("Untracked pid %d", pid);  
  22.     }  
  23.   
  24.     if (WIFEXITED(status)) {  
  25.         NOTICE("%s exited with status %d\n", name.c_str(), WEXITSTATUS(status));  
  26.     } else if (WIFSIGNALED(status)) {  
  27.         NOTICE("%s killed by signal %d\n", name.c_str(), WTERMSIG(status));         // 输出服务结束原因  
  28.     } else if (WIFSTOPPED(status)) {  
  29.         NOTICE("%s stopped by signal %d\n", name.c_str(), WSTOPSIG(status));  
  30.     } else {  
  31.         NOTICE("%s state changed", name.c_str());  
  32.     }  
  33.   
  34.     if (!svc) {  
  35.         return true;  
  36.     }  
  37.   
  38.     if (svc->Reap()) {                 // 结束服务，相对于6.0作了进一步的封装，重启一些子进程，不做具体分析  
  39.         waiting_for_exec = false;  
  40.         RemoveService(*svc);           // 移除服务对应的信息  
  41.     }  
  42.   
  43.     return true;  
  44. }  

　　继续分析main()函数：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     /* 03. 初始化属性域 */  
  5.     /* 04. 完成SELinux相关工作 */·  
  6.     /* 05. 重新设置属性 */  
  7.     /* 06. 创建epoll句柄 */  
  8.     /* 07. 装载子进程信号处理器 */  
  9.     /* 08. 启动匹配属性的服务端*/  
  10.     property_load_boot_defaults();      // 进程调用property_load_boot_defaults进行默认属性配置相关的工作  
  11.     export_oem_lock_status();  
  12.   
  13.     std::string bootmode = property_get("ro.bootmode");      // 获取启动模式  
  14.     if (strncmp(bootmode.c_str(), "ffbm", 4) == 0){  
  15.     property_set("ro.logdumpd","0");  
  16.     }else{  
  17.     property_set("ro.logdumpd","1");  
  18.     }  
  19.     start_property_service();      // 启动属性服务  

　　看下property_load_boot_defaults()函数：位于system/core/init/Property_service.cpp中

Java代码
  1. // property_load_boot_defaults实际上就是调用load_properties_from_file解析配置文件       
  2. /* 09. 设置默认系统属性 */  
  3. // 然后根据解析的结果，设置系统属性  
  4. void property_load_boot_defaults() {  
  5.     load_properties_from_file(PROP_PATH_RAMDISK_DEFAULT, NULL);  
  6. }  

　　接着继续分析main：

Java代码
  1. int main(int argc, char** argv) {  
  2.     /* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */  
  3.     /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */  
  4.     /* 03. 初始化属性域 */  
  5.     /* 04. 完成SELinux相关工作 */·  
  6.     /* 05. 重新设置属性 */  
  7.     /* 06. 创建epoll句柄 */  
  8.     /* 07. 装载子进程信号处理器 */  
  9.     /* 08. 设置默认系统属性 */  
  10.     /* 09. 启动配置属性的服务端 */  
  11.     /* 10. 匹配命令和函数之间的对应关系 */  
  12.     const BuiltinFunctionMap function_map;          // system/core/init/builtins.cpp  
  13.     Action::set_function_map(&function_map);        // 在Action中保存function_map对象，记录了命令与函数之间的对应关系  

　　【结尾】

　　由于init涉及的知识点是相当多，代码之间的逻辑也是极其复杂，我在看别人的博客过程中，最反感一篇博客要看很久，往往因为琐事而放弃坚持（确切的说，随手把网页关掉了），所以我就分章节分析，尽量少源码多讲解。

　　接下来，在Android启动篇 — init原理（二）中将详细分析init.rc的解析过程。

Tags:启动 | 2017/8/28 | 发表评论

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