Android系统在新进程中启动自定义服务过程（startService）的原理分析（上）

2024-11-29 来源：个人技术集锦

在编写Android应用程序时，我们一般将一些计算型的逻辑放在一个独立的进程来处理，这样主进程仍然可以流畅地响应界面事件，提高用户体验。Android系统为我们提供了一个Service类，我们可以实现一个以Service为基类的服务子类，在里面实现自己的计算型逻辑，然后在主进程通过startService函数来启动这个服务。在本文中，将详细分析主进程是如何通过startService函数来在新进程中启动自定义服务的。

在主进程调用startService函数时，会通过Binder进程间通信机制来通知ActivitManagerService来创建新进程，并且启动指定的服务。在Android系统中，Binder进程间通信机制使用非常广泛，因此，希望读者在继续阅读下面的内容之前，对Android系统和Binder进程间通信机制有一定的了解，具体可以参考前面一文。

关于startService的具体用法，可以参考前面一文中用到的实例，它是Activity类的一个成员函数：

这里的“shy.luo.ashmem.server”是在程序配置文件AndroidManifest.xml配置的Service的名字，用来告诉Android系统它所要启动的服务的名字：

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
package="shy.luo.ashmem"
android:sharedUserId="android.uid.system"
android:versionCode="1"
android:versionName="1.0">
<application android:icon="@drawable/icon" android:label="@string/app_name">
......
<service
android:enabled="true"
android:name=".Server"
android:process=".Server" >
<intent-filter>
<action android:name="shy.luo.ashmem.server"/>
<category android:name="android.intent.category.DEFAULT"/>
</intent-filter>
</service>
</application>
</manifest>

这里，名字“shy.luo.ashmem.server”对应的服务类为shy.luo.ashmem.Server，下面语句：

startService(new Intent("shy.luo.ashmem.server"));

就表示要在一个新的进程中启动shy.luo.ashmem.Server这个服务类，它必须继承于Android平台提供的Service类：

package shy.luo.ashmem;
......
public class Server extends Service {
......
@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
return null;
}
@Override
public void onCreate() {
......
}
......
}

下面，我们来看看Activity类中的startService成员函数是如何实现的。

先来看看Activity的类图：

从图中可以看出，Activity继承了ContextWrapper类，而在ContextWrapper类中，实现了startService函数。在ContextWrapper类中，有一个成员变量mBase，它是一个ContextImpl实例，而ContextImpl类和ContextWrapper类一样继承于Context类，ContextWrapper类的startService函数最终过调用ContextImpl类的startService函数来实现。这种类设计方法在设计模式里面，就称之为装饰模式（Decorator），或者包装模式（Wrapper）。

在ContextImpl类的startService类，最终又调用了ActivityManagerProxy类的startService来实现启动服务的操作，看到这里的Proxy关键字，回忆一下前面这篇文章，就会知道ActivityManagerProxy是一个Binder对象的远程接口了，而这个Binder对象就是我们前面所说的ActivityManagerService了。

这个ActivityManagerService类实现在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中，它是Binder进程间通信机制中的Server角色，它是随机启动的。随机启动的Server是在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件里面进行启动的，我们来看一下ActivityManagerService启动相关的代码：

class ServerThread extends Thread {
......
@Override
public void run() {
......
// Critical services...
try {
......
context = ActivityManagerService.main(factoryTest);
......
ActivityManagerService.setSystemProcess();
......
} catch (RuntimeException e) {
Slog.e("System", "Failure starting core service", e);
}
......
}
......
}

首先是调用ActivityManagerService.main函数来创建一个ActivityManagerService实例，然后通过调用ActivityManagerService.setSystemProcess函数把这个Binder实例添加Binder进程间通信机制的守护进程ServiceManager中去：

public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {
......
static ActivityManagerService mSelf;
......
public static void setSystemProcess() {
try {
ActivityManagerService m = mSelf;
ServiceManager.addService("activity", m);
......
} catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
......
}
}
......
public static final Context main(int factoryTest) {
......
ActivityManagerService m = thr.mService;
mSelf = m;
......
}
}

这样，ActivityManagerService就启动起来了。

回到ActivityManagerProxy类的startService函数中，它定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中：

class ActivityManagerProxy implements IActivityManager
{
......
public ComponentName startService(IApplicationThread caller, Intent service,
String resolvedType) throws RemoteException
{
Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken(IActivityManager.descriptor);
data.writeStrongBinder(caller != null ? caller.asBinder() : null);
service.writeToParcel(data, 0);
data.writeString(resolvedType);
mRemote.transact(START_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);
reply.readException();
ComponentName res = ComponentName.readFromParcel(reply);
data.recycle();
reply.recycle();
return res;
}
......
}

参数service是一个Intent实例，它里面指定了要启动的服务的名称，就是前面我们所说的“shy.luo.ashmem.server”了。

参数caller是一个IApplicationThread实例，它是一个在主进程创建的一个Binder对象。在Android应用程序中，每一个进程都用一个ActivityThread实例来表示，而在ActivityThread类中，有一个成员变量mAppThread，它是一个ApplicationThread实例，实现了IApplicationThread接口，它的作用是用来辅助ActivityThread类来执行一些操作，这个我们在后面会看到它是如何用来启动服务的。

参数resolvedType是一个字符串，它表示service这个Intent的MIME类型，它是在解析Intent时用到的。在这个例子中，我们没有指定这个Intent 的MIME类型，因此，这个参数为null。

ActivityManagerProxy类的startService函数把这三个参数写入到data本地变量去，接着通过mRemote.transact函数进入到Binder驱动程序，然后Binder驱动程序唤醒正在等待Client请求的ActivityManagerService进程，最后进入到ActivityManagerService的startService函数中。

ActivityManagerService的startService函数的处理流程如下图所示：

在这个序列图中，一共有20个步骤，下面说明每一步。

Step 1. ActivityManagerService.startService

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {
......
public ComponentName startService(IApplicationThread caller, Intent service,
String resolvedType) {
// Refuse possible leaked file descriptors
if (service != null && service.hasFileDescriptors() == true) {
throw new IllegalArgumentException("File descriptors passed in Intent");
}
synchronized(this) {
final int callingPid = Binder.getCallingPid();
final int callingUid = Binder.getCallingUid();
final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
ComponentName res = startServiceLocked(caller, service,
resolvedType, callingPid, callingUid);
Binder.restoreCallingIdentity(origId);
return res;
}
}
......
}

这里的参数caller、service和resolvedType分别对应ActivityManagerProxy.startService传进来的三个参数。

Step 2. ActivityManagerService.startServiceLocked
这个函数同样定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {
......
ComponentName startServiceLocked(IApplicationThread caller,
Intent service, String resolvedType,
int callingPid, int callingUid) {
synchronized(this) {
......
ServiceLookupResult res =
retrieveServiceLocked(service, resolvedType,
callingPid, callingUid);
......
ServiceRecord r = res.record;
......
if (!bringUpServiceLocked(r, service.getFlags(), false)) {
return new ComponentName("!", "Service process is bad");
}
return r.name;
}
}
......
}

函数首先通过retrieveServiceLocked来解析service这个Intent，就是解析前面我们在AndroidManifest.xml定义的Service标签的intent-filter相关内容，然后将解析结果放在res.record中，然后继续调用bringUpServiceLocked进一步处理。

Step 3. ActivityManagerService.bringUpServiceLocked
这个函数同样定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {
......
private final boolean bringUpServiceLocked(ServiceRecord r,
int intentFlags, boolean whileRestarting) {
......
final String appName = r.processName;
......
// Not running -- get it started, and enqueue this service record
// to be executed when the app comes up.
if (startProcessLocked(appName, r.appInfo, true, intentFlags,
"service", r.name, false) == null) {
......
return false;
}
if (!mPendingServices.contains(r)) {
mPendingServices.add(r);
}
return true;
}
......
}

这里的appName便是我们前面在AndroidManifest.xml文件定义service标签时指定的android:process属性值了，即“.Server”。

接着调用startProcessLocked函数来创建一个新的进程，以便加载自定义的Service类。最后将这个ServiceRecord保存在成员变量mPendingServices列表中，后面会用到。

Step 4. ActivityManagerService.startProcessLocked

这个函数同样定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {
......
private final void startProcessLocked(Proce***ecord app,
String hostingType, String hostingNameStr) {
......
try {
......
int pid = Process.start("android.app.ActivityThread",
mSimpleProcessManagement ? app.processName : null, uid, uid,
gids, debugFlags, null);
......
if (pid == 0 || pid == MY_PID) {
......
} else if (pid > 0) {
app.pid = pid;
app.removed = false;
synchronized (mPidsSelfLocked) {
this.mPidsSelfLocked.put(pid, app);
......
}
} else {
......
}
} catch (RuntimeException e) {
......
}
}
......
}

这里调用Process.start函数创建了一个新的进程，指定新的进程执行android.app.ActivityThread类。最后将表示这个新进程的Proce***ecord保存在mPidSelfLocked列表中，后面会用到。

Step 5. Process.start

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/os/Process.java文件中，这个函数我们就不看了，有兴趣的读者可以自己研究一下。在这个场景中，它就是新建一个进程，然后导入android.app.ActivityThread这个类，然后执行它的main函数。

Step 6. ActivityThread.main
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

public final class ActivityThread {
......
public static final void main(String[] args) {
......
Looper.prepareMainLooper();
......
ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);
......
Looper.loop();
......
thread.detach();
......
}
}

注意，执行到这里的时候，已经是在上一步创建的新进程里面了，即这里的进程是用来启动服务的，原来的主进程已经完成了它的命令，返回了。

前面我们提到，在Android应用程序中，每一个进程对应一个ActivityThread实例，所以，这个函数会创建一个thread实例，然后调用ActivityThread.attach函数进一步处理。

Step 7. ActivityThread.attach

这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java文件中：

public final class ActivityThread {
......
private final void attach(boolean system) {
......
if (!system) {
......
IActivityManager mgr = ActivityManagerNative.getDefault();
try {
mgr.attachApplication(mAppThread);
} catch (RemoteException ex) {
}
} else {
......
}
......
}
......
}

从Step 6中，这里传进来的参数system为false。成员变量mAppThread是一个ApplicationThread实例，我们在前面已经描述过这个实例的作用，它是用来辅助ActivityThread来执行一些操作的。

调用ActivityManagerNative.getDefault函数得到ActivityManagerService的远程接口，即ActivityManagerProxy，接着调用它的attachApplication函数。

Step 8. ActivityManagerProxy.attachApplication
这个函数定义在frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java文件中：

class ActivityManagerProxy implements IActivityManager
{
......
public void attachApplication(IApplicationThread app) throws RemoteException
{
Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
data.writeInterfaceToken(IActivityManager.descriptor);
data.writeStrongBinder(app.asBinder());
mRemote.transact(ATTACH_APPLICATION_TRANSACTION, data, reply, 0);
reply.readException();
data.recycle();
reply.recycle();
}
......
}

这个函数主要是将新进程里面的IApplicationThread实例通过Binder驱动程序传递给ActivityManagerService。

Step 9. ActivityManagerService.attachApplication

这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

public final class ActivityManagerService extends ActivityManagerNative
implements Watchdog.Monitor, BatteryStatsImpl.BatteryCallback {
......
public final void attachApplication(IApplicationThread thread)
{
synchronized (this) {
int callingPid = Binder.getCallingPid();
final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
attachApplicationLocked(thread, callingPid);
Binder.restoreCallingIdentity(origId);
}
}
......
}

这里通过调用attachApplicationLocked函数进一步处理。

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