Android ART 的初始化和启动

新书上市《深入解析Android 5.0系统》

 以下内容节选自本书

ART的初始化
 下面我们从JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs()，JNI_CreateJavaVM()和JNI_GetCreatedJavaVMs()三个函数入手来了解ART的初始化过程。这三个函数的代码位于jni_internal.cc中。
 JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs()函数在ART中没有作为，只是返回JNI_ERR。如下所示：
 extern "C" jintJNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void* ) {
   return JNI_ERR;
 }
 JNI_GetCreatedJavaVMs()函数用来返回在Runtime中保存的JavaVMExt的指针，函数代码如下所示：
 extern "C" jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM**vms, jsize, jsize* vm_count) {
   Runtime* runtime =Runtime::Current();
   if (runtime == NULL) {
    *vm_count = 0;
   } else {
    *vm_count = 1;
    vms[0] = runtime->GetJavaVM();
   }
   return JNI_OK;
 }
 Runtime的GetJavaVM()函数只是返回了Runtime类的成员变量java_vm_，如下所示。
 JavaVMExt* GetJavaVM() const {
    return java_vm_;
 }
java_vm_是JavaVMExt类型的指针，定义如下：
  JavaVMExt* java_vm_;

 理解了两个简单的函数后，我们再来分析JNI_CreateJavaVM()函数，代码如下：
 extern "C" jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm,JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
   const JavaVMInitArgs* args =static_cast(vm_args);
   // 检查JNI的版本
   if(IsBadJniVersion(args->version)) {
    LOG(ERROR) << "Bad JNI version passed to CreateJavaVM: "<< args->version;
    return JNI_EVERSION;
   }
   // 保存启动参数到options中。
   Runtime::Optionsoptions;
   for (int i = 0; i <args->nOptions; ++i) {
    JavaVMOption* option = &args->options[i];
    options.push_back(std::make_pair(std::string(option->optionString),option->extraInfo));
   }
   bool ignore_unrecognized =args->ignoreUnrecognized;
   if (!Runtime::Create(options,ignore_unrecognized)) { // 创建虚拟机
    return JNI_ERR;
   }
   Runtime* runtime =Runtime::Current();
   bool started =runtime->Start();      //启动虚拟机
   if (!started) {
    delete Thread::Current()->GetJniEnv();
    delete runtime->GetJavaVM();
    return JNI_ERR; // 启动失败，方法
   }
   *p_env =Thread::Current()->GetJniEnv();
   *p_vm =runtime->GetJavaVM();
   return JNI_OK;
 }
 JNI_CreateJavaVM()函数中调用Runtime的Create()函数来创建虚拟机，然后调用start()函数来启动它。在ART中，Runtime对象的地位和Dalvik中的DvmGlobals对象gDVm类似，包含了所有重要的变量。
下面我们继续分析Create()函数：
 bool Runtime::Create(const Options& options,bool ignore_unrecognized) {
   if (Runtime::instance_ !=NULL) {
    return false;  //只能创建一个Runtime实例
   }
  InitLogging(NULL);  // Calls Locks::Init() as aside effect.
   instance_ = newRuntime;  // 创建了Runtime类的实例
   if(!instance_->Init(options, ignore_unrecognized)){ // 初始化Runtime对象
    delete instance_;
    instance_ = NULL;
    return false;
   }
   return true;
 }
 Runtime的Create()函数中创建了Runtime对象，并调用它的Init()函数进行初始化。函数代码如下：
 bool Runtime::Init(const Options&raw_options, bool ignore_unrecognized) {
   UniquePtroptions(ParsedOptions::Create(raw_options,
 ignore_unrecognized));
   ......
   QuasiAtomic::Startup();
  Monitor::Init(options->lock_profiling_threshold_,
 options->hook_is_sensitive_thread_);
   host_prefix_ =options->host_prefix_;
   boot_class_path_string_ =options->boot_class_path_string_;
   ... // 更多的赋值语句
   monitor_list_ = newMonitorList;
   thread_list_ = newThreadList;
   intern_table_ = newInternTable;
   if(options->interpreter_only_) {
    GetInstrumentation()->ForceInterpretOnly();
   }
   // 创建堆（Heap）对象
   heap_ = newgc::Heap(options->heap_initial_size_,
                       options->heap_growth_limit_,
                       ......);
   BlockSignals();
  InitPlatformSignalHandlers();
   // 创建JavaVMExt对象
   java_vm_ = new JavaVMExt(this,options.get());
  // 将当前的主线程变成一个“Java” 线程
  Thread::Startup(); 
   Thread* self =Thread::Attach("main", false, NULL, false); 
  self->TransitionFromSuspendedToRunnable();
  GetHeap()->EnableObjectValidation();
   if(GetHeap()->GetContinuousSpaces()[0]->IsImageSpace()) {
    class_linker_ = ClassLinker::CreateFromImage(intern_table_);
   } else {
    class_linker_ =ClassLinker::CreateFromCompiler(*options->boot_class_path_, intern_table_);
   }
   ......
   return true;
 }
 Init()函数最重要的工作是创建了Heap对象和ClassLinker对象。我们只要将ART和Dalvik对比一下就可以理解，因为ART模式下并不需要去解析和执行字节码，所以它的工作比Dalivk要少很多。即使应用已经编译成了可执行代码，但是同样也要支持垃圾回收功能，所以Heap模块还是必不可少的。Art的Heap模块的功能几乎和Dalvik中的相同，垃圾回收的算法也是标志并清除法，不过代码的实现更加晦涩，所以本书不打算再分析一遍Art的Heap算法了。
 ART虽然不用去装载和执行字节码，但是还是要保留所有Java类的信息，Java程序和C++程序除了内存管理方式不同外，最大的区别是Java程序能够动态的获取各种类的信息，包括方法，变量等。所以ART中同样也要提供这些功能，否则编译出来的程序也无法使用。ClassLinker类的作用就是在ART内部提供各种Java类的解析功能。

ART开始运行
 初始化完成之后，接下来是调用Runtime的start()函数开始运行，函数代码如下：
 bool Runtime::Start() {
   VLOG(startup) <<"Runtime::Start entering";
   Thread* self =Thread::Current();
  self->TransitionFromRunnableToSuspended(kNative);
   started_ = true;
  InitNativeMethods()   //初始化本地的JNI方法
   InitThreadGroups(self);
   Thread::FinishStartup();
   if (is_zygote_) {
      if (!InitZygote()) {
          return false;
      }
   } else {
      DidForkFromZygote();
   }
  StartDaemonThreads();  //调用java.lang.Daemons的start方法
   system_class_loader_ =CreateSystemClassLoader(); //创建一个ClassLoader对象
  self->GetJniEnv()->locals.AssertEmpty();
   VLOG(startup) <<"Runtime::Start exiting";
   finished_starting_ =true;
   return true;
 }
 Start()方法中会调用InitNativeMethods()来初始化本地的JNI方法，ART中也同样支持JNI函数，不过ART中对部分系统的JNI函数进行了重写，但是实现原理和Dalvik中的没有太大区别，而大部分其他模块的JNI函数还是保持不变。调用InitNativeMethods()方法后这些JNI函数就可以使用了。
接下来如果是在Zygote进程中，则会调用InitZygote()函数来进行初始化，这个函数的实现和Dalvik中的几乎一样，主要工作是设置进程的groupid，以及mountrootfs文件系统到根目录。如果不是Zygote进程，则调用DidForkFromZygote()函数，这个函数主要工作是调用Heap对象的CreateThreadPool()函数来创建线程池。
最后Start()函数中调用了StartDaemonThreads()函数，这个函数的工作是调用Java类Daemons的start()方法来启动一些Deamon线程，这些Deamon前面我们已经分析过了。这个过程实际上和Dalvik启动时完成的最后一项工作相同。
对比Dalivk启动时需要完成的工作，ART是相当的简单了。