Android AOSP 啟動程序

第一階段：硬體啟動與核心載入

這個階段從按下電源鍵開始，直到 Linux 核心準備好進入使用者空間。

1. 開機與啟動加載器 (Bootloader)

• 觸發點：當你按下電源鍵，晶片上的 ROM開始執行。
• 任務：
  • 硬體初始化：檢查並初始化關鍵硬體，例如 CPU、記憶體（RAM）和儲存設備。
  • 啟動驗證 (Verified Boot)：這是一個重要的安全機制。啟動加載器會驗證系統分區的完整性與來源，以確保沒有被惡意篡改。如果驗證失敗，設備可能無法啟動或進入警告模式。
  • 載入核心：從快閃記憶體中讀取並將 boot.img 載入到 RAM。boot.img 包含了 Linux 核心 (Kernel) 和一個 根檔案系統 (Ramdisk)。
  • 移交控制權：最後，啟動加載器會跳轉到核心的入口點，將控制權交給 Linux 核心。

2. Linux 核心啟動 (Kernel Boot)

• 觸發點：控制權從 Bootloader 轉移到 Linux 核心。
• 任務：
  • 核心自我初始化：核心開始運作，設定記憶體管理單元（MMU）、中斷控制器，並初始化各種硬體驅動程式（如 USB、WiFi、顯示等）。
  • 掛載根檔案系統 (Ramdisk)：核心會掛載 Ramdisk，這個 Ramdisk 是一個小型的、臨時的檔案系統，裡面包含了啟動 Android 所需的基礎檔案，最重要的是 init 程序。
  • 啟動 init 程序：這是從核心空間轉向使用者空間的關鍵一步。核心執行 Ramdisk 中的 init 程序，其 PID 永遠為 1。自此，所有後續的程序都將由 init 直接或間接啟動。

**第二階段：使用者空間初始化與服務啟動 **

這個階段的核心是 init 程序，它負責啟動所有 Android 系統所需的核心服務。

1. init 程序：所有程序的始祖

• 讀取與解析 .rc 檔案：init 程序會讀取位於根目錄的 init.rc 和相關的 .rc 腳本檔案。這些檔案就像一份啟動清單，定義了系統啟動時需要執行的所有服務、腳本與動作。
• 主要任務：
  • 建立虛擬檔案系統：掛載 proc、sys 等虛擬檔案系統。
  • 啟動早期服務：啟動一些底層的守護程序，例如 ueventd（處理硬體事件）和 logd（記錄系統日誌）。
  • 設定權限：根據 .rc 檔案的定義，設定檔案、目錄和程序的權限。

2. Zygote：應用程序的孵化器

• 觸發點：init.rc 會啟動 zygote 服務。
• 重要性：Zygote 是 Android 系統最獨特的設計之一。它是一個特殊的程序，為了解決 Java 應用程序啟動速度慢的問題而生。
• 運作流程：
  1. Zygote 啟動時，會啟動一個 Java 虛擬機 (VM)。
  2. 它會預先載入所有 Android 應用程序常用的核心類別庫和資源（例如 android.app.*、android.view.* 等）。
  3. 當系統需要啟動一個新的應用程序時，Zygote 會利用 fork() 系統呼叫，快速複製自己。
  4. 新複製出來的子程序擁有與 Zygote 相同的程式碼和已載入的資源，因此可以跳過類別載入的耗時步驟，實現快速啟動。

**第三階段：核心系統服務的啟動 **

這個階段由 Zygote 孵化出的 System Server 程序來完成，它是 Android 系統的核心骨幹。

1. System Server：所有系統服務的集合

• 觸發點：Zygote 啟動後，它會 fork 出第一個也是最重要的子程序——System Server。
• 任務：System Server 內部會以一個單一程序、多執行緒的方式，啟動所有核心的系統服務。這些服務是 Android 系統運作的基石。
• 關鍵服務：
  • Activity Manager Service (AMS)：負責管理所有應用程序的生命週期、任務堆疊和活動啟動。
  • Package Manager Service (PMS)：負責應用程序的安裝、卸載和版本管理，並維護所有已安裝應用的資訊。
  • Window Manager Service (WMS)：管理所有應用程序的視窗、繪圖表面和螢幕顯示。它決定了哪個視窗顯示在哪個位置，並處理視窗切換。
  • 其他重要服務：如 Power Manager Service（電源管理）、Notification Manager Service（通知管理）、Binder Service（IPC 通訊）等。

2. 跨程序通訊 (IPC) 的基石：Binder

• 啟動 Service Manager：init 啟動的一個重要服務是 Service Manager。它是一個服務註冊中心。
• 運作原理：當 System Server 啟動各個服務（如 AMS）後，這些服務會向 Service Manager 註冊。當應用程序需要使用某個服務時，它會向 Service Manager 查詢，取得該服務的 Binder 句柄，從而建立通訊。Binder 是 Android 獨有的、高效的 IPC 機制。

**第四階段：使用者介面與應用程序啟動 **

這是啟動流程的最後階段，最終將使用者帶到可互動的桌面。

1. 系統準備就緒 (System Ready)

• 觸發點：當 System Server 內部所有核心服務都啟動並完成初始化後，System Server 會發出一個廣播，宣告 系統準備就緒 (system ready)。

2. 啟動桌面應用 (Launcher)

• 觸發點：AMS 在收到系統準備就緒的通知後，會查找並啟動 Home 應用程序。
• 任務：通常，這個 Home 應用程序就是我們的 Launcher。Launcher 啟動後，它會繪製使用者介面，例如桌面圖標、應用程式列表、小工具等。

3. 總結與互動

• 當 Launcher 的 UI 顯示在螢幕上時，標誌著整個 Android AOSP 的啟動流程正式完成。
• 從 init 開始的所有使用者程序，都是 init 的子程序或子孫程序。
• 所有 Android 應用程序都是從 Zygote fork 出來的。

Summary：從硬體的啟動加載器開始，逐步深入到 Linux 核心，再到使用者空間的 init、Zygote 和 System Server，最終抵達使用者介面。這個多階段、多程序的啟動流程，確保了系統的安全性、穩定性和啟動效率。

Follow up：在了解了整個啟動流程後，如果想在 Android 系統啟動時執行一個自訂的腳本，應該在哪個階段加入程式碼最合適？為什麼？