Android中的进程Process

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BeesAndroid项目提供了一系列的工具、理论分析与方法论，旨在降低Android系统源码的阅读门槛，让读者更好的理解Android系统的设计与实现。第一次阅览本系列文章，请参见导读，更多文章请参见文章目录。

本篇文章开始，我们来分析Android系统中进程相关知识。

基本概念

在正式介绍进程之前，我们来思考一个问题，何为进程，进程的本质是什么，进程和线程有什么区别？🤔

我们知道，代码是静态的，有代码和资源组成的系统要想运行起来就需要一种动态的存在，进程就是程序的动态执行过程。何为进程？

进程就是处理执行状态的代码以及相关资源的集合，包括代码端段、文件、信号、CPU状态、内存地址空间等。

进程使用task_struct结构体来描述，如下所示：

●代码段：编译后形成的一些指令
●数据段：程序运行时需要的数据
○只读数据段：常量
○已初始化数据段：全局变量，静态变量
○未初始化数据段（bss)：未初始化的全局变量和静态变量
●堆栈段：程序运行时动态分配的一些内存
●PCB：进程信息，状态标识等

以上便是从Linux内核角度对进程的理解。回归到Android系统本身，我们再来看看进程。

●进程：Android系统中有诸多进程，守护进程、Zygote进程、App进程等。里应用开发最近的要属App进程了。它是由Zygote fork出来的。具有独立的虚拟地址空间，用于承载四大组件。一般说来一个App只有一个进程，当然也可以配置android:process属性或者通过native代码fork进程。
●线程：对于Linux内核来说，线程也是一个task_struct结构体，和进程并没有本质差别，但是线程没有自己独立的地址空间，而是与其所在的进程共享资源。

进程分类

前台进程

前台进程是用户目前执行操作的进程。满足下列条件之一即可：

●它正在用户的互动屏幕上运行一个 Activity（其 onResume() 方法已被调用）。
●它有一个 BroadcastReceiver 目前正在运行（其 BroadcastReceiver.onReceive() 方法正在执行）。
●它有一个 Service 目前正在执行其某个回调（Service.onCreate()、Service.onStart() 或 Service.onDestroy()）中的代码。

系统中只有少量此类进程，只有当内存极低（例如内存分页），导致这些进程也无法运行的时候，才会在最后一步终止这些进程。

可见进程

可见进程正在运行用户当前知晓的任务，满足下列条件之一即可：

●它正在运行的 Activity 在屏幕上对用户可见，但不在前台（其 onPause() 方法已被调用）。举例来说，如果前台 Activity 显示为一个对话框，而这个对话框允许在其后面看到上一个 Activity，则可能会出现这种情况。
●它有一个 Service 正在通过 Service.startForeground()（要求系统将该服务视为用户知晓或基本上对用户可见的服务）作为前台服务运行。
●系统正在使用其托管的服务实现用户知晓的特定功能，例如动态壁纸、输入法服务等。

可见进程的数量不受限制，但仍然相对受控，只有当内存偏低，系统为了使所有前台进程保持运行时，才会根据一定策略选择性的终止可见进程。

服务进程

服务进程包含一个已经使用 startService() 方法启动的Service。尽管服务进程与用户所见内容没有直接关联，但是它们通常在执行一些用户关心的操作（例如，在后台播放音乐或从网络下载数据）。因此，除非内存不足以维持所有前台进程和可见进程同时运行，否则系统会让服务进程保持运行状态。

但是随着时间的推移（例如30分钟或者更长时间）它们的优先级可能会被降低，变成下文中的缓存进程。

缓存进程

缓存进程是最不重要的进程，如果其他地方需要内存，缓存进程可以随时被终止，它们存在的目的只是为了更加高效的切换应用（减少创建进程的时间开销）。

这些进程通常会被保存在LRU列中中，列表中的最后一个进程是为了回收内存而终止的第一个进程，列表的排序顺序由操作系统根据策略来决定。

进程启动

我们先来看看我们最熟悉的应用进程是如何被创建的，前面我们已经说来每一个应用都运行在一个单独的进程里，当ActivityManagerService去启动四大组件时，如果发现这个组件所在的进程没有启动，就会去创建一个新的进程，启动进程的时机我们在分析四大组件的启动流程的时候也有讲过，这里再总结一下：

●Activity ActivityStackSupervisor.startSpecificActivityLocked()
●Service ActiveServices.bringUpServiceLocked()
●ContentProvider. ActivityManagerService.getContentProviderImpl()
●Broadcast BroadcastQueue.processNextBroadcast()

这个新进程就是zygote进程通过复制自身来创建的，新进程在启动的过程中还会创建一个Binder线程池（用来做进程通信）和一个消息循环（用来做线程通信）
整个流程如下图所示：

1当我们点击应用图标启动应用时或者在应用内启动一个带有process标签的Activity时，都会触发创建新进程的请求，这种请求会先通过Binder发送给system_server进程，也即是发送给ActivityManagerService进行处理。
2system_server进程会调用Process.start()方法，会先收集uid、gid等参数，然后通过Socket方式发送给Zygote进程，请求创建新进程。
3Zygote进程接收到创建新进程的请求后，调用ZygoteInit.main()方法进行runSelectLoop()循环体内，当有客户端连接时执行ZygoteConnection.runOnce()方法，最后fork生成新的应用进程。
4新创建的进程会调用handleChildProc()方法，最后调用我们非常熟悉的ActivityThread.main()方法。

注：整个流程会涉及Binder和Socket两种进程通信方式，这个我们后续会有专门的文章单独分析，这个就不再展开。

整个流程大致就是这样，我们接着来看看具体的代码实现，先来看一张进程启动序列图：

从第一步到第三步主要是收集整理uid、gid、groups、target-sdk、nice-name等一系列的参数，为后续启动新进程做准备。然后调用openZygoteSocketIfNeeded()方法
打开Socket通信，向zygote进程发出创建新进程的请求。

注：第二步中的Process.start()方法是个阻塞操作，它会一直等待进程创建完毕，并返回pid才会完成该方法。

我们来重点关注几个关键的函数。

Process.openZygoteSocketIfNeeded(String abi)

关于Process类与Zygote进程的通信是如何进行的呢？🤔

Process的静态内部类ZygoteState有个成员变量LocalSocket对象，它会与ZygoteInit类的成员变量LocalServerSocket对象建立连接，如下所示：

客户端

服务端

我们来具体看看代码里的实现。

建立Socket连接的流程很明朗了，如下所示：

1创建LocalSocket对象。
2将LocalSocket与LocalServerSocket建立连接，建立连接的过程就是LocalSocket对象在/dev/socket目录下查找一个名称为”zygote”的文件，然后将自己与其绑定起来，这样就建立了连接。
3创建LocalSocket的输入流，以便可以接收Zygote进程发送过来的数据。
4创建LocalSocket的输出流，以便可以向Zygote进程发送数据。

ZygoteInit.main(String argv[])

ZygoteInit是Zygote进程的启动类，该类会预加载一些类，然后便开启一个循环，等待通过Socket发过来的创建新进程的命令，fork出新的
子进程。

ZygoteInit的入口函数就是main()方法，如下所示：

可以发现ZygoteInit在其入口函数main()方法里调用runSelectLoop()开启了循环，接收Socket发来的请求。请求分为两种：

1连接请求
2数据请求

没有连接请求时Zygote进程会进入休眠状态，当有连接请求到来时，Zygote进程会被唤醒，调用acceptCommadPeer()方法创建Socket通道ZygoteConnection

然后调用runOnce()方法读取连接请求里的数据，然后创建新进程。

此外，连接的过程中服务端接受的到客户端的connect()操作会执行accpet()操作，建立连接手，客户端通过write()写数据，服务端通过read()读数据。

ZygoteConnection.runOnce()

该方法主要用来读取进程启动参数，然后调用Zygote.forkAndSpecialize()方法fork出新进程，该方法是创建新进程的核心方法，它主要会陆续调用三个
方法来完成工作：

1preFork()：先停止Zygote进程的四个Daemon子线程的运行以及初始化GC堆。这四个Daemon子线程分别为：Java堆内存管理现场、堆线下引用队列线程、析构线程与监控线程。
2nativeForkAndSpecialize()：调用Linux系统函数fork()创建新进程，创建Java堆处理的线程池，重置GC性能数据，设置进程的信号处理函数，启动JDWP线程。
3postForkCommon()：启动之前停止的Zygote进程的四个Daemon子线程。

上面的方法都完成会后，新进程会创建完成，并返回pid，接着就调用handleChildProc()来启动新进程。handleChildProc()方法会接着调用RuntimeInit.zygoteInit()来
完成新进程的启动。

RuntimeInit.zygoteInit(int targetSdkVersion, String[] argv, ClassLoader classLoader)

这个就是个关键的方法了，它主要用来创建一些运行时环境，我们来看一看。

该方法主要完成三件事：

1调用commonInit()方法创建应用进程的时区和键盘等通用信息。
2调用nativeZygoteInit()方法在应用进程中创建一个Binder线程池。
3调用applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader)方法创建应用信息。

Binder线程池我们后续的文章会分析，我们重点来看看applicationInit(targetSdkVersion, argv, classLoader)方法的实现，它主要用来完成应用的创建。

该方法里的argv参数指的就是ActivityThread，该方法会调用invokeStaticMain()通过反射的方式调用ActivityThread类的main()方法。如下所示：

走到ActivityThread类的main()方法，我们就很熟悉了，我们知道在main()方法里，会创建主线程Looper，并开启消息循环，如下所示：

前面我们从Process.start()开始讲起，分析了应用进程的创建及启动流程，既然有启动就会有结束，接下来我们从
Process.killProcess()开始讲起，继续分析进程的结束流程。

进程优先级

进程按照优先级大小不同又可以分为实时进程与普通进程。

prio值越小表示进程优先级越高，

●静态优先级：优先级不会随时间改变，内核也不会修改，只能通过系统调用改变nice值，优先级映射公式为：static_prio = MAX_RT_PRIO + nice + 20，其中MAX_RT_PRIO = 100，那么取值区间为[100, 139]；对应普通进程；
●实时优先级：取值区间为[0, MAX_RT_PRIO -1]，其中MAX_RT_PRIO = 100，那么取值区间为[0, 99]；对应实时进程；
●懂爱优先级：调度程序通过增加或者减少进程优先级，来达到奖励IO消耗型或按照惩罚CPU消耗型的进程的效果。区间范围[0, MX_PRIO-1]，其中MX_PRIO = 140，那么取值区间为[0,139]；

进程调度

进程的调度在Process类里完成。

优先级调度

优先级调度方法

进程的优先级以及对应的nice值如下所示：

●THREAD_PRIORITY_LOWEST 19 最低优先级
●THREAD_PRIORITY_BACKGROUND 10 后台
●THREAD_PRIORITY_LESS_FAVORABLE 1 比默认略低
●THREAD_PRIORITY_DEFAULT 0 默认
●THREAD_PRIORITY_MORE_FAVORABLE -1 比默认略高
●THREAD_PRIORITY_FOREGROUND -2 前台
●THREAD_PRIORITY_DISPLAY -4 显示相关
●THREAD_PRIORITY_URGENT_DISPLAY -8 显示(更为重要)，input事件
●THREAD_PRIORITY_AUDIO -16 音频相关
●THREAD_PRIORITY_URGENT_AUDIO -19 音频(更为重要)

组优先级调度

进程组优先级调度方法

组优先级及对应取值

●THREAD_GROUP_DEFAULT -1 仅用于setProcessGroup，将优先级<=10的进程提升到-2
●THREAD_GROUP_BG_NONINTERACTIVE 0 CPU分时的时长缩短
●THREAD_GROUP_FOREGROUND 1 CPU分时的时长正常
●THREAD_GROUP_SYSTEM 2 系统线程组
●THREAD_GROUP_AUDIO_APP 3 应用程序音频
●THREAD_GROUP_AUDIO_SYS 4 系统程序音频

调度策略

调度策略设置方法

●SCHED_OTHER 默认 标准round-robin分时共享策略
●SCHED_BATCH 批处理调度 针对具有batch风格（批处理）进程的调度策略
●SCHED_IDLE 空闲调度 针对优先级非常低的适合在后台运行的进程
●SCHED_FIFO 先进先出 实时调度策略，android暂未实现
●SCHED_RR 循环调度 实时调度策略，android暂未实现

进程adj调度

另外除了这些基本的调度策略，Android系统还定义了两个和进程相关的状态值，一个就是定义在ProcessList.java里的adj值，另一个
是定义在ActivityManager.java里的procState值。

定义在ProcessList.java文件，oom_adj划分为16级，从-17到16之间取值。

●UNKNOWN_ADJ 16 一般指将要会缓存进程，无法获取确定值
●CACHED_APP_MAX_ADJ 15 不可见进程的adj最大值 1
●CACHED_APP_MIN_ADJ 9 不可见进程的adj最小值 2
●SERVICE_B_AD 8 B List中的Service（较老的、使用可能性更小）
●PREVIOUS_APP_ADJ 7 上一个App的进程(往往通过按返回键)
●HOME_APP_ADJ 6 Home进程
●SERVICE_ADJ 5 服务进程(Service process)
●HEAVY_WEIGHT_APP_ADJ 4 后台的重量级进程，system/rootdir/init.rc文件中设置
●BACKUP_APP_ADJ 3 备份进程 3
●PERCEPTIBLE_APP_ADJ 2 可感知进程，比如后台音乐播放 4
●VISIBLE_APP_ADJ 1 可见进程(Visible process) 5
●FOREGROUND_APP_ADJ 0 前台进程（Foreground process） 6
●PERSISTENT_SERVICE_ADJ -11 关联着系统或persistent进程
●PERSISTENT_PROC_ADJ -12 系统persistent进程，比如telephony
●SYSTEM_ADJ -16 系统进程
●NATIVE_ADJ -17 native进程（不被系统管理）

更新进程adj值的方法定义在ActivityManagerService中，分别为：

●updateOomAdjLocked：更新adj，当目标进程为空，或者被杀则返回false；否则返回true;
●computeOomAdjLocked：计算adj，返回计算后RawAdj值;
●applyOomAdjLocked：应用adj，当需要杀掉目标进程则返回false；否则返回true。

那么进程的adj值什么时候会被更新呢？🤔

Activity

●ActivityManagerService.realStartActivityLocked: 启动Activity
●ActivityStack.resumeTopActivityInnerLocked: 恢复栈顶Activity
●ActivityStack.finishCurrentActivityLocked: 结束当前Activity
●ActivityStack.destroyActivityLocked: 摧毁当前Activity

Service

●ActiveServices.realStartServiceLocked: 启动服务
●ActiveServices.bindServiceLocked: 绑定服务(只更新当前app)
●ActiveServices.unbindServiceLocked: 解绑服务 (只更新当前app)
●ActiveServices.bringDownServiceLocked: 结束服务 (只更新当前app)
●ActiveServices.sendServiceArgsLocked: 在bringup或则cleanup服务过程调用 (只更新当前app)

BroadcastReceiver

●BroadcastQueue.processNextBroadcast: 处理下一个广播
●BroadcastQueue.processCurBroadcastLocked: 处理当前广播
●BroadcastQueue.deliverToRegisteredReceiverLocked: 分发已注册的广播 (只更新当前app)

ContentProvider

●ActivityManagerService.removeContentProvider: 移除provider
●ActivityManagerService.publishContentProviders: 发布provider (只更新当前app)
●ActivityManagerService.getContentProviderImpl: 获取provider (只更新当前app)

另外，Lowmemorykiller也会根据当前的内存情况逐级进行进程释放，一共有六个级别（上面加粗的部分）：

●CACHED_APP_MAX_ADJ
●CACHED_APP_MIN_ADJ
●BACKUP_APP_ADJ
●PERCEPTIBLE_APP_ADJ
●VISIBLE_APP_ADJ
●FOREGROUND_APP_ADJ

定义在ActivityManager.java文件，process_state划分18类，从-1到16之间取值

●PROCESS_STATE_CACHED_EMPTY 16 进程处于cached状态，且为空进程
●PROCESS_STATE_CACHED_ACTIVITY_CLIENT 15 进程处于cached状态，且为另一个cached进程(内含Activity)的client进程
●PROCESS_STATE_CACHED_ACTIVITY 14 进程处于cached状态，且内含Activity
●PROCESS_STATE_LAST_ACTIVITY 13 后台进程，且拥有上一次显示的Activity
●PROCESS_STATE_HOME 12 后台进程，且拥有home Activity
●PROCESS_STATE_RECEIVER 11 后台进程，且正在运行receiver
●PROCESS_STATE_SERVICE 10 后台进程，且正在运行service
●PROCESS_STATE_HEAVY_WEIGHT 9 后台进程，但无法执行restore，因此尽量避免kill该进程
●PROCESS_STATE_BACKUP 8 后台进程，正在运行backup/restore操作
●PROCESS_STATE_IMPORTANT_BACKGROUND 7 对用户很重要的进程，用户不可感知其存在
●PROCESS_STATE_IMPORTANT_FOREGROUND 6 对用户很重要的进程，用户可感知其存在
●PROCESS_STATE_TOP_SLEEPING 5 与PROCESS_STATE_TOP一样，但此时设备正处于休眠状态
●PROCESS_STATE_FOREGROUND_SERVICE 4 拥有给一个前台Service
●PROCESS_STATE_BOUND_FOREGROUND_SERVICE 3 拥有给一个前台Service，且由系统绑定
●PROCESS_STATE_TOP 2 拥有当前用户可见的top Activity
●PROCESS_STATE_PERSISTENT_UI 1 persistent系统进程，并正在执行UI操作
●PROCESS_STATE_PERSISTENT 0 persistent系统进程
●PROCESS_STATE_NONEXISTENT -1 不存在的进程

根据上面说描述的adj值和state值，我们可以按照重要性程度的不同，将进程划分为不同等级的进程，如下所示：

●前台进程
●可见进程
●服务进程
●缓存进程

具体的划分条件我们在上文的进程分类中已经讲过，这里不再赘述。

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