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

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Android进程间通信（IPC）机制Binder简要介绍和学习计划一文。

关于startService的具体用法，可以参考前面Android系统匿名共享内存Ashmem（Anonymous Shared Memory）简要介绍和学习计划一文中用到的实例，它是Activity类的一个成员函数：

package shy.luo.ashmem;

......

public class Client extends Activity implements OnClickListener {
	......
	IMemoryService memoryService = null;
	......

	@Override
	public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
		......

		IMemoryService ms = getMemoryService();
		if(ms == null) {        
			startService(new Intent("shy.luo.ashmem.server"));
		} else {
			Log.i(LOG_TAG, "Memory Service has started.");
		}

		......

		Log.i(LOG_TAG, "Client Activity Created.");
	}

	......
}

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Android系统进程间通信Binder机制在应用程序框架层的Java接口源代码分析这篇文章，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：

点击查看大图

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(ProcessRecord 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ProcessRecord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。

Step 10.ActivityManagerService.attachApplicationLocked

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 {

	......

	private final boolean attachApplicationLocked(IApplicationThread thread,
			int pid) {
		// Find the application record that is being attached...  either via
		// the pid if we are running in multiple processes, or just pull the
		// next app record if we are emulating process with anonymous threads.
		ProcessRecord app;
		if (pid != MY_PID && pid >= 0) {
			synchronized (mPidsSelfLocked) {
				app = mPidsSelfLocked.get(pid);
			}
		} else if (mStartingProcesses.size() > 0) {
			app = mStartingProcesses.remove(0);
			app.setPid(pid);
		} else {
			app = null;
		}

		......


		String processName = app.processName;
		
		......

		app.thread = thread;

		......
		
		boolean badApp = false;

		......

		// Find any services that should be running in this process...
		if (!badApp && mPendingServices.size() > 0) {
			ServiceRecord sr = null;
			try {
				for (int i=0; i<mPendingServices.size(); i++) {
					sr = mPendingServices.get(i);
					if (app.info.uid != sr.appInfo.uid
						|| !processName.equals(sr.processName)) {
							continue;
					}

					mPendingServices.remove(i);
					i--;
					realStartServiceLocked(sr, app);
					didSomething = true;
				}
			} catch (Exception e) {

				......

			}
		}

		......

		return true;
	}

	......

}

回忆一下在上面的Step 4中，以新进程的pid值作为key值保存了一个ProcessRecord在mPidsSelfLocked列表中，这里先把它取出来，存放在本地变量app中，并且将app.processName保存在本地变量processName中。

再回忆一下在上面的Step 3中，在成员变量mPendingServices中，保存了一个ServiceRecord，这里通过进程uid和进程名称将它找出来，然后通过realStartServiceLocked函数来进一步处理。

Step 11.ActivityManagerService.realStartServiceLocked
这个函数定义在frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java文件中：

class ActivityManagerProxy implements IActivityManager
{
	......

	private final void realStartServiceLocked(ServiceRecord r,
			ProcessRecord app) throws RemoteException {
		
		......

		r.app = app;
		
		......

		try {

			......
		
			app.thread.scheduleCreateService(r, r.serviceInfo);
			
			......

		} finally {

			......

		}

		......

	}

	......

}

这里的app.thread是一个ApplicationThread对象的远程接口，它是在上面的Step 6创建ActivityThread对象时作为ActivityThread对象的成员变量同时创建的，然后在Step 9中传过来的。然后调用这个远程接口的scheduleCreateService函数回到原来的ActivityThread对象中执行启动服务的操作。

Step 12. ApplicationThreadProxy.scheduleCreateService

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

class ApplicationThreadProxy implements IApplicationThread {
	
	......

	public final void scheduleCreateService(IBinder token, ServiceInfo info)
				throws RemoteException {
		Parcel data = Parcel.obtain();
		data.writeInterfaceToken(IApplicationThread.descriptor);
		data.writeStrongBinder(token);
		info.writeToParcel(data, 0);
		mRemote.transact(SCHEDULE_CREATE_SERVICE_TRANSACTION, data, null,
			IBinder.FLAG_ONEWAY);
		data.recycle();
	}

	......

}

这里通过Binder驱动程序回到新进程的ApplicationThread对象中去执行scheduleCreateService函数。

Step 13.ApplicationThread.scheduleCreateService

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

public final class ActivityThread {
	
	......

	private final class ApplicationThread extends ApplicationThreadNative {

		......

		public final void scheduleCreateService(IBinder token,
		ServiceInfo info) {
			CreateServiceData s = new CreateServiceData();
			s.token = token;
			s.info = info;

			queueOrSendMessage(H.CREATE_SERVICE, s);
		}

		......

	}

	......

}

这里调用ActivityThread的queueOrSendMessage将一个CreateServiceData数据放到消息队列中去，并且分开这个消息。注意，这里已经是在上面Step 4创建的新进程中执行了。

Step 14.ActivityThread.queueOrSendMessage

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 queueOrSendMessage(int what, Object obj) {
		queueOrSendMessage(what, obj, 0, 0);
	}

	private final void queueOrSendMessage(int what, Object obj, int arg1, int arg2) {
		synchronized (this) {
			......
			Message msg = Message.obtain();
			msg.what = what;
			msg.obj = obj;
			msg.arg1 = arg1;
			msg.arg2 = arg2;
			mH.sendMessage(msg);
		}
	}

	......

}

这里调用成员变量mH的sendMessage函数进行消息分发。这里的mH的类型为H，它继承于Handler类。

Step 15. H.sendMessage

这个函数继承于Handle类的sendMessage函数中，定义在frameworks/base/core/java/android/os/Handler.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。消息分发以后，就进入到H.handleMessage函数进行处理了。

Step 16. H.handleMessage

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

public final class ActivityThread {
	
	......

	private final class H extends Handler {
		
		......

		public void handleMessage(Message msg) {

			......

			switch (msg.what) {

				......

				case CREATE_SERVICE:
					handleCreateService((CreateServiceData)msg.obj);
					break;

				......
			}

			......

		}

		......

	}

	......

}

这里要处理的消息是CREATE_SERVICE，它调用ActivityThread类的handleCreateService成员函数进一步处理。

Step 17.ActivityThread.handleCreateService

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 handleCreateService(CreateServiceData data) {
		// If we are getting ready to gc after going to the background, well
		// we are back active so skip it.
		unscheduleGcIdler();

		LoadedApk packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
			data.info.applicationInfo);
		Service service = null;
		try {
			java.lang.ClassLoader cl = packageInfo.getClassLoader();
			service = (Service) cl.loadClass(data.info.name).newInstance();
		} catch (Exception e) {
			if (!mInstrumentation.onException(service, e)) {
				throw new RuntimeException(
					"Unable to instantiate service " + data.info.name
					+ ": " + e.toString(), e);
			}
		}

		try {
			if (localLOGV) Slog.v(TAG, "Creating service " + data.info.name);

			ContextImpl context = new ContextImpl();
			context.init(packageInfo, null, this);

			Application app = packageInfo.makeApplication(false, mInstrumentation);
			context.setOuterContext(service);
			service.attach(context, this, data.info.name, data.token, app,
				ActivityManagerNative.getDefault());
			service.onCreate();
			mServices.put(data.token, service);
			try {
				ActivityManagerNative.getDefault().serviceDoneExecuting(
					data.token, 0, 0, 0);
			} catch (RemoteException e) {
				// nothing to do.
			}
			
		} catch (Exception e) {
			if (!mInstrumentation.onException(service, e)) {
				throw new RuntimeException(
					"Unable to create service " + data.info.name
					+ ": " + e.toString(), e);
			}
		}
	}

	......

}

这里的data.info.name就是自定义的服务类shy.luo.ashmem.Server了。

Step 18. ClassLoader.loadClass

这一步实现在上面的ActivityThread.handleCreateService函数中：

java.lang.ClassLoader cl = packageInfo.getClassLoader();
service = (Service) cl.loadClass(data.info.name).newInstance();

Step 19. Obtain Service

这一步也是实现在上面的ActivityThread.handleCreateService函数中。上面通过ClassLoader.loadClass来导入自定义的服务类shy.luo.ashmem.Server并且创建它的一个实例后，就通过强制类型转换得到一个Service类实例。前面我们说过，自己的服务类必须要继承于Service类，这里就体现出来了为什么要这样做了。

Step 20. Service.onCreate

这一步继续实现在上面的ActivityThread.handleCreateService函数中：

service.onCreate();

因为这里的service实际上是一个shy.luo.ashmem.Server类实例，因此，这里就是执行shy.luo.ashmem.Server类的onCreate函数了：

public class Server extends Service {
	
	......

	@Override
	public void onCreate() {
		......

	}

	......
}

至此，这个自定义的服务就启动起来了。

这样，Android系统在新进程中启动服务的过程就分析完成了，虽然很复杂，但是条理很清晰。它通过三次Binder进程间通信完成了服务的启动过程，分别是：

一. Step 1至Step 7，从主进程调用到ActivityManagerService进程中，完成新进程的创建；

二. Step 8至Step 11，从新进程调用到ActivityManagerService进程中，获取要在新进程启动的服务的相关信息；

三. Step 12至Step 20，从ActivityManagerService进程又回到新进程中，最终将服务启动起来。

学习完Android系统在新进程中启动服务的过程后，希望读者对Android系统的Service有一个深刻的理解。在编写Android应用程序的时候，尽量把一些计算型的逻辑以Service在形式来实现，使得这些耗时的计算能在一个独立的进程中进行，这样就能保持主进程流畅地响应界面事件，提高用户体验。