Jollen 的 Android Booting 解析

Android 開機流程，是一個很值得詳細討論的主題；近期，也正在進行相關的技術工作，因此簡單整理一些相關資料，和大家分享。了解「整體開機流程」，是最重要的第一 門課。我們將開機劃分為三大階段：

1. OS-Level，由 Bootloader 載入 Linux kernel 後，開始進行 kernel 本身的初始化，並載入 built-in 的驅動程式。Kernel 完成開機後，載入 init process，切換至 user-space 後，結束 kernel 的循序過程（sequence），進入排程模式（process scheduling）。

2. Android-Level，由 init process 開始，讀取 init.rc 並啟動重要的外部程式，例如：servicemanager、Zygote 以及 SystemServer。

3. Zygote-Mode，Zygote 啟動完 SystemServer 後，進入 Zygote Mode，在 Socket 等候命令。隨後，使用者將看到一個桌面環境（Home Screen）。桌面環境由一個名為 [] 的應用程式負責提供。

整體開機流程如圖一所示。

圖一：Android 整體開機流程圖

初探 Android 開機技術的朋友，建議可以先行閱讀 init.rc 檔案，並了解 Android 的 init.rc 語法。Android init language 可參考 [] 的說明。

延伸閱讀

2010.04.24:
Jollen 的 Android 系統管理雜記, #3: init.rc 與 setprop

針對「開機過程」的評估，可以採取個別擊破的方式；針對三個不同的開機階段，分別進 行開機過程的評估。評估開機過程的典型做法，當然是測量「開機時間」。

確認訴求

費勁進行開機時間的評估，最首要的目的當然是「快速開機」，想辦法讓開機速度加快。策略上，因為手機是一種重視使用者經驗的產品，所以「儘早顯示桌 面環境」就是一個好想法。採用「一大堆」非同步的做法，可以達到很不錯的效果。簡單來說，儘速顯示桌面環境的目的，就是造成開機很快的「假象」。

因此，快速開機在智慧型手機產品端，也可以歸類到 User Experience 主題。

確認方向

OS-Level 的部份，包含 Linux kernel 本身的開機時間測量，在此先行略過。針對 Android-Level 的開機時間測量，可以採用廣受歡迎的工具 [] 來製作；對使用者來說，進入 Zygote Mode 時，已經是處於桌面環境下了，因此理論上也能先略過這個階段。

關鍵部位 (Critical Parts)

圖一：由 Android-Level 切入、尋找議題

如圖一。綜合上述，對 Android-Level 的開機過程進行評估，就是我們的首部曲，也是第一個研究方向。傳統的評估方式，是測量其開機時間；接下來，將會以知名的 Bootchart 來進行這項工作。

前一則日記提到的 Bootchart 是典型的開機量測工具，主要能進行開機過程以及開機時間的量測。由於 Bootchart 的原理是取代 init process 或是內建在 init process 裡，所以只能取得 initial script 的開機過程報告。不過，這已經很有幫助了。

關於 Android Bootchart

以下是一份使用 Bootchart 所製作的 Android 開機流程圖。過去有一些以 C 重寫 Bootchart 的專案，而 Android 也有一份 C re-implementation，放置於 []。由此可知，Android init 已經內建一份 C re-implement 的 Bootchart。

圖一：使用 Bootchart 製作的 Android 開機流程圖

以下說明如何製作 Android Bootchart。

1. 編譯 Android Bootchart

Android 的 init process 雖然已內建 Bootchart，但編譯系統預設並不會將 Bootchart 編譯至 init 裡。因此，需要重新編譯 init.c 才能加入 Bootchart：

jollen@android:~/try/mokoid_elcair-20100511$ touch system/core/init/init.c
jollen@android:~/try/mokoid_elcair-20100511$ . build/envsetup.sh 
including vendor/aosp/vendorsetup.sh
jollen@android:~/try/mokoid_elcair-20100511$ m INIT_BOOTCHART=true PRODUCT-dma6410xp-eng -j 8
============================================
PLATFORM_VERSION_CODENAME=REL
PLATFORM_VERSION=2.1-update1
TARGET_PRODUCT=dma6410xp
TARGET_BUILD_VARIANT=eng
TARGET_SIMULATOR=
TARGET_BUILD_TYPE=release
TARGET_ARCH=arm
HOST_ARCH=x86
HOST_OS=linux
HOST_BUILD_TYPE=release
BUILD_ID=ECLAIR
============================================

完成後，使用 Android 模擬器開啟製作好的 image file。

2. 設定 Bootchart Timeout 時間

要讓 Bootchart 在「下一次開機」時開始運作，以進行取樣並紀錄開機過程，需要指定 Timeout 時間：

$ adb shell 'echo 120 > /data/bootchart-start'
$ adb shell 'mkdir /data/bootchart'

重新啟動模擬器。對 /data 目錄進行的變動，「可以」寫回 userdata.img 裡。這裡指定 Timeout 時間為 '120' 秒；實際測試時，可以視情況自由調整。

3. 取得 Bootchart 紀錄檔

在 Android 系統裡的 /data/bootchart 取得開機紀錄檔：

linux@android:~/android/mokoid$ adb shell
# ls -l /data/bootchart
-rw-rw-rw- root     root          389 2010-07-28 11:06 header
-rw-r--r-- root     root            0 2010-07-28 11:06 kernel_pacct
-rwxr-xr-x root     root       589824 2010-07-28 11:08 proc_diskstats.log
-rwxr-xr-x root     root      2293760 2010-07-28 11:08 proc_ps.log
-rwxr-xr-x root     root       196608 2010-07-28 11:07 proc_stat.log
# 

接下來，必須取出這幾個檔案，並製作成漂亮的統計圖檔。貼心的 Android 已經幫我們準備好一個 script 檔了，因此，先切換到 system/core/init 目錄下，直接執行 grab-bootchart.sh：

linux@android:~/android/mokoid$ cd system/core/init/
linux@android:~/android/mokoid/system/core/init$ ./grab-bootchart.sh 
7 KB/s (389 bytes in 0.048s)
1439 KB/s (405771 bytes in 0.275s)
2014 KB/s (3861856 bytes in 1.872s)
1936 KB/s (979391 bytes in 0.493s)
look at bootchart.tgz

最後的統計報告存放於 /tmp/android-bootchart/bootchart.tgz。

4. 製作精美 Bootchart 報告

Bootchart 包含一個以 Java 寫成的圖表製作工具，因此，還是必須取得原始的 Bootchart 套件。在 Ubuntu 環境下，可以用 apt 直接安裝：

$ sudo apt-get install bootchart

接著，將 bootchart.tgz 製作成圖檔：

$ java -jar /usr/share/bootchart/bootchart.jar /tmp/android-bootchart/bootchart.tgz
Parsing /tmp/android-bootchart/bootchart.tgz
Wrote image: ./bootchart.png

最後，得到如圖一的精美報告。接下來的工作，就是對 Bootchart 的內容進行分析。

延伸閱讀

2010.07.28: Jollen 的 Android Booting 解析, #1: 整體開機流程
2010.07.29: Jollen 的 Android Booting 解析, #2: 關於開機的評估
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