系统移植之为Android启动加速

Android的启动速度一直以来是他的诟病，虽然现在Android设备的硬件速度越来越快，但是随着新版本的出现，其启动速度一直都比较慢，当然，作为程序员，我们是可以理解的，智能手机本身就要启动很多服务来支持应用的功能，并且Android系统大部分还是使用的Java语言编写的，必然要运行在Java虚拟机里，这也决定了它运行速度和启动速度都相对较慢。同时，Android系统为了在执行用户应用程序时提高用户体验，还做了一些预加载机制，这也牺牲了开机启动时间。

根据Android启动过程的分析可知，我们可以进行定制加速如下：

Ø  定制本地服务

Ø  定制Android系统服务

Ø  优化ZygoteInit的类预加载preloadClasses和资源预加载preloadResources机制

Ø  PackageManagerService扫描、检查APK安装包信息

下面我们依次来分析其实现步骤。

 

1. 定制本地服务

由第二章，第2节可知，本地服务都是由C或C++编写，它们都执行在Linux空间，在init进程的启动过程中启动了很多本地服务，如果我们的设备中没有电话模块、蓝牙模块，我们可以将这些没用的本地服务在init.rc里注释掉。/system/core/rootdir/init.rc

 

396 #service ril-daemon /system/bin/rild
397#     class main
398#     socket rild stream 660 root radio
399#     socket rild-debug stream 660 radio system
400#     user root
401#     group radio cache inet misc audio sdcard_rw log

435 service dbus /system/bin/dbus-daemon --system --nofork
436     class main
437 #    socket dbus stream 660 bluetooth bluetooth
438     user bluetooth
439     group bluetooth net_bt_admin

 441 #service bluetoothd /system/bin/bluetoothd -n
442 #    class main
443 #    socket bluetooth stream 660 bluetooth bluetooth
444 #    socket dbus_bluetooth stream 660 bluetooth bluetooth
445     # init.rc does not yet support applying capabilities, so run as root and
446     # let bluetoothd drop uid to bluetooth with the right linux capabilities
447 #    group bluetooth net_bt_admin misc
448 #    disabled

重新编译system.img然后启动模拟器即可。

笔者做了对比，去掉上述几个本地服务与没有去掉本地服务，二者在开机时间上几乎没有减少多少，这也可以理解，因为本地服务就是几个程序，少执行和多执行几个程序对于总体开机时间没有多大影响，不过，去掉没有使用的本地服务，对整个系统性能来说，会有微不足道的提升。

如果去掉开机动画服务可以大大的提高系统的启动速度：

433 #service bootanim /system/bin/bootanimation
434 #    class main
435 #    user graphics
436 #    group graphics
437 #    disabled
438 #    oneshot

 

2. 定制Android系统服务

由Android的启动过程可知，init进程启动了app_process作为zygote，在app_process里启动了Dalvik虚拟机，然后加载执行了第一个Java程序ZygoteInit作为Dalvik主线程，在ZygoteInit里fork了第一个Java程序SystemServer，在SystemServer里启动了大量的Android的核心服务，通常来说这些服务一般不要去动，如果我们的设备里没有使用过某些服务，并且将来也明确不使用，可以将其去掉。

\frameworks\base\preloaded-classes

我们先来看看SystemServer启动了哪些Android服务：

EntropyService：熵（shang）服务，用于产生随机数
PowerManagerService：电源管理服务
ActivityManagerService：最核心服务之一，Activity管理服务
TelephonyRegistry：电话服务，电话底层通知服务
PackageManagerService：程序包管理服务
AccountManagerService：联系人帐户管理服务
ContentService：内容提供器的服务，提供跨进程数据交换
LightsService：光感应传感器服务
BatteryService：电池服务，当电量不足时发广播
VibratorService：震动器服务
AlarmManagerService：闹钟服务
WindowManagerService：窗口管理服务
BluetoothService：蓝牙服务
InputMethodManagerService：输入法服务，打开关闭输入法
AccessibilityManagerService：辅助管理程序截获所有的用户输入，并根据这些输入给用户一些额外的反馈，起到辅助的效果，View的点击、焦点等事件分发管理服务
DevicePolicyManagerService：提供一些系统级别的设置及属性
StatusBarManagerService：状态栏管理服务
ClipboardService：粘贴板服务
NetworkManagementService：手机网络管理服务
TextServicesManagerService：
NetworkStatsService：手机网络状态服务
NetworkPolicyManagerService：
WifiP2pService：Wifi点对点直联服务
WifiService：WIFI服务
ConnectivityService：网络连接状态服务
ThrottleService：modem节流阀控制服务
MountService：磁盘加载服务，通常也mountd和vold服务结合
NotificationManagerService：通知管理服务，通常和StatusBarManagerService
DeviceStorageMonitorService：存储设备容量监听服务
LocationManagerService：位置管理服务
CountryDetectorService：检查当前用户所在的国家
SearchManagerService：搜索管理服务
DropBoxManagerService：系统日志文件管理服务（大部分程序错误信息）
WallpaperManagerService：壁纸管理服务
AudioService：AudioFlinger上层的封装的音量控制管理服务
UsbService：USB Host和device管理服务
UiModeManagerService：UI模式管理服务，监听车载、座机等场合下UI的变化
BackupManagerService：备份服务
AppWidgetService：应用桌面部件服务
RecognitionManagerService：身份识别服务
DiskStatsService：磁盘统计服务
SamplingProfilerService：性能统计服务
NetworkTimeUpdateService：网络时间更新服务

天啊，43个Android服务，

除了对原生的Android系统定制外，还可以通过引入外部技术来提升开机速度，目前有人使用Berkeley Lab Checkpoint/Restart（BLCR）技术给系统做一个快照，类似于Vmware里用的SnapeShot和Windows里的休眠机制，它能将当前Android环境保存在一个文件里，当下次启动的时候从该文件恢复Android运行环境，这种方式可以明显的提升启动速度，其实现过程比较复杂。

BLCR技术细节后续再完善。。。

 

3. PackageManagerService

PackageManagerService是Android的包管理器，主要用来管理Android系统中的APK文件，在SystemServer里，通过ServerThread调用PackageManagerService.main()启动了包管理服务。

PackageManagerService的主要作用有：

3.1  @PackageManagerService.main（）

生成一个IPackageManager接口，也就是PackageManagerService。

public static final IPackageManager main(Context context, boolean factoryTest) {
        PackageManagerService m = new PackageManagerService(context, factoryTest);
        ServiceManager.addService("package", m);
        return m;
}

3.2  PackageManagerService构造方法中，首先会进行一些成员变量的初始化，比如mContext， mFactoryTest， mMetrics， mSettings等。
最重要的是初始化mInstaller这个变量。Installer是一个很重要的类，所有对apk的install， uninstall，move等操作，都是通过它进行的。

Installer installer = new Installer();
    if (installer.ping() && Process.supportsProcesses()) {
        mInstaller = installer;
    } else {
        mInstaller = null;
    }

3.3  建立PackageHandler消息循环，用于处理外部的apk安装请求消息，如adb install,packageinstaller安装apk时会发送消息

mHandlerThread.start();
    mHandler = new PackageHandler(mHandlerThread.getLooper());

3.4  解析/system/etc/permission下xml文件(framework/base/data/etc/)，包括platform.xml和系统支持的各种硬件模块的feature。

   主要工作：
  (1)建立底层user ids和group ids 同上层permissions之间的映射；可以指定一个权限与几个组ID对应。当一个APK被授予这个权限时，它也同时属于这几个组。
  (2)给一些底层用户分配权限，如给shell授予各种permission权限；把一个权限赋予一个UID，当进程使用这个UID运行时，就具备了这个权限。
  (3) library,系统增加的一些应用需要link的扩展jar库；
  (4) feature,系统每增加一个硬件，都要添加相应的feature.将解析结果放入mSystemPermissions,mSharedLibraries，mSettings.mPermissions，mAvailableFeatures等几个集合中供系统查询和权限配置使用。

3.5  检查/data/system/packages.xml是否存在，这个文件是在解析apk时由writeLP()创建的，里面记录了系统的permissions，以及每个apk的name,codePath,flags,ts,version,uesrid等信息，这些信息主要通过apk的AndroidManifest.xml解析获取，解析完apk后将更新信息写入这个文件并保
存到flash，下次开机直接从里面读取相关信息添加到内存相关列表中。当有apk升级，安装或删除时会更新这个文件。

3.6 检查BootClassPath，mSharedLibraries及/system/framework下的jar是否需要dexopt，需要的则通过dexopt进行优化。

3.7 启动AppDirObserver线程监测/system/framework，/system/app，/data/app，/data/app-private目录的事件,主要监听add和remove事件。对于目录监听底层通过inotify机制实现，inotify 是一种文件系统的变化通知机制，如文件增加、删除等事件可以立刻让用户态得知,它为用户态监视文件系统的变化提供了强大的支持。

• 当有add event时调用scanPackageLI(File , int , int)处理；
• 当有remove event时调用removePackageLI()处理;

3.8  对于以上几个目录下的apk逐个解析，主要是解析每个apk的AndroidManifest.xml文件，处理asset/res等资源文件，建立起每个apk的配置结构信息，并将每个apk的配置信息添加到全局列表进行管理。调用installer.install()进行安装工作,检查apk里的dex文件是否需要再优化,如果需要优化则通过辅助工具dexopt进行优化处理；将解析出的componet添加到pkg的对应列表里；
对apk进行签名和证书校验,进行完整性验证。

3.9  将解析的每个apk的信息保存到packages.xml和packages.list文件里，packages.list记录了如下数据：pkgName，userId，debugFlag，dataPath（包的数据路径）

 

其中对/system/framework，/system/app，/data/app，/data/app-private目录中的APK扫描耗费了大量的时间，通过下面的笔者的实验结果可以看得出来。

 无优化时的APK总计有50个，减少APK时APK只有5个，包扫描的时间减少了4秒，Android服务启动的时间减少了近10秒，整个系统的启动时间减少了15秒左右

在减少APK的情况下，然后将开机动画关闭了，本地服务启动时间略有减少，预加载类与资源时减少了近10秒，包扫描时间减少了0.5秒左右，Android服务启动时间减少近4秒，整个系统启动时间减少了近15秒。

由此可见，减少APK的数量关闭开机动画可以明显的提高Android的启动速度。

至于关闭其它本地服务对启动时间影响不大的原因，我的感觉是本地服务注册到Binder之后就等待框架客户端的连接，而关闭开机动画对启动速度影响之大，通过分析bootanim可知，在开启动画时要开启一个线程，mask图片在前面作为幕布，shine图片在后面每隔一定时间重新绘制一次，每次绘制时通过调用OPENGL的api调用2D加速来绘制图片，而我们使用的模拟器，全部操作通过软件来模拟，所以对系统怕启动速度影响比较大。如果在具体的设备上执行对启动速度的影响应该比这要小，具体硬件设备上优化，后续会有博文推出。

 

4. Android系统企业级定制

在做Android产品开发的过程中，经常会有客户说：“我们不想让我们的产品开机后看到Android系统的桌面，我们希望设备开机会直接进入我们自己的程序“。“我们的产品就是直接面对最终用户的，其它的无关的功能不需要。”比如说，之前我们开发的一款社区医疗软件，通过蓝牙和心电仪、血糖仪等采集外设通信，客户要求开机进入医疗软件，通过底层蓝牙通信，我们采用的就是定制的Android平板的桌面。

通常定制应用程序开机启动有两种实现方式：

Ø  接收系统启动广播：BOOT_COMPLETED，在广播接收器代码里实现应用程序的启动。

Ø  编写一个桌面程序，替换掉系统默认的Launcher应用。

第一种方式实现简单，但是这个应用程序是在Android系统桌面出现之后再启动的，不是真正意义上的产品定制，并且，如果当前的应用程序崩溃了退出后，会回到桌面上，当然我们可以实现崩溃后再次重新启动，但是，这终究不是真正意义上的定制。

第二种实现方式思路：当系统启动完毕之后，系统会发出一个Action为android.intent.action.MAIN，category为android.intent.category.HOME的Intent，默认系统的Launcher桌面会响应这个Intent，那么，我们可以编写一个应用程序，让它去响应这个Intent，然后我们将这个应用程序替换掉系统默认的Launcher桌面。系统重新启动之后，会自动启动我们自己的应用。但是，如果一些非法程序也响应这个Intent，那么照样不能达到客户的目的。这个时候，我们就要去修改系统框架代码，让Android系统启动完毕之后发送我们自己定义的Intent而不是公开的category为HOME的 Intent。

思路如下：

Ø  添加一个新的category：android.intent.category.FS_HOME

Ø  将框架里面所有发送android.intent.category.HOME的Intent全部改成android.intent.category.FS_HOME

category的定义文件在：

@ frameworks/base/core/java/android/content/Intent.java

2218     /**
2219      * This is the home activity, that is the first activity that is displayed
2220      * when the device boots.
2221      */
2222     @SdkConstant(SdkConstantType.INTENT_CATEGORY)
2223     public static final String CATEGORY_HOME = "android.intent.category.HOME";

在CATEGORY_HOME后面添加下面两行代码：

2224     @SdkConstant(SdkConstantType.INTENT_CATEGORY)
2225     public static final String CATEGORY_FS_HOME = "android.intent.category.FS_HOME";

通过grep CATEGORY_HOME frameworks/ -R命令查找所有使用CATEGORY_HOME的文件：

./frameworks/ex/carousel/test/src/com/android/carouseltest/TaskSwitcherActivity.java
./frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java
./frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityRecord.java
./frameworks/base/services/java/com/android/server/UiModeManagerService.java
./frameworks/base/tests/StatusBar/src/com/android/statusbartest/NotificationTestList.java
./frameworks/base/policy/src/com/android/internal/policy/impl/PhoneWindowManager.java
./frameworks/base/policy/src/com/android/internal/policy/impl/RecentApplicationsDialog.java
./frameworks/base/packages/SystemUI/src/com/android/systemui/recent/RecentTasksLoader.java

将文件里使用CATEGORY_HOME常量的地方全部改为CATEGORY_FS_HOME。

新建一个Android应用：MyLauncher，在其AndroidManifest.xml里，<intent-filter>标签里添加上响应CATEGORY_FS_HOME的代码：

<span style="font-size:10px;"><activity android:name=".MyLauncherActivity">
        <intent-filter>
                <action android:name="android.intent.action.MAIN" />
                <category android:name="android.intent.category.FS_HOME" />
                   <category android:name="android.intent.category.DEFAULT" />
        </intent-filter>
</activity></span>

重新编译frameworks/base、frameworks/ex：

$ source build/envsetup.sh
$ make

重新运行模拟器，使用新编译的Android系统，可以看到系统启动起来就进入我们的MyLauncher应用，从实现实现桌面的替换。