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详解Android中的ActivityThread和APP启动过程

发布时间:2021-6-10 15:00 点击:1851

ActivityThread就是我们常说的主线程或UI线程,ActivityThread的main方法是整个APP的入口,本篇深入学习下ActivityThread,顺便了解下APP和Activity的启动过程。

ActiviryThread

ActivityThread的初始化

ActivityThread即Android的主线程,也就是UI线程,ActivityThread的main方法是一个APP的真正入口,MainLooper在它的main方法中被创建。

//ActivityThread的main方法
public static void main(String[] args) {
    ...
    Looper.prepareMainLooper();
    ActivityThread thread = new ActivityThread();
    //在attach方法中会完成Application对象的初始化,然后调用Application的onCreate()方法
    thread.attach(false);

    if (sMainThreadHandler == null) {
        sMainThreadHandler = thread.getHandler();
    }
    ...
    Looper.loop();
    throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
}

接下来从主线程Looper的初始化和ApplicationThread及Activity的创建启动两方面,通过源码了解学习下大致的流程。

主线程Looper的初始化

Looper.prepareMainLooper();相关的代码如下

//主线程Looper的初始化
public static void prepareMainLooper() {
    prepare(false);
    synchronized (Looper.class) {
        if (sMainLooper != null) {
            throw new IllegalStateException("The main Looper has already been prepared.");
        }
        sMainLooper = myLooper();
    }
}

//普通线程Looper的初始化
public static void prepare() {
    prepare(true);
}

private static void prepare(boolean quitAllowed) {
    if (sThreadLocal.get() != null) {
        throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
    }
    sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
}

看过Handler源码就知道,主线程Looper的初始化和普通线程Looper的初始化很相似,但还是有以下几个区别

1.普通线程的Prepare()默认quitAllowed参数为true,表示允许退出,而主线程也就是ActivityThread的Looper参数为false,不允许退出。这里的quitAllowed参数,最终会传递给MessageQueue,当调用MessageQueue的quit方法时,会判断这个参数,如果是主线程,也就是quitAllowed参数为false时,会抛出异常。

//Looper的退时会判断quitAllowed
void quit(boolean safe) {
    if (!mQuitAllowed) {
        throw new IllegalStateException("Main thread not allowed to quit.");
    }
    synchronized (this) {
        ...
    }
}

2.我们注意到主线程Looper初始化之后,赋值给了成员变量sMainLooper,这个成员的作用就是向其他线程提供主线程的Looper对象。这下我们就应该知道为什么Looper.getMainLooper()方法能获取主线程的Looper对象了

public static Looper getMainLooper() {
    synchronized (Looper.class) {
        return sMainLooper;
    }
}

主线程Handler的初始化

在ActivityThread的main方法中我们注意到一行代码:

ActivityThread thread = new ActivityThread();
thread.attach(false);
if (sMainThreadHandler == null) {
    sMainThreadHandler = thread.getHandler();
}

见名知意,这是获取主线程的Handler,那么主线程的Handler是在什么时候初始化的呢?

//与之相关的代码如下:
//ActivityThread的成员变量
final H mH = new H();

final Handler getHandler() {
    return mH;
}

从以上代码中可以看到,主线程的Handler作为ActivityThread的成员变量,是在ActivityThread的main方法被执行,ActivityThread被创建时而初始化,而接下来要说的ApplicationThread中的方法执行以及Activity的创建都依赖于主线程Handler。至此我们也就明白了,主线程(ActivityThread)的初始化是在它的main方法中,主线程的Handler以及MainLooper的初始化时机都是在ActivityThread创建的时候。

ApplicationThread及Activity的创建和启动

以上的代码和流程,就是对 MainLooper 和 ActivityThread 的初始化,我们接下来看一下 ActivityThread 的初始化及其对应的 attach 方法,在thread.attach方法中,ActivityManagerService通过attachApplication方法,将ApplicationThread对象绑定到ActivityManagerService,ApplicationThread是ActivityThread的私有内部类,实现了IBinder接口,用于ActivityThread和ActivityManagerService的所在进程间通信。

//ActivityThread的attach方法:
private void attach(boolean system) {
    ...
    if (!system) {
        final IActivityManager mgr = ActivityManager.getService();
        try {
            mgr.attachApplication(mAppThread);
        } catch (RemoteException ex) {
            throw ex.rethrowFromSystemServer();
        }else{
            ...
        }
    }
}

//ActivityManagerService中的方法:
public final void attachApplication(IApplicationThread thread) {
    synchronized (this) {
        int callingPid = Binder.getCallingPid();
        final long origId = Binder.clearCallingIdentity();
        attachApplicationLocked(thread, callingPid);
        Binder.restoreCallingIdentity(origId);
    }
}

这里的个人理解是:在每个ActivityThread(APP)被创建的时候,都需要向ActivityManagerService绑定(或者说是向远程服务AMS注册自己),用于AMS管理ActivityThread中的所有四大组件的生命周期。

上述AMS的代码中attachApplicationLocked方法比较复杂,主要功能有两个,详见注释,这里忽略了很多代码细节,具体的流程可以看源码

//AMS中的方法,主要功能有以下两步
private final boolean attachApplicationLocked(IApplicationThread thread, int pid) {
    ...
    //主要用于创建Application,用调用onCreate方法
    thread.bindApplication(...);
    ...
    //主要用于创建Activity
    if (mStackSupervisor.attachApplicationLocked(app)) {
        ...
    }
}

1.thread.bindApplication:主要用于创建Application,这里的thread对象是ApplicationThread在AMS中的代理对象,所以这里的bindApplication方法最终会调用ApplicationThread.bindApplication()方法,该方法会向ActivityThread的消息对应发送BIND_APPLICATION的消息,消息的处理最终会调用Application.onCreate()方法,这也说明Application.onCreate()方法的执行时机比任何Activity.onCreate()方法都早。

//ActivityThread中的bindApplication方法
public final void bindApplication(...) {
    ...
    // 该消息的处理,会调用handleBindApplication方法
    sendMessage(H.BIND_APPLICATION, data);
}
//ActivityThread中的handleBindApplication方法
private void handleBindApplication(AppBindData data) {
    ...
    try {
        Application app = data.info.makeApplication(data.restrictedBackupMode, null);
        mInitialApplication = app;
        ...
        try {
            mInstrumentation.callApplicationOnCreate(app);
        } catch (Exception e) {
        }
    } finally {
    }
}
    
//LoadedApk中的方法,用于创建Application
public Application makeApplication(boolean forceDefaultAppClass, Instrumentation instrumentation) {
    //如果存在Application的实例,则直接返回,这也说明Application是个单例
    if (mApplication != null) {
        return mApplication;
    }

    Application app = null;
    //...这里通过反射初始化Application

    if (instrumentation != null) {
        try {
            //调用Application的onCreate方法
            instrumentation.callApplicationOnCreate(app);
        } catch (Exception e) {
        }
    }
    return app;
}

2.mStackSupervisor.attachApplicationLocked(app):用于创建Activity,mStackSupervisor是AMS的成员变量,为Activity堆栈管理辅助类实例,该方法最终会调用ApplicationThread类的scheduleLaunchActivity方法,该方法也是类似于第一步,向ActivityThread的消息队列发送创建Activity的消息,最终在ActivityThread中完成创建Activity的操作。

boolean attachApplicationLocked(ProcessRecord app) throws RemoteException {
    ...
    if (realStartActivityLocked(hr, app, true, true)) {
        ...
    }          
    ...
}

final boolean realStartActivityLocked(ActivityRecord r, ProcessRecord app,
    boolean andResume, boolean checkConfig) throws RemoteException {
    ...
    try {
        //调用ApplicationThread的scheduleLaunchActivity用于启动一个Activity
        app.thread.scheduleLaunchActivity(...);
    } catch (RemoteException e) {

    }
}

ApplicationThread的scheduleLaunchActivity方法会向ActivityThread发送LAUNCH_ACTIVITY信息,用于启动一个Activity,该消息的处理会调用ActivityThread的handleLaunchActivity方法,最终启动一个Activity

以上就是从ActivityThread的main方法执行到Activity的创建之间的流程,至于ActivityThread的main方法执行时机,以及执行前的流程和Activity的具体创建过程,可以接着看APP的启动过程

APP的启动

系统的启动过程

在学习APP的启动之前先简单了解下系统的启动,有助于我们更好的学习APP的启动。系统的启动过程很复杂,这里简单化,只关心大致流程和涉及到的一些名词以及相关类的作用

APP的启动可以简单总结为一下几个流程:

加载BootLoader --> 初始化内核 --> 启动init进程 --> init进程fork出Zygote进程 --> Zygote进程fork出SystemServer进程

APP的启动过程

APP的启动,我们使用一张图来说明这个启动过程,顺便也总结下上面所说的ActivityThread的main方法执行到Activity的创建之间的流程。

1.点击桌面APP图标时,Launcher的startActivity()方法,通过Binder通信,调用system_server进程中AMS服务的startActivity方法,发起启动请求

2.system_server进程接收到请求后,向Zygote进程发送创建进程的请求

3.Zygote进程fork出App进程,并执行ActivityThread的main方法,创建ActivityThread线程,初始化MainLooper,主线程Handler,同时初始化ApplicationThread用于和AMS通信交互

4.App进程,通过Binder向sytem_server进程发起attachApplication请求,这里实际上就是APP进程通过Binder调用sytem_server进程中AMS的attachApplication方法,上面我们已经分析过,AMS的attachApplication方法的作用是将ApplicationThread对象与AMS绑定

5.system_server进程在收到attachApplication的请求,进行一些准备工作后,再通过binder IPC向App进程发送handleBindApplication请求(初始化Application并调用onCreate方法)和scheduleLaunchActivity请求(创建启动Activity)

6.App进程的binder线程(ApplicationThread)在收到请求后,通过handler向主线程发送BIND_APPLICATION和LAUNCH_ACTIVITY消息,这里注意的是AMS和主线程并不直接通信,而是AMS和主线程的内部类ApplicationThread通过Binder通信,ApplicationThread再和主线程通过Handler消息交互。 ( 这里猜测这样的设计意图可能是为了统一管理主线程与AMS的通信,并且不向AMS暴露主线程中的其他公开方法)

7.主线程在收到Message后,创建Application并调用onCreate方法,再通过反射机制创建目标Activity,并回调Activity.onCreate()等方法

8.到此,App便正式启动,开始进入Activity生命周期,执行完onCreate/onStart/onResume方法,UI渲染后显示APP主界面

APP启动过程的部分代码思考

在上面学习APP的启动过程中,看源码的同时注意到一个代码,就是主线程Handler在接收到LAUNCH_ACTIVITY创建Activity的消息后,创建Activity的部分代码如下:

//主线程Handler接收到创建Activity的消息LAUNCH_ACTIVITY后,最终会调用performLaunchActivity方法
//performLaunchActivity方法会通过反射去创建一个Activity,然后会调用Activity的各个生命周期方法
private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
    ...
    ContextImpl appContext = createBaseContextForActivity(r);
    Activity activity = null;
    try {
        //这里是反射创建Activity
        java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
        activity = mInstrumentation.newActivity(
                cl, component.getClassName(), r.intent);
        StrictMode.incrementExpectedActivityCount(activity.getClass());
        r.intent.setExtrasClassLoader(cl);
        r.intent.prepareToEnterProcess();
        if (r.state != null) {
            r.state.setClassLoader(cl);
        }
    }

    try {
        //这里注意,又调用了一次Application的创建方法,但是前面分析过,Application是个单例,所以这里的实际上是获取Application实例,但是这里为什么会再次调用创建Application的方法呢?
        
        Application app = r.packageInfo.makeApplication(false, mInstrumentation);
        ...
    } 
    ...
    return activity;
}

在上面的代码中,简单注释了一下在Activity的创建方法中,会再次调用Application的创建方法(第一次调用是在接收到BIND_APPLICATION消息的时候),个人觉得这里再次调用Application的创建方法,除了获取已经存在的Application实例这种情况,另外一种情况还有可能是要创建的这个Activity属于另外一个进程,当去启动这个新进程中的Activity时,会先去创建新进程和Application实例,因为我们知道一个常识:

1.APP中有几个进程,Application会被创建几次

2.新进程中所有变量和单例会失效,因为新进程有一块新的内存区域

那么这两点的关系就是,因为新进程中Application实例会为空,所以会再次去创建Application实例,这也就是第一点中我们所说的常识:APP中有几个进程,Application会被创建几次

//创建Application的方法
public Application makeApplication(boolean forceDefaultAppClass, Instrumentation instrumentation) {
    //如果存在Application的实例,则直接返回,这也说明Application是个单例
    if (mApplication != null) {
        return mApplication;
    }

    Application app = null;
    //...创建Application
    return app;
}

那么依次类推,Service作为四大组件之一,类似于Activity的创建和启动,创建Service的方法中会不会也调用了创建Application的方法(makeApplication方法),答案是肯定的!和Activity的创建类似,当我们调用startService的时候,也是通过Binder向AMS发送创建Service的请求,AMS准备后再向APP进程发送scheduleCreateService的请求,然后主线程handle收到CREATE_SERVICE的消息,调用handleCreateService创建Service的方法。在创建Service的方法handleCreateService中也调用了创建Application的方法,具体代码看源码吧。所以我们也彻底明白了为什么APP中有几个进程,Application会被创建几次,以及Application为什么是个单例。

总结

APP的启动过程很复杂,代码错综交横,这里分析了大概流程,学习这部分的过程中还是有很多收获,例如知道了AMS与主线程的关系,主线程main方法中就是APP的入口,Binder通信机制和handler消息机制在这个过程中的重要作用,Application的创建时机以及Application为什么是单例,为什么有几个进程就创建几个Application…等等 。

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