Android 启动流程详解

Android 系统的启动是一个复杂而精密的过程，涉及多个阶段的协同工作。从按下电源键到看到桌面，整个流程可以分为以下几个关键阶段。

启动流程概览

1
Power On → Boot ROM → Bootloader → Kernel → Init → Zygote → SystemServer → Boot Animation

1. Boot ROM 阶段

1.1 什么是 Boot ROM

Boot ROM 是固化在设备 SoC 中的只读存储器，包含设备启动的第一段代码。这段代码由芯片厂商（如 Qualcomm、MediaTek、Samsung）在出厂时写入，无法修改。

1.2 Boot ROM 的主要任务

任务 说明
硬件初始化 初始化最基本的硬件（CPU、内存控制器）
安全验证 验证 Bootloader 的签名（Secure Boot）
加载 Bootloader 从存储设备（eMMC/UFS）加载 Bootloader 到内存

1.3 安全启动链

1
Boot ROM (信任根) → 验证 Bootloader → 验证 Kernel → 验证 System 分区

这是 Android 安全启动链的第一环，确保只有经过签名的代码才能执行。

2. Bootloader 阶段

2.1 Bootloader 的作用

Bootloader 是 Android 启动的第二个阶段，常见的 Bootloader 有：

  • LK (Little Kernel) - Qualcomm 设备常用
  • U-Boot - 开源设备常用
  • XBL (eXtensible BootLoader) - Qualcomm 新平台

2.2 Bootloader 的主要任务

  1. 硬件初始化：初始化更多硬件（显示屏、存储、USB 等）
  2. 加载 Kernel：从 boot 分区加载 Kernel 和 ramdisk 到内存
  3. 传递启动参数：通过 device tree 或 ATAGs 传递硬件信息给 Kernel
  4. 启动模式选择：根据按键组合进入正常启动、Recovery 或 Fastboot 模式

2.3 Bootloader 启动流程

1
2
3
4
5
6
7
8
// LK Bootloader 简化流程
void lk_main_app(void) {
    target_early_init();      // 早期硬件初始化
    dload_menu_init();        // 下载模式菜单
    target_late_init();       // 晚期硬件初始化
    boot_linux_from_mmc();    // 从存储加载 Kernel
    start_kernel();           // 跳转到 Kernel 入口
}

3. Kernel 阶段

3.1 Kernel 启动流程

Kernel 启动是 Linux 内核的标准启动流程，主要包含：

  1. 汇编入口 (head.S)：设置 CPU 模式、创建页表
  2. C 语言入口 (start_kernel)：初始化内核子系统
  3. 设备驱动初始化：初始化各种硬件驱动
  4. 挂载 rootfs：挂载 initramfs 作为临时根文件系统
  5. 启动 init 进程：执行 /init 程序

3.2 Kernel 启动关键日志

1
2
3
4
5
6
7
# 查看 Kernel 启动日志
adb shell dmesg | grep -E "Starting|init|Linux version"

# 典型输出
[    0.000000] Linux version 5.10.43-android12-0
[    0.000000] Bootloader: U-Boot 2020.07
[    1.234567] Run /init as init process

3.3 Android Kernel 特性

特性 说明
Ashmem 匿名共享内存，用于进程间通信
Binder Android 专用 IPC 机制
Alarm 低功耗定时器
Logger 系统日志驱动
Power 电源管理

4. Init 阶段

4.1 Init 进程的作用

Init 是 Kernel 启动的第一个用户空间进程（PID=1），负责：

  1. 解析 init.rc 配置文件
  2. 挂载必要的文件系统
  3. 启动核心系统服务
  4. 启动 Zygote 进程

4.2 Init 配置文件

1
2
3
4
5
6
7
8
9
# /system/etc/init/hwservicemanager.rc
service hwservicemanager /system/bin/hwservicemanager
    class core
    user system
    group system
    capabilities SYS_NICE
    ioprio rt 4
    writepid /dev/cpuset/system-background/tasks
    onrestart restart android.hidl.allocator@1.0-service

4.3 Init 启动流程

1
2
Kernel → /init (PID=1) → 解析 init.rc → 挂载文件系统 → 
启动属性服务 → 启动 Zygote → 启动 SurfaceFlinger

5. Zygote 阶段

5.1 Zygote 的作用

Zygote 是 Android 的核心进程，所有 App 进程都从 Zygote fork 而来：

  1. 预加载类库：加载常用 Java 类到内存
  2. 预加载资源：加载系统资源（图片、字符串等）
  3. 启动 SystemServer：创建系统服务进程
  4. Fork App 进程：响应 AMS 请求，fork 新的 App 进程

5.2 Zygote 启动代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
// frameworks/base/core/jni/com_android_internal_os_ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
    ZygoteServer zygoteServer = new ZygoteServer();
    
    // 预加载类和资源
    preload(zygoteServer);
    
    // 启动 SystemServer
    if (startSystemServer) {
        startSystemServer(abiList, socketName, zygoteServer);
    }
    
    // 进入监听循环
    zygoteServer.runSelectLoop(abiList);
}

6. SystemServer 阶段

6.1 SystemServer 的作用

SystemServer 是 Android 系统的核心服务进程，包含所有系统服务：

服务 作用
ActivityManagerService 管理 App 生命周期
WindowManagerService 管理窗口和显示
PackageManagerService 管理 App 安装和权限
InputManagerService 管理输入事件
PowerManagerService 管理电源和唤醒锁

6.2 SystemServer 启动流程

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
// frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java
public void run() {
    // 创建系统上下文
    createSystemContext();
    
    // 启动各种系统服务
    startBootstrapServices();
    startCoreServices();
    startOtherServices();
    
    // 进入消息循环
    Looper.loop();
}

7. Boot Animation 阶段

7.1 启动动画

Boot Animation 在 SystemServer 启动过程中显示，直到：

  1. SurfaceFlinger 启动完成
  2. SystemServer 发送 BOOT_COMPLETED 广播
  3. Launcher 启动完成

7.2 Boot Animation 文件

1
2
3
4
5
/system/media/bootanimation.zip
├── desc.txt          # 动画描述文件
├── part0/            # 第一部分动画帧
├── part1/            # 第二部分动画帧
└── sound/            # 可选音效

启动时间优化

8.1 启动时间分析工具

1
2
3
4
5
6
7
8
# 查看完整启动时间
adb shell bootstat

# 查看各阶段耗时
adb shell dumpsys boottime

# 查看 App 启动时间
adb shell am start -W <package>/<activity>

8.2 优化建议

阶段 优化方法
Bootloader 使用 LK 替代 U-Boot，减少初始化代码
Kernel 裁剪不必要的驱动，使用 initramfs
Init 并行启动服务，减少阻塞
Zygote 预加载常用类，使用 App Zygote
SystemServer 延迟启动非核心服务

总结

Android 启动流程是一个多阶段、多进程协作的复杂过程：

  1. Boot ROM - 硬件级信任根，验证启动链
  2. Bootloader - 加载 Kernel，传递硬件信息
  3. Kernel - 初始化硬件，启动 init 进程
  4. Init - 解析配置，启动核心服务
  5. Zygote - 预加载资源，fork App 进程
  6. SystemServer - 启动所有系统服务
  7. Boot Animation - 显示启动动画直到桌面就绪

理解这个流程对于系统开发、性能优化和问题调试都至关重要。

参考资料：Android Open Source Project, Android System Programming