Android Zygote：灵感源自生物学的安卓启动机制
我一直对人体的运作方式充满好奇，觉得它就像迄今为止最先进的软件，充满了相互依赖的系统、逻辑和设计模式，所有这些都由大脑协调，大脑可以同时处理并行任务、内存和决策。
软件工程中的许多理念都受到生物学的启发。一个很好的例子就是“合子”（Zygote），这个概念同时存在于自然界和安卓系统中。在生物学中，合子是精子和卵子结合后形成的第一个细胞。它携带完整的DNA蓝图，就像两个配置文件合并成一个独特的设置，包含启动完整人体系统所需的一切。
然后，这个细胞分裂和复制，运行一个生物“构建过程”，最终形成了你和我，一个多线程、自愈、分布式系统。就像软件中的并行线程一样，你的身体同时运行许多任务：心脏跳动、肺呼吸、大脑处理信息，所有这些都在平稳地进行。
安卓的Zygote运作方式类似，但细节上有所不同：它是一个预先初始化的进程，通过“fork”机制创建每个应用，从而节省时间和资源。一个起源，无数克隆，就像生命本身一样。
安卓Zygote的起源：历史与幕后推手
当安卓团队选择Java作为主要编程语言时，他们面临一个挑战：现有的Java虚拟机（VM）并未针对安卓内核（运行在移动设备上的Linux内核）进行优化。由于存在许多针对不同平台的Java VM，每个VM都侧重于不同的优先级，例如垃圾回收或性能，因此团队需要一个专门为移动设备定制的VM。Ben和他的团队开发了Dalvik，一个为安卓设计的虚拟机，运行.dex文件。它优先考虑移动性能因素，包括更低的电池消耗和高效的执行。
然后，他们又面临了一个新的问题：每次应用启动时，都必须从头加载共享类、框架代码、图形驱动程序、库、共享文本资源和其他资源，这会消耗内存、CPU和电池。对于任何软件工程师来说，这都是一个需要解决的性能瓶颈。
Dan Bornstein（谷歌前Virtual Machinist）和他的团队提出了一种受生物学启发的解决方案，并将其命名为Zygote。大部分工作，包括命名（正如Dan与我分享的），都由Mike Fleming完成，我认为这是一个巧妙而精妙的选择。他们的想法是创建一个预加载所有必要组件的单个进程。然后，当系统应用需要打开或用户启动应用时，系统只需“fork”这个预初始化的进程。新创建的应用进程继承所有预加载的资源，从而实现更快的启动时间、减少内存和CPU使用量，并最终降低电池消耗。
Dalvik自Android 5.0起已不再使用，被ART取代，原因很好，这里就不赘述了。但无论是Dalvik还是ART虚拟机，都依赖Zygote来启动应用进程。
安卓Zygote的内部运作机制
（此处原文包含一张图片，描述了Zygote进程生命周期，此处无法显示图片）
安卓系统启动后，Linux内核和其他底层组件加载完毕，init.cpp进程会根据init.rc配置启动Zygote进程。此时，Android Runtime被初始化，Zygote打开一个socket来监听来自系统的fork请求。
Zygote的入口点是一个名为app_process的本地二进制文件，用C++编写。这个二进制文件有几个职责：启动Zygote进程、启动独立的命令行应用，以及根据接收到的参数初始化Android Runtime。由于Zygote本身是用Java实现的，app_process首先加载Android Runtime，然后调用com.android.internal.os.ZygoteInit的main()方法来启动Zygote进程。
以下是系统服务调用此main函数后发生的三个主要阶段：
Hook阶段 在此阶段，
ZygoteInit类使用ZygoteHooks提供Zygote初始化开始和结束时的生命周期钩子。这些钩子执行诸如：- 暂停线程创建
- 暂停和恢复JIT编译器
- 清理特定于fork的资源 等等。 这些钩子确保运行时环境稳定且针对fork进程进行了优化。
预加载阶段 在这里，
ZygoteInit预加载各种类、库和资源，这些资源将由所有fork进程高效共享。关键的预加载函数包括： （此处原文包含一张图片，展示了ZygoteInit中的关键预加载函数，此处无法显示图片）预加载后和监听阶段 预加载阶段完成后，
ZygoteHooks会重新启用JIT编译器等功能，并让任何暂停的线程继续执行。 然后，Zygote进入一个循环，使用runSelectLoop()等待来自Activity Manager Service的命令。当需要启动新应用时，Zygote接收到请求，创建自身的副本（称为fork），设置应用主线程，并通知上游启动应用主Activity。
几乎你使用的每一个安卓应用，以及重要的系统部分，如System UI和services，都是通过这种方式启动的。这就像一个“复制粘贴”技巧，可以帮助安卓更快地启动应用，并通过共享已经加载的重量级内容来节省内存。这是安卓说：“为什么要做额外的工作，当你只是克隆和放松一下呢？”
Zygote如何启动你的应用
（此处原文包含一张图片，描述了安卓应用启动流程，此处无法显示图片）
我解释了人类Zygote的工作方式；它每次都不是从零开始，只是复制了一套现成的指令（DNA）来培养完整的人。安卓做的事情非常相似。😄
在上面的图中，你可以看到当有人点击你的应用图标时会发生什么。系统启动一系列事件，从Launcher开始，然后通过ActivityTaskManagerService、ActivityStarter、ActivityManagerService、ProcessList，最终到达主角：Zygote。
此时，安卓不会从头开始构建所有东西。相反，Zygote进行fork，基本上为请求的应用制作一个自身的克隆，其中已经打包了预加载的内容。它创建一个新的应用进程，所有设置都已完成并准备就绪。新的应用进程准备好主线程，ActivityManagerService给它一个小小的推动：“好了，伙计，该你了！” 应用的主Activity启动，你的应用的主屏幕就活跃起来了。
这也是为什么当你的应用崩溃/ANR时，你会看到ZygoteInit.main位于堆栈跟踪的底部，仅仅是因为它是你的应用进程的“母亲”。 🧬 👶 📱
（此处原文包含一个崩溃堆栈跟踪的示例，此处无法显示）
结论：
在这篇文章中，我们探讨了早期的安卓团队如何从生物学中汲取灵感，解决一个大问题：为每个应用从头加载所有内容。他们巧妙的想法是使用一个共享进程（称为Zygote），该进程已经加载并准备就绪，以便应用可以更快地启动。我们看到了这在AOSP代码中是如何工作的，并了解了名称的由来。
我分享的大部分内容都来自于深入研究AOSP、书籍以及与一些在安卓Dalvik和ART早期就参与其中的人士的交流。
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