Android系统启动之init进程（二）-「Android取经之路」

上一节主要讲了Init进程的整体架构，以及Kernel启动的部分内容。

本节主要讲解Android第一阶段启动的相关内容。第一阶段主要有以下内容：

• ueventd/watchdogd跳转及环境变量设置

• 挂载文件系统并创建目录

• 初始化日志输出、挂载分区设备

• 启用SELinux安全策略

• 开始第二阶段前的准备

4. Init 进程启动源码分析

我们主要是分析Android Q(10.0) 的init的代码。涉及源码文件：

platform/system/core/init/main.cpp
platform/system/core/init/init.cpp
platform/system/core/init/ueventd.cpp
platform/system/core/init/selinux.cpp
platform/system/core/init/subcontext.cpp
platform/system/core/base/logging.cpp
platform/system/core/init/first_stage_init.cpp
platform/system/core/init/first_stage_main.cpp
platform/system/core/init/first_stage_mount.cpp
platform/system/core/init/keyutils.h
platform/system/core/init/property_service.cpp
platform/external/selinux/libselinux/src/label.c
platform/system/core/init/signal_handler.cpp
platform/system/core/init/service.cpp

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4.1 Init 进程入口

前面已经通过kernel_init,启动了init进程，init进程属于一个守护进程，准确的说，它是Linux系统中用户控制的第一个进程，它的进程号为1。它的生命周期贯穿整个Linux内核运行的始终。Android中所有其它的进程共同的鼻祖均为init进程。   可以通过"adb shell ps |grep init" 的命令来查看init的进程号。   Android Q(10.0) 的init入口函数由原先的init.cpp 调整到了main.cpp，把各个阶段的操作分离开来，使代码更加简洁命令，接下来我们就从main函数开始学习。

代码路径：platform/system/core/init/main.cpp

/*
 * 1.第一个参数argc表示参数个数，第二个参数是参数列表，也就是具体的参数
 * 2.main函数有四个参数入口，
 *一是参数中有ueventd，进入ueventd_main
 *二是参数中有subcontext，进入InitLogging 和SubcontextMain
 *三是参数中有selinux_setup，进入SetupSelinux
 *四是参数中有second_stage，进入SecondStageMain
 *3.main的执行顺序如下：
   *  (1)ueventd_main    init进程创建子进程ueventd，
   *      并将创建设备节点文件的工作托付给ueventd，ueventd通过两种方式创建设备节点文件
   *  (2)FirstStageMain  启动第一阶段
   *  (3)SetupSelinux     加载selinux规则，并设置selinux日志,完成SELinux相关工作
   *  (4)SecondStageMain  启动第二阶段
 */
int main(int argc, char** argv) {
    //当argv[0]的内容为ueventd时，strcmp的值为0,！strcmp为1
    //1表示true，也就执行ueventd_main,ueventd主要是负责设备节点的创建、权限设定等一些列工作
    if (!strcmp(basename(argv[0]), "ueventd")) {
        return ueventd_main(argc, argv);
    }
   //当传入的参数个数大于1时，执行下面的几个操作
    if (argc > 1) {
        //参数为subcontext，初始化日志系统，
        if (!strcmp(argv[1], "subcontext")) {
            android::base::InitLogging(argv, &android::base::KernelLogger);
            const BuiltinFunctionMap function_map;
            return SubcontextMain(argc, argv, &function_map);
        }
      //参数为“selinux_setup”,启动Selinux安全策略
        if (!strcmp(argv[1], "selinux_setup")) {
            return SetupSelinux(argv);
        }
       //参数为“second_stage”,启动init进程第二阶段
        if (!strcmp(argv[1], "second_stage")) {
            return SecondStageMain(argc, argv);
        }
    }
 // 默认启动init进程第一阶段
    return FirstStageMain(argc, argv);
}

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4.2 ueventd_main

代码路径：platform/system/core/init/ueventd.cpp

Android根文件系统的镜像中不存在“/dev”目录，该目录是init进程启动后动态创建的。因此，建立Android中设备节点文件的重任，也落在了init进程身上。为此，init进程创建子进程ueventd，并将创建设备节点文件的工作托付给ueventd。ueventd通过两种方式创建设备节点文件。

第一种方式对应“冷插拔”（Cold Plug），即以预先定义的设备信息为基础，当ueventd启动后，统一创建设备节点文件。这一类设备节点文件也被称为静态节点文件。

第二种方式对应“热插拔”（Hot Plug），即在系统运行中，当有设备插入USB端口时，ueventd就会接收到这一事件，为插入的设备动态创建设备节点文件。这一类设备节点文件也被称为动态节点文件。

int ueventd_main(int argc, char** argv) {
    //设置新建文件的默认值,这个与chmod相反,这里相当于新建文件后的权限为666
    umask(000); 
    //初始化内核日志，位于节点/dev/kmsg, 此时logd、logcat进程还没有起来，
    //采用kernel的log系统，打开的设备节点/dev/kmsg， 那么可通过cat /dev/kmsg来获取内核log。
    android::base::InitLogging(argv, &android::base::KernelLogger);
    //注册selinux相关的用于打印log的回调函数
    SelinuxSetupKernelLogging(); 
    SelabelInitialize();
    //解析xml，根据不同SOC厂商获取不同的hardware rc文件
    auto ueventd_configuration = ParseConfig({"/ueventd.rc", "/vendor/ueventd.rc",
                                              "/odm/ueventd.rc", "/ueventd." + hardware + ".rc"});
    //冷启动
    if (access(COLDBOOT_DONE, F_OK) != 0) {
        ColdBoot cold_boot(uevent_listener, uevent_handlers);
        cold_boot.Run();
    }
    for (auto& uevent_handler : uevent_handlers) {
        uevent_handler->ColdbootDone();
    }
    //忽略子进程终止信号
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    // Reap and pending children that exited between the last call to waitpid() and setting SIG_IGN
    // for SIGCHLD above.
       //在最后一次调用waitpid（）和为上面的sigchld设置SIG_IGN之间退出的获取和挂起的子级
    while (waitpid(-1, nullptr, WNOHANG) > 0) {
    }
    //监听来自驱动的uevent,进行“热插拔”处理
    uevent_listener.Poll([&uevent_handlers](const Uevent& uevent) {
        for (auto& uevent_handler : uevent_handlers) {
            uevent_handler->HandleUevent(uevent); //热启动，创建设备
        }
        return ListenerAction::kContinue;
    });
    return 0;
}

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4.3 init 进程启动第一阶段

代码路径：platform\system\core\init\first_stage_init.cpp

init进程第一阶段做的主要工作是挂载分区,创建设备节点和一些关键目录,初始化日志输出系统,启用SELinux安全策略 第一阶段完成以下内容：   

/* 01. 创建文件系统目录并挂载相关的文件系统 */    /* 02. 屏蔽标准的输入输出/初始化内核log系统 */

4.3.1  FirstStageMain

int FirstStageMain(int argc, char** argv) {
    //init crash时重启引导加载程序
    //这个函数主要作用将各种信号量，如SIGABRT,SIGBUS等的行为设置为SA_RESTART,一旦监听到这些信号即执行重启系统
    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        InstallRebootSignalHandlers();
    }
    //清空文件权限
    umask(0);
    CHECKCALL(clearenv());
    CHECKCALL(setenv("PATH", _PATH_DEFPATH, 1));
    //在RAM内存上获取基本的文件系统，剩余的被rc文件所用
    CHECKCALL(mount("tmpfs", "/dev", "tmpfs", MS_NOSUID, "mode=0755"));
    CHECKCALL(mkdir("/dev/pts", 0755));
    CHECKCALL(mkdir("/dev/socket", 0755));
    CHECKCALL(mount("devpts", "/dev/pts", "devpts", 0, NULL));
#define MAKE_STR(x) __STRING(x)
    CHECKCALL(mount("proc", "/proc", "proc", 0, "hidepid=2,gid=" MAKE_STR(AID_READPROC)));
#undef MAKE_STR
    // 非特权应用不能使用Andrlid cmdline
    CHECKCALL(chmod("/proc/cmdline", 0440));
    gid_t groups[] = {AID_READPROC};
    CHECKCALL(setgroups(arraysize(groups), groups));
    CHECKCALL(mount("sysfs", "/sys", "sysfs", 0, NULL));
    CHECKCALL(mount("selinuxfs", "/sys/fs/selinux", "selinuxfs", 0, NULL));
    CHECKCALL(mknod("/dev/kmsg", S_IFCHR | 0600, makedev(1, 11)));
    if constexpr (WORLD_WRITABLE_KMSG) {
        CHECKCALL(mknod("/dev/kmsg_debug", S_IFCHR | 0622, makedev(1, 11)));
    }
    CHECKCALL(mknod("/dev/random", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 8)));
    CHECKCALL(mknod("/dev/urandom", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 9)));
    //这对于日志包装器是必需的，它在ueventd运行之前被调用
    CHECKCALL(mknod("/dev/ptmx", S_IFCHR | 0666, makedev(5, 2)));
    CHECKCALL(mknod("/dev/null", S_IFCHR | 0666, makedev(1, 3)));
    //在第一阶段挂在tmpfs、mnt/vendor、mount/product分区。其他的分区不需要在第一阶段加载，
    //只需要在第二阶段通过rc文件解析来加载。
    CHECKCALL(mount("tmpfs", "/mnt", "tmpfs", MS_NOEXEC | MS_NOSUID | MS_NODEV,
                    "mode=0755,uid=0,gid=1000"));
    
    //创建可供读写的vendor目录
    CHECKCALL(mkdir("/mnt/vendor", 0755));
    // /mnt/product is used to mount product-specific partitions that can not be
    // part of the product partition, e.g. because they are mounted read-write.
    CHECKCALL(mkdir("/mnt/product", 0755));
    // 挂载APEX，这在Android 10.0中特殊引入，用来解决碎片化问题，类似一种组件方式，对Treble的增强，
    // 不写谷歌特殊更新不需要完整升级整个系统版本，只需要像升级APK一样，进行APEX组件升级
    CHECKCALL(mount("tmpfs", "/apex", "tmpfs", MS_NOEXEC | MS_NOSUID | MS_NODEV,
                    "mode=0755,uid=0,gid=0"));
    // /debug_ramdisk is used to preserve additional files from the debug ramdisk
    CHECKCALL(mount("tmpfs", "/debug_ramdisk", "tmpfs", MS_NOEXEC | MS_NOSUID | MS_NODEV,
                    "mode=0755,uid=0,gid=0"));
#undef CHECKCALL
    //把标准输入、标准输出和标准错误重定向到空设备文件"/dev/null"
    SetStdioToDevNull(argv);
    //在/dev目录下挂载好 tmpfs 以及 kmsg
    //这样就可以初始化 /kernel Log 系统，供用户打印log
    InitKernelLogging(argv);
    ...
    /* 初始化一些必须的分区
     *主要作用是去解析/proc/device-tree/firmware/android/fstab,
     * 然后得到"/system", "/vendor", "/odm"三个目录的挂载信息
     */
    if (!DoFirstStageMount()) {
        LOG(FATAL) << "Failed to mount required partitions early ...";
    }
    struct stat new_root_info;
    if (stat("/", &new_root_info) != 0) {
        PLOG(ERROR) << "Could not stat(\"/\"), not freeing ramdisk";
        old_root_dir.reset();
    }
    if (old_root_dir && old_root_info.st_dev != new_root_info.st_dev) {
        FreeRamdisk(old_root_dir.get(), old_root_info.st_dev);
    }
    SetInitAvbVersionInRecovery();
    static constexpr uint32_t kNanosecondsPerMillisecond = 1e6;
    uint64_t start_ms = start_time.time_since_epoch().count() / kNanosecondsPerMillisecond;
    setenv("INIT_STARTED_AT", std::to_string(start_ms).c_str(), 1);
    //启动init进程，传入参数selinux_steup
    // 执行命令：/system/bin/init selinux_setup
    const char* path = "/system/bin/init";
    const char* args[] = {path, "selinux_setup", nullptr};
    execv(path, const_cast<char**>(args));
    PLOG(FATAL) << "execv(\"" << path << "\") failed";
    return 1;
  }

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4.4 加载SELinux规则

SELinux是「Security-Enhanced Linux」的简称，是美国国家安全局「NSA=The National Security Agency」和SCC（Secure Computing Corporation）开发的 Linux的一个扩张强制访问控制安全模块。   

在这种访问控制体系的限制下，进程只能访问那些在他的任务中所需要文件。

selinux有两种工作模式：

• permissive，所有的操作都被允许（即没有MAC），但是如果违反权限的话，会记录日志,一般eng模式用

• enforcing，所有操作都会进行权限检查。一般user和user-debug模式用 不管是security_setenforce还是security_getenforce都是去操作/sys/fs/selinux/enforce 文件, 0表示permissive 1表示enforcing

4.4.1 SetupSelinux

作用:初始化selinux，加载SELinux规则，配置SELinux相关log输出，并启动第二阶段
代码路径：platform\system\core\init\selinux.cpp

/*此函数初始化selinux，然后执行init以在init selinux中运行*/
int SetupSelinux(char** argv) {
       //初始化Kernel日志
    InitKernelLogging(argv);
       // Debug版本init crash时重启引导加载程序
    if (REBOOT_BOOTLOADER_ON_PANIC) {
        InstallRebootSignalHandlers();
    }
    //注册回调，用来设置需要写入kmsg的selinux日志
    SelinuxSetupKernelLogging();
  
     //加载SELinux规则
    SelinuxInitialize();
    /*
       *我们在内核域中，希望转换到init域。在其xattrs中存储selabel的文件系统（如ext4）不需要显式restorecon，
       *但其他文件系统需要。尤其是对于ramdisk，如对于a/b设备的恢复映像，这是必需要做的一步。
       *其实就是当前在内核域中，在加载Seliux后，需要重新执行init切换到C空间的用户态
       */
    if (selinux_android_restorecon("/system/bin/init", 0) == -1) {
        PLOG(FATAL) << "restorecon failed of /system/bin/init failed";
    }
  //准备启动innit进程，传入参数second_stage
    const char* path = "/system/bin/init";
    const char* args[] = {path, "second_stage", nullptr};
    execv(path, const_cast<char**>(args));
    /*
       *执行 /system/bin/init second_stage, 进入第二阶段
       */
    PLOG(FATAL) << "execv(\"" << path << "\") failed";
    return 1;
}

4.4.2 SelinuxInitialize()

/*加载selinux 规则*/
void SelinuxInitialize() {
    LOG(INFO) << "Loading SELinux policy";
    if (!LoadPolicy()) {
        LOG(FATAL) << "Unable to load SELinux policy";
    }
    //获取当前Kernel的工作模式
    bool kernel_enforcing = (security_getenforce() == 1);
    //获取工作模式的配置
    bool is_enforcing = IsEnforcing();
    //如果当前的工作模式与配置的不同，就将当前的工作模式改掉
    if (kernel_enforcing != is_enforcing) {
        if (security_setenforce(is_enforcing)) {
            PLOG(FATAL) << "security_setenforce(" << (is_enforcing ? "true" : "false")
                        << ") failed";
        }
    }
    if (auto result = WriteFile("/sys/fs/selinux/checkreqprot", "0"); !result) {
        LOG(FATAL) << "Unable to write to /sys/fs/selinux/checkreqprot: " << result.error();
    }
}
/*
 *加载SELinux规则
 *这里区分了两种情况,这两种情况只是区分从哪里加载安全策略文件,
 *第一个是从 /vendor/etc/selinux/precompiled_sepolicy 读取,
 *第二个是从 /sepolicy 读取,他们最终都是调用selinux_android_load_policy_from_fd方法
 */
bool LoadPolicy() {
    return IsSplitPolicyDevice() ? LoadSplitPolicy() : LoadMonolithicPolicy();
}

下一节主要讲解init进程启动的第二阶段,欢迎关注我。