Android Framework学习五：APP启动过程原理及速度优化

文章目录

APP启动优化概述
APP启动流程
- 点击图片启动APP的过程
- 启动触发
- Zygote 与应用进程创建
- - Zygote
  - 进程的创建
  - 应用进程初始化
- Application
- Activity 启动与显示
优化启动时黑白屏现象
- 可优化的阶段
- - Application阶段
  - - 相关优化
  - Activity阶段
  - 数据加载阶段
Framework学习系列文章

APP启动优化概述

优化方向
启动优化流程

APP启动流程

在这里插入图片描述

点击图片启动APP的过程

这张图展示了 Android 系统中应用程序（App）启动的完整流程，涉及多个关键组件及其交互
在这里插入图片描述

启动触发

Launcher：用户在手机桌面点击应用图标，Launcher（桌面启动器）响应点击事件。通过Binder机制向service_manager查询ActivityTaskManagerService（ATMS，活动管理服务）服务。
service_manager 和 Binder：service_manager是系统中管理服务的组件，通过Binder这种进程间通信机制，Launcher获取到AMS服务的相关信息。Binder是 Android 系统中实现进程间通信的重要机制，提供高效稳定的通信能力。
system_server：system_server进程是 Android 系统核心进程，包含ActivityManagerService和WindowManagerService等重要服务。AMS负责管理应用程序的生命周期、Activity 的启动与切换等；WindowManagerService负责窗口的管理和显示等。

在这里插入图片描述

具体代码如下：

Launcher调用Activity.startActivity启动Activity
Activity.java


   @Override
   public void startActivity(Intent intent, @Nullable Bundle options) {
       ...
       if (options != null) {
           startActivityForResult(intent, -1, options);
       } else {
           startActivityForResult(intent, -1);
       }
   }

   public void startActivityForResult(@RequiresPermission Intent intent, int requestCode,
           @Nullable Bundle options) {
           ...
           Instrumentation.ActivityResult ar =
               mInstrumentation.execStartActivity(
                   this, mMainThread.getApplicationThread(), mToken,this,intent, requestCode, options);
           ...
    }

Instrumentation.execStartActivity调用
Instrumentation.java

public ActivityResult execStartActivity(
            Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target,
            Intent intent, int requestCode, Bundle options) {
    ...
    // ActivityTaskManagerService
	int result = ActivityTaskManager.getService().startActivity(whoThread,who.getBasePackageName(),
        who.getAttributionTag(),intent,intent.resolveTypeIfNeeded(who.getContentResolver()),
        token,target != null ? target.mEmbeddedID : null, requestCode, 0, null, options); 
    ...
}

ActivityTaskManagerService.startActivityAsUser
ActivityTaskManagerService::startActivity调用startActivityAsUser
ActivityTaskManager.getService()其实返回的是ATMS的binder

final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_TASK_SERVICE);
return IActivityTaskManager.Stub.asInterface(b);

至此，startActivity 的工作重心成功地从应用进程(app) 转移到了系统进程(system_service) 的 ATMS 中。

private int startActivityAsUser(IApplicationThread caller, String callingPackage,
        @Nullable String callingFeatureId, Intent intent, String resolvedType,
        IBinder resultTo, String resultWho, int requestCode, int startFlags,
        ProfilerInfo profilerInfo, Bundle bOptions, int userId, boolean validateIncomingUser) {
    assertPackageMatchesCallingUid(callingPackage);
    enforceNotIsolatedCaller("startActivityAsUser");

    userId = getActivityStartController().checkTargetUser(userId, validateIncomingUser,
            Binder.getCallingPid(), Binder.getCallingUid(), "startActivityAsUser");

   // getActivityStartController().obtainStarter是ActivityStarter
    return getActivityStartController().obtainStarter(intent, "startActivityAsUser")
            .setCaller(caller)
            .setCallingPackage(callingPackage)
            .setCallingFeatureId(callingFeatureId)
            .setResolvedType(resolvedType)
            .setResultTo(resultTo)
            .setResultWho(resultWho)
            .setRequestCode(requestCode)
            .setStartFlags(startFlags)
            .setProfilerInfo(profilerInfo)
            .setActivityOptions(bOptions)
            .setUserId(userId)
            .execute();

    }

ActivityStarter.execute
ActivityStarter.java

int execute() {
        ...
                res = executeRequest(mRequest);
        ...
    }

private int executeRequest(Request request) {
        ...
        ActivityRecord sourceRecord = null;
        ActivityRecord resultRecord = null;
        ...

        mLastStartActivityResult = startActivityUnchecked(r, sourceRecord, voiceSession,
                request.voiceInteractor, startFlags, true /* doResume */, checkedOptions, inTask,
                restrictedBgActivity, intentGrants);

        ...
        return mLastStartActivityResult;
    }

ActivityStarter.startActivityUnchecked

private int startActivityUnchecked(final ActivityRecord r, ActivityRecord sourceRecord,
                IVoiceInteractionSession voiceSession, IVoiceInteractor voiceInteractor,
                int startFlags, boolean doResume, ActivityOptions options, Task inTask,
                boolean restrictedBgActivity, NeededUriGrants intentGrants) {
        ....
        try {
            ...
            result = startActivityInner(r, sourceRecord, voiceSession, voiceInteractor,
                    startFlags, doResume, options, inTask, restrictedBgActivity, intentGrants);
        } finally {
            ...
        }

        postStartActivityProcessing(r, result, startedActivityRootTask);

        return result;
    }

ActivityStarter.startActivityInner

int startActivityInner(final ActivityRecord r, ActivityRecord sourceRecord,
            IVoiceInteractionSession voiceSession, IVoiceInteractor voiceInteractor,
            int startFlags, boolean doResume, ActivityOptions options, Task inTask,
            boolean restrictedBgActivity, NeededUriGrants intentGrants) {
        setInitialState(r, options, inTask, doResume, startFlags, sourceRecord, voiceSession,
                voiceInteractor, restrictedBgActivity);
        ...
        // RootWindowContainer
        mRootWindowContainer.resumeFocusedTasksTopActivities(
                        mTargetRootTask, mStartActivity, mOptions, mTransientLaunch);
        ...

        return START_SUCCESS;
    }

RootWindowContainer.resumeFocusedTasksTopActivities

boolean resumeFocusedTasksTopActivities(
            Task targetRootTask, ActivityRecord target, ActivityOptions targetOptions,
            boolean deferPause) {
        ...
        boolean result = false;
        if (targetRootTask != null && (targetRootTask.isTopRootTaskInDisplayArea()
                || getTopDisplayFocusedRootTask() == targetRootTask)) {
             // Task
            result = targetRootTask.resumeTopActivityUncheckedLocked(target, targetOptions,
                    deferPause);
        }

        ...
        return result;
    }

Task.resumeTopActivityInnerLocked
Task.java

 private boolean resumeTopActivityInnerLocked(ActivityRecord prev, ActivityOptions options) {
    ...
    if (mResumedActivity != null) {
       pausing |= startPausingLocked(userLeaving, false , next); // 这里会调用Launcher的pause
    }
    ...
    // ActivityTaskSupervisor
    mStackSupervisor.startSpecificActivity(next, true, false);
    ...
 }

ActivityStackSupervisor::startSpecificActivity
ActivityStackSupervisor会判断进程是否存在，存在则调用realStartActivityLocked，不存在则调用startProcessAsync创建其实是通过Zygote来fork创建进程，进程创建后还是会调用realStartActivityLocked的。

Zygote 与应用进程创建

Zygote

Zygote：AMS通过Zygote进程来创建新的应用程序进程（App）。Zygote 是 Android 系统中一个特殊的进程，是所有 Java 应用程序进程的孵化器，它在系统启动时就已启动并处于就绪状态。Zygote 通过fork系统调用创建新的应用进程，新进程会继承 Zygote 进程的一些初始化状态，提高应用启动效率。

进程的创建

在这里插入图片描述
来看看mService.startProcessAsync

ActivityManagerInternal.startProcess()

/**
 * Activity manager local system service interface.
 */
public abstract class ActivityManagerInternal {
    /** Starts a given process. */
    // 调用的是ActivityManagerService.LocalService.startProcess()--》ActivityManagerService.startProcessLocked
    public abstract void startProcess(String processName, ApplicationInfo info,
            boolean knownToBeDead, boolean isTop, String hostingType, ComponentName hostingName);
}

ActivityManagerService.startProcessLocked

/**
     * Process management.
     */
    final ProcessList mProcessList;
    @GuardedBy("this")
    final ProcessRecord startProcessLocked(String processName,
            ApplicationInfo info, boolean knownToBeDead, int intentFlags,
            HostingRecord hostingRecord, int zygotePolicyFlags, boolean allowWhileBooting,
            boolean isolated, boolean keepIfLarge) {
            // ProcessList,最终调用的是ProcessList.startProcess()-->Process.start
        return mProcessList.startProcessLocked(processName, info, knownToBeDead, intentFlags,
                hostingRecord, zygotePolicyFlags, allowWhileBooting, isolated, 0 /* isolatedUid */,
                keepIfLarge, null /* ABI override */, null /* entryPoint */,
                null /* entryPointArgs */, null /* crashHandler */);
    }

Process.start

/**
     * State associated with the zygote process.
     */
    public static final ZygoteProcess ZYGOTE_PROCESS = new ZygoteProcess();
    public static ProcessStartResult start(@NonNull final String processClass,
                                           @Nullable final String niceName,
                                           int uid, int gid, @Nullable int[] gids,
                                           int runtimeFlags,
                                           int mountExternal,
                                           int targetSdkVersion,
                                           @Nullable String seInfo,
                                           @NonNull String abi,
                                           @Nullable String instructionSet,
                                           @Nullable String appDataDir,
                                           @Nullable String invokeWith,
                                           @Nullable String packageName,
                                           int zygotePolicyFlags,
                                           boolean isTopApp,
                                           @Nullable long[] disabledCompatChanges,
                                           @Nullable Map<String, Pair<String, Long>>
                                                   pkgDataInfoMap,
                                           @Nullable Map<String, Pair<String, Long>>
                                                   whitelistedDataInfoMap,
                                           boolean bindMountAppsData,
                                           boolean bindMountAppStorageDirs,
                                           @Nullable String[] zygoteArgs) {
        return ZYGOTE_PROCESS.start(processClass, niceName, uid, gid, gids,
                    runtimeFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,
                    abi, instructionSet, appDataDir, invokeWith, packageName,
                    zygotePolicyFlags, isTopApp, disabledCompatChanges,
                    pkgDataInfoMap, whitelistedDataInfoMap, bindMountAppsData,
                    bindMountAppStorageDirs, zygoteArgs);
    }

ZygoteProcess.start
ZygoteProcess 最核心的作用是借助与 Zygote 进程的通信，创建新的应用进程

public final Process.ProcessStartResult start(...) {
            return startViaZygote(processClass, niceName, uid, gid, gids,
                    runtimeFlags, mountExternal, targetSdkVersion, seInfo,
                    abi, instructionSet, appDataDir, invokeWith, /*startChildZygote=*/ false,
                    packageName, zygotePolicyFlags, isTopApp, disabledCompatChanges,
                    pkgDataInfoMap, allowlistedDataInfoList, bindMountAppsData,
                    bindMountAppStorageDirs, zygoteArgs);
    }

会通过LocalSocket与Zygote建立socket连接，沟通Zygote fork进程
在这里插入图片描述

ZygoteConnection.forkAndSpecialize
这个时候还是在.cpp中执行，fork子进程，native方法，内部实现就是c语言的fork函数调用。
ZygoteConnection.handleChildProc
ZygoteConnection.java这个时候跑到java，这里是子进程的代码了，
在这个函数中会调用ZygoteInit
ZygoteInit.ZygoteInit
ZygoteInit.java
nativeZygoteInit
AndroidRuntime.cpp
ProcessState构造创建Binder
ProcessState.cpp
构造ProcessState时就会调用open_driver(“/dev/binder”)，打开binder驱动设备，然后通过mmap向binder驱动申请空间。

mmap时，会申请BINDER_VM_SIZE大小的空间，不到1M，1M减2个内存页的大小。

然后接着onZygoteInit会调用proc->processThreadPool()启动binder线程池，默认最大线程数为15。
RuntimeInit.findStaticMain
与Zygote通过socket通信时，会传参数"android.app.ActivityThread"过来，通过findStaticMain定位到ActivityThread.main。

这样fork进程后会跳转到新进程的main入口，就是ActivityThread.main函数。

应用进程初始化

ActivityThread：应用进程创建后，首先执行ActivityThread.main()方法，这是应用程序主线程（UI 线程）的入口。接着依次调用AT.attach()和AT.bindApplication()方法，完成主线程与系统的绑定以及应用程序的初始化相关操作。

ActivityThread.java
    public static void main(String[] args) {
        ...
        Looper.prepareMainLooper();
	...
        ActivityThread thread = new ActivityThread();
        thread.attach(false, startSeq);
	...
        Looper.loop();
	...
    }
    
    private void attach(boolean system, long startSeq) {
            final IActivityManager mgr = ActivityManager.getService();
            try {
                mgr.attachApplication(mAppThread, startSeq);
            } catch (RemoteException ex) {
                throw ex.rethrowFromSystemServer();
            }
    }

ActivityManagerService.java

private boolean attachApplicationLocked(@NonNull IApplicationThread thread,
            int pid, int callingUid, long startSeq) {
            ...
            // 发送MH.BIND_APPLICATION的Message，在Handler中调用了Application的onCreate
            thread.bindApplication(processName, appInfo, providerList,
                        instr2.mClass,
                        profilerInfo, instr2.mArguments,
                        instr2.mWatcher,
                        instr2.mUiAutomationConnection, testMode,
                        mBinderTransactionTrackingEnabled, enableTrackAllocation,
                        isRestrictedBackupMode || !normalMode, app.isPersistent(),
                        new Configuration(app.getWindowProcessController().getConfiguration()),
                        app.compat, getCommonServicesLocked(app.isolated),
                        mCoreSettingsObserver.getCoreSettingsLocked(),
                        buildSerial, autofillOptions, contentCaptureOptions,
                        app.mDisabledCompatChanges);
             ...
             // 这里会最终调用到ActivityStackSupervisor.realStartActivityLocked
             didSomething = mAtmInternal.attachApplication(app.getWindowProcessController());
             ...
    }

realStartActivityLocked会调用到ActivityThread.performLaunchActivity()
进程创建后，开始启动Activity
ActivityThread.java

private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
        // 创建Context,Context：初始化过程中会构建Context（上下文），它是应用程序环境的抽象类，提供了应用程序运行所需的各种信息和操作接口，如资源访问、系统服务获取等。
        ContextImpl appContext = createBaseContextForActivity(r);
        ...
        //反射创建Activity
        java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
        activity = mInstrumentation.newActivity(cl, component.getClassName(), r.intent);
        ...
        // AMS通过反射创建APP的Application对象，调用Application的attach函数，这个其实是Application.attachBaseContent()，然后才是调用Application.onCreate()方法，Application是应用程序全局的一个基类，可用于在应用生命周期内保存全局状态和进行一些初始化操作
        Application app = r.packageInfo.makeApplication(false, mInstrumentation);
        ...
        // 调用Activity.attach
        activity.attach(appContext, this, getInstrumentation(), r.token,
                        r.ident, app, r.intent, r.activityInfo, title, r.parent,
                        r.embeddedID, r.lastNonConfigurationInstances, config,
                        r.referrer, r.voiceInteractor, window, r.configCallback,
                        r.assistToken);
        ...
        activity.setTheme(theme);
        ...
        // 调用Activity.onCreate
        mInstrumentation.callActivityOnCreate(activity, r.state, r.persistentState);
}

Application

在这里插入图片描述
如图：
createApplContext创建Context,
newApplication是通过反射创建Application对象app并会调用attachBaseContext,
callApplicationOnCreate则是调用onCreate,
如图：
newApplication中是调用的反射创建Application，然后调用attachBaseContext
在这里插入图片描述
ApplicationThread.scheduleTransaction，调用ActivityThread.handleLaunchActivity

Activity 启动与显示

Activity 启动：ActivityThread中performLaunchActivity()方法先创建Application后再启动Activity。先调用Activity.onCreate()方法创建Activity实例，完成Activity的初始化工作，如设置布局等。
设置布局与关联窗口：通过Activity.setContentView()设置Activity的布局文件。然后调用Activity.onResume()方法，此时AMS将Activity与WindowManagerService进行关联，完成窗口的创建和显示相关操作，最终将应用界面展示给用户。

优化启动时黑白屏现象

从启动到显示应用APP的首页过程经历如下过程：
在这里插入图片描述
这过程默认是显示黑白屏或是背景图的。

可优化的阶段

Application阶段

在这里插入图片描述
上面的阶段中，从attachBaseContent开始都是可以优化的阶段。
注意Provider是在onCreate之后，如下图：

makeApplication中会调用Application的onCreate的，然后installContentProviders才会调用。

Activity阶段

在这里插入图片描述

Activity::onCreate

XML 文件解析，反射：Android 通过解析布局的 XML 文件来创建 View，这个过程会用到反射机制实例化 XML 中定义的 View 对象。
异步并发构建 Viewtree：为加快构建速度，可采用异步并发方式构建 View 树，避免主线程阻塞，提升用户体验。

View构建

将 Inflate 过程最大异步化：布局填充（Inflate）是将 XML 布局文件转化为 View 对象的过程，将其异步化，能减少主线程负载，防止 ANR（应用无响应）。
利用 X2C 解决加载速度：X2C（XML to Java Class）技术可将 XML 布局转换为 Java 代码，减少解析 XML 的开销，加快 View 的加载速度。

View显示

View 的度量布局和显示：通过正确的测量（Measure）、布局（Layout）和绘制（Draw）流程，确保 View 能正确显示在屏幕上。
层级优化：减少 View 层级嵌套，避免过度复杂的布局结构，降低绘制和渲染成本。
布局优化：精简布局，合理使用布局容器，如用 ConstraintLayout 替代嵌套的 LinearLayout 等，提升布局渲染效率。

数据加载阶段

在这里插入图片描述

数据预加载：在用户触发数据展示操作前，提前加载数据。比如在应用启动时或进入某个页面之前，提前加载该页面可能用到的数据，减少用户等待时间，提升响应速度。
数据缓存机制：将已加载的数据存储在缓存中（如内存缓存、磁盘缓存），当再次需要相同数据时，优先从缓存读取，避免重复从原始数据源获取，降低网络请求或磁盘读取开销，加快数据展示速度。
显示数据加载优先级调度：根据 UI 界面中不同数据展示区域的重要性，设置数据加载优先级。例如，先加载屏幕可见区域的数据，后加载不可见区域的数据；或者优先加载用户更关注的关键信息数据，确保重要数据优先展示，提升用户体验。

Framework学习系列文章

Android Framework学习一：系统框架、启动过程
Android Framework学习二：Activity创建及View绘制流程
Android Framework学习三：zygote
Android Framework学习四：APP速度优化
Android Framework学习五：APP启动过程原理及速度优化
作者：帅得不敢出门