深入剖析Android中init进程实现的C语言源码

概述

init是一个进程，确切的说，它是Linux系统中用户空间的第一个进程。由于Android是基于Linux内核的，所以init也是Android系统中用户空间的第一个进程。init的进程号是1。作为天字第一号进程，init有很多重要的工作：

init提供property service（属性服务）来管理Android系统的属性。
init负责创建系统中的关键进程，包括zygote。

以往的文章一上来就介绍init的源码，但是我这里先从这两个主要工作开始。搞清楚这两个主要工作是如何实现的，我们再回头来看init的源码。

这篇文章主要是介绍init进程的属性服务。

跟init属性服务相关的源码目录如下：

    system/core/init/
    bionic/libc/bionic/
    system/core/libcutils/

属性服务

在windows平台上有一个叫做注册表的东西，它可以存储一些类似key/value的键值对。一般而言，系统或者某些应用程序会把自己的一些属性存储在注册表中，即使系统重启或应用程序重启，它还能根据之前在注册表中设置的属性值，进行相应的初始化工作。

Android系统也提供了类似的机制，称之为属性服务（property service）。应用程序可以通过这个服务查询或者设置属性。我们可以通过如下命令，获取手机中属性键值对。

adb shell getprop

例如红米Note手机的属性值如下：

[ro.product.device]: [lcsh92_wet_jb9]
[ro.product.locale.language]: [zh]
[ro.product.locale.region]: [CN]
[ro.product.manufacturer]: [Xiaomi]

在system/core/init/init.c文件的main函数中，跟属性服务的相关代码如下：

property_init();
queue_builtin_action(property_service_init_action, "property_service_init");

接下来，我们分别看一下这两处代码的具体实现。
属性服务初始化
创建存储空间

首先，我们先来看一下property_init函数的源码（/system/core/init/property_service.c）：

void property_init(void)
{
  init_property_area();
}

property_init函数中只是简单的调用了init_property_area方法，接下来我们看一下这个方法的具体实现：

static int property_area_inited = 0;
static workspace pa_workspace;
static int init_property_area(void)
{
  // 属性空间是否已经初始化
  if (property_area_inited)
    return -1;

  if (__system_property_area_init())
    return -1;

  if (init_workspace(&pa_workspace, 0))
    return -1;

  fcntl(pa_workspace.fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);

  property_area_inited = 1;
  return 0;
}

从init_property_area函数，我们可以看出，函数首先判断属性内存区域是否已经初始化过，如果已经初始化，则返回-1。如果没有初始化，我们接下来会发现有两个关键函数__system_property_area_init和init_workspace应该是跟内存区域初始化相关。那我们分别分析一下这两个函数具体实现。

__system_property_area_init

__system_property_area_init函数位于/bionic/libc/bionic/system_properties.c文件中，具体代码实现如下：

struct prop_area {
  unsigned bytes_used;
  unsigned volatile serial;
  unsigned magic;
  unsigned version;
  unsigned reserved[28];
  char data[0];
};
typedef struct prop_area prop_area;
prop_area *__system_property_area__ = NULL;

#define PROP_FILENAME "/dev/__properties__"
static char property_filename[PATH_MAX] = PROP_FILENAME; 

#define PA_SIZE (128 * 1024)


static int map_prop_area_rw()
{
  prop_area *pa;
  int fd;
  int ret;

  /**
   * O_RDWR ==> 读写
   * O_CREAT ==> 若不存在，则创建
   * O_NOFOLLOW ==> 如果filename是软链接，则打开失败
   * O_EXCL ==> 如果使用O_CREAT是文件存在，则可返回错误信息
   */
  fd = open(property_filename, O_RDWR | O_CREAT | O_NOFOLLOW | O_CLOEXEC | O_EXCL, 0444);
  if (fd < 0) {
    if (errno == EACCES) {
      abort();
    }
    return -1;
  }

  ret = fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
  if (ret < 0)
    goto out;

  if (ftruncate(fd, PA_SIZE) < 0)
    goto out;

  pa_size = PA_SIZE;
  pa_data_size = pa_size - sizeof(prop_area);
  compat_mode = false;

  // mmap映射文件实现共享内存
  pa = mmap(NULL, pa_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  if (pa == MAP_FAILED)
    goto out;

  /*初始化内存地址中所有值为0*/
  memset(pa, 0, pa_size);
  pa->magic = PROP_AREA_MAGIC;
  pa->version = PROP_AREA_VERSION;
  pa->bytes_used = sizeof(prop_bt);

  __system_property_area__ = pa;

  close(fd);
  return 0;

out:
  close(fd);
  return -1;
}

int __system_property_area_init()
{
  return map_prop_area_rw();
}

代码比较好理解，主要内容是利用mmap映射property_filename创建了一个共享内存区域，并将共享内存的首地址赋值给全局变量__system_property_area__。

关于mmap映射文件实现共享内存IPC通信机制，可以参考这篇文章：mmap实现IPC通信机制
init_workspace

接下来，我们来看一下init_workspace函数的源码（/system/core/init/property_service.c）：

typedef struct {
  void *data;
  size_t size;
  int fd;
}workspace;

static int init_workspace(workspace *w, size_t size)
{
  void *data;
  int fd = open(PROP_FILENAME, O_RDONLY | O_NOFOLLOW);
  if (fd < 0)
    return -1;

  w->size = size;
  w->fd = fd;
  return 0;
}

客户端进程访问属性内存区域

虽然属性内存区域是init进程创建的，但是Android系统希望其他进程也能够读取这块内存区域里的内容。为了做到这一点，init进程在属性区域初始化过程中做了如下两项工作：

把属性内存区域创建在共享内存上，而共享内存是可以跨进程的。这一点，在上述代码中是通过mmap映射/dev/__properties__文件实现的。pa_workspace变量中的fd成员也保存了映射文件的句柄。
如何让其他进程知道这个共享内存句柄呢？Android先将文件映射句柄赋值给__system_property_area__变量，这个变量属于bionic_lic库中的输出的一个变量，然后利用了gcc的constructor属性，这个属性指明了一个__lib_prenit函数，当bionic_lic库被加载时，将自动调用__libc_prenit，这个函数内部完成共享内存到本地进程的映射工作。

只讲原理是不行的，我们直接来看一下__lib_prenit函数代码的相关实现：

void __attribute__((constructor)) __libc_prenit(void);
void __libc_prenit(void)
{
  // ...
  __libc_init_common(elfdata); // 调用这个函数
  // ...
}


__libc_init_common函数为：

void __libc_init_common(uintptr_t *elfdata)
{
  // ...
  __system_properties_init(); // 初始化客户端的属性存储区域
}

 
__system_properties_init函数有回到了我们熟悉的/bionic/libc/bionic/system_properties.c文件：

static int get_fd_from_env(void)
{
  char *env = getenv("ANDROID_PROPERTY_WORKSPACE");

  if (! env) {
    return -1;
  }

  return atoi(env);
}

static int map_prop_area()
{
  bool formFile = true;
  int result = -1;
  int fd;
  int ret;

  fd = open(property_filename, O_RDONLY | O_NOFOLLOW | O_CLOEXEC);
  if (fd >= 0) {
    /* For old kernels that don't support O_CLOEXEC */
    ret = fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
    if (ret < 0)
      goto cleanup;
  }

  if ((fd < 0) && (error == ENOENT)) {
    fd = get_fd_from_env();
    fromFile = false;
  }

  if (fd < 0) {
    return -1;
  }

  struct stat fd_stat;
  if (fstat(fd, &fd_stat) < 0) {
    goto cleanup;
  }

  if ((fd_stat.st_uid != 0)
      || (fd_stat.st_gid != 0)
      || (fd_stat.st_mode & (S_IWGRP | S_IWOTH) != 0)
      || (fd_stat.st_size < sizeof(prop_area))) {
    goto cleanup;
  }

  pa_size = fd_stat.st_size;
  pa_data_size = pa_size - sizeof(prop_area);

  /* 
   * 映射init创建的属性内存到本地进程空间，这样本地进程就可以使用这块共享内存了。
   * 注意：映射时制定了PROT_READ属性，所以客户端进程只能读属性，不能设置属性。
   */
  prop_area *pa = mmap(NULL, pa_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);

  if (pa == MAP_FAILED) {
    goto cleanup;
  }

  if ((pa->magic != PROP_AREA_MAGIC) || (pa->version != PROP_AREA_VERSION && pa->version != PROP_AREA_VERSION_COMPAT)) {
    munmap(pa, pa_size);
    goto cleanup;
  }

  if (pa->version == PROP_AREA_VERSION_COMPAT) {
    compat_mode = true;
  }

  result = 0;

  __system_property_area__ = pa;
cleanup:
  if (fromFile) {
    close(fd);
  }

  return result;
}

int __system_properties_init()
{
  return map_prop_area();
}

通过对源码的阅读，可以发现，客户端通过mmap映射，可以读取属性内存的内容，但是没有权限设置属性。那客户端是如何设置属性的呢？这就涉及到下面要将的属性服务器了。
属性服务器的分析

init进程会启动一个属性服务器，而客户端只能通过与属性服务器的交互来设置属性。
启动属性服务器

先来看一下属性服务器的内容，它由property_service_init_action函数启动，源码如下（/system/core/init/init.c&&property_service.c）：

static int property_service_init_action(int nargs, char **args)
{
  start_property_service();
  return 0;
}

static void load_override_properties()
{
#ifdef ALLOW_LOCAL_PROP_OVERRIDE
  char debuggable[PROP_VALUE_MAX];
  int ret;

  ret = property_get("ro.debuggable", debuggable);
  if (ret && (strcmp(debuggable, "1") == 0)) {
    load_properties_from_file(PROP_PATH_LOCAL_OVERRIDE);
  }
#endif
}

static void load_properties(char *data)
{
  char *key, *value, *eol, *sol, *tmp;

  sol = data;
  while ((eol = strchr(sol, '\n'))) {
    key = sol;
    // 赋值下一行的指针给sol
    *eol ++ = 0;
    sol = eol;

    value = strchr(key, '=');
    if (value == 0) continue;
    *value++ = 0;

    while (isspace(*key)) key ++;
    if (*key == '#') continue;
    tmp = value - 2;
    while ((tmp > key) && isspace(*tmp)) *tmp-- = 0;

    while (isspace(*value)) value ++;
    tmp = eol - 2;
    while ((tmp > value) && isspace(*tmp)) *tmp-- = 0;

    property_set(key, value);
  }
}

int create_socket(const char *name, int type, mode_t perm, uid_t uid, gid_t gid)
{
  struct sockaddr_un addr;
  int fd, ret;
  char *secon;

  fd = socket(PF_UNIX, type, 0);
  if (fd < 0) {
    ERROR("Failed to open socket '%s': %s\n", name, strerror(errno));
    return -1;
  }

  memset(&addr, 0, sizeof(addr));
  addr.sun_family = AF_UNIX;
  snprintf(addr.sun_path, sizeof(addr.sun_path), ANDROID_SOCKET_DIR"/%s", name);

  ret = unlink(addr.sun_path);
  if (ret != 0 && errno != ENOENT) {
    goto out_close;
  }

  ret = bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (ret) {
    goto out_unlink;
  }
  chown(addr.sun_path, uid, gid);
  chmod(addr.sun_path, perm);

  return fd;

out_unlink:
  unlink(addr.sun_path);
out_close:
  close(fd);
  return -1;
}

#define PROP_PATH_SYSTEM_BUILD "/system/build.prop"
#define PROP_PATH_SYSTEM_DEFAULT "/system/default.prop"
#define PROP_PATH_LOCAL_OVERRIDE "/data/local.prop"
#define PROP_PATH_FACTORY "/factory/factory.prop"

void start_property_service(void)
{
  int fd;

  load_properties_from_file(PROP_PATH_SYSTEM_BUILD);
  load_properties_from_file(PROP_PATH_SYSTEM_DEFAULT);
  load_override_properties();
  /*Read persistent properties after all default values have been loaded.*/
  load_persistent_properties();

  fd = create_socket(PROP_SERVICE_NAME, SOCK_STREAM, 0666, 0, 0);
  if (fd < 0) return;
  fcntl(fd, F_SETFD, FD_CLOEXEC);
  fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);

  listen(fd, 8);
  property_set_fd = fd;
}

从上述代码可以看到，init进程除了会预写入指定文件（例如：system/build.prop）属性外，还会创建一个UNIX Domain Socket，用于接受客户端的请求，构建属性。那这个socket请求是再哪里被处理的呢？
答案是：在init中的for循环处已经进行了相关处理。

服务端处理设置属性请求

接收属性设置请求的地方是在init进程中，相关代码如下所示：

int main(int argc, char **argv)
{
  // ...省略不相关代码

  for (;;) {
    // ...
    for (i = 0; i < fd_count; i ++) {
      if (ufds[i].fd == get_property_set_fd())
        handle_property_set_fd();
    }
  }
}

从上述代码可以看出，当属性服务器收到客户端请求时，init进程会调用handle_property_set_fd函数进行处理，函数位置是：system/core/init/property_service.c，我们来看一下这个函数的实现源码：

void handle_property_set_fd()
{
  prop_msg msg;
  int s;
  int r;
  int res;
  struct ucred cr;
  struct sockaddr_un addr;
  socklen_t addr_size = sizeof(addr);
  socklen_t cr_size = sizeof(cr);
  char *source_ctx = NULL;

  // 接收TCP连接
  if ((s = accept(property_set_fd, (struct sockaddr *) &addr, &addr_size)) < 0) {
    return;
  }

  // 接收客户端请求数据
  r = TEMP_FAILURE_RETRY(recv(s, &msg, sizeof(msg), 0));
  if (r != sizeof(prop_msg)) {
    ERROR("sys_prop: mis-match msg size received: %d expected : %d errno: %d\n", r, sizeof(prop_msg), errno);
    close(s);
    return;
  }

  switch(msg.cmd) {
  case PROP_MSG_SETPROP:
    msg.name[PROP_NAME_MAX - 1] = 0;
    msg.value[PROP_VALUE_MAX - 1] = 0;

    if (memcmp(msg.name, "ctl.", 4) == 0) {
      close(s);
      if (check_control_perms(msg.value, cr.uid, cr.gid, source_ctx)) {
        handle_control_message((char*) msg.name + 4, (char*) msg.value);
      } else {
        ERROR("sys_prop: Unable to %s service ctl [%s] uid:%d gid:%d pid:%d\n", msg.name + 4, msg.value, cr.uid, cr.gid, cr.pid);
      }
    } else {
      if (check_perms(msg.name, cr.uid, cr.gid, source_ctx)) {
        property_set((char *) msg.name, (char*) msg.value);
      }
      close(s);
    }
    break;
  default:
    close(s);
    break;
  }
}

当客户端的权限满足要求时，init就调用property_set进行相关处理。property_set源码实现如下：

int property_set(const char *name, const char *value)
{
  prop_info *pi;
  int ret;

  size_t namelen = strlen(name);
  size_t valuelen = strlen(value);

  if (! is_legal_property_name(name, namelen)) return -1;
  if (valuelen >= PROP_VALUE_MAX) return -1;

  // 从属性空间中寻找是否已经存在该属性值
  pi = (prop_info*) __system_property_find(name);
  if (pi != 0) {
    // ro开头的属性被设置后，不允许再被修改
    if (! strncmp(name, "ro.", 3)) return -1;

    __system_property_update(pi, value, valuelen);
  } else {
    ret = __system_property_add(name, namelen, value, valuelen);
  }

  // 有一些特殊的属性需要特殊处理，例如net.和persist.开头的属性
  if (strncmp("net.", name, strlen("net.")) == 0) {
    if (strcmp("net.change", name) == 0) {
      return 0;
    }
    property_set("net.change", name);
  } else if (persistent_properties_loaded && strncmp("persist.", name, strlen("persist.")) == 0) {
    write_persistent_property(name, value);
  }
  property_changed(name, value);
  return 0;
}

属性服务器端的工作基本到这里就完成了。最后，我们来看一下客户端是如何发送设置属性的socket请求。
客户端发送请求

客户端设置属性时是调用了property_set(“sys.istest”, “true”)方法。从上述分析可知，该方法实现跟服务器端的property_set方法不同，该方法一定是发送了socket请求，该方法源码位置为：/system/core/libcutils/properties.c：

int property_set(const char *key, const char *value)
{
  return __system_property_set(key, value);
}

可以看到，property_set调用了__system_property_set方法，这个方法位于：/bionic/libc/bionic/system_properties.c文件中：

struct prop_msg
{
  unsigned cmd;
  char name[PROP_NAME_MAX];
  char value[PROP_VALUE_MAX];
};
typedef struct prop_msg prop_msg;

static int send_prop_msg(prop_msg *msg)
{
  struct pollfd pollfds[1];
  struct sockaddr_un addr;
  socklen_t alen;
  size_t namelen;
  int s;
  int r;
  int result = -1;

  s = socket(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0);
  if (s < 0) {
    return result;
  }

  memset(&addr, 0, sizeof(addr));
  namelen = strlen(property_service_socket);
  strlcpy(addr.sun_path, property_service_socket, sizeof(addr.sun_path));
  addr.sun_family = AF_LOCAL;
  alen = namelen + offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + 1;

  if (TEMP_FAILURE_RETRY(connect(s, (struct sockaddr *) &addr, alen)) < 0) {
    close(s);
    return result;
  }

  r = TEMP_FAILURE_RETRY(send(s, msg, sizeof(prop_msg), 0));

  close(s);
  return result;
}

int __system_property_set(const char *key, const char *value)
{
  int err;
  prop_msg msg;

  if (key == 0) return -1;
  if (value == 0) value = "";
  if (strlen(key) >= PROP_NAME_MAX) return -1;
  if (strlen(value) >= PROP_VALUE_MAX) return -1;

  memset(&msg, 0, sizeof(msg));
  msg.cmd = PROP_MSG_SETPROP;
  strlcpy(msg.name, key, sizeof(msg.name));
  strlcpy(msg.value, value, sizeof(msg.value));

  err = send_prop_msg(&msg);
  if (err < 0) {
    return err;
  }
  return 0;
}

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