圖解 Android 系列（一）揭祕 Android 系統啟動過程
當我們按下手機開機按鍵後，手機就會啟動了。然後會看到 Logo，開機動畫，最後會進入到手機桌面（Launcher），手機也就啟動完成了。
我一直搞不明白，這個過程到底做了什麼？為什麼按一個按鍵，手機就啟動了呢？
隨著對 Android 的瞭解越來越多，直到閱讀了原始碼，才逐漸解答了我的疑惑。如果你也有相同疑惑，請繼續往下看，我將從原始碼的角度分析下 Android 系統啟動的整個流程。
計算機是如何啟動的？
智慧手機相當於是精簡版的計算機，我們先看看計算機是如何啟動的？
首先熟悉一些概念，我們知道計算機的硬體包括：CPU、記憶體、硬碟、顯示卡、顯示器、鍵盤、滑鼠等其他輸入輸出裝置。所有的軟體（比如：作業系統）都是存放在硬碟上的，程式執行時需要將程式從硬碟上讀取到記憶體中，然後載入到 CPU 中來執行的。
當我們按下開機鍵時，此時記憶體中什麼都沒有，因此需要藉助某種方式，將作業系統載入到記憶體中，而完成這項任務的就是 BIOS。
BIOS
BIOS: Basic Input/Output System（基本輸入輸出系統），在 IBM PC 相容系統上，是一種業界標準的韌體介面（來自維基百科）。
BIOS 一般是主機板晶片上的一個程式，計算機通電後，第一件事就是讀取它。BIOS 程式啟動後，首先會檢查計算機硬體能否滿足執行的基本條件，這個過程叫做「硬體自檢」（Power-On Self-Test），縮寫為 POST。
自檢過程中如果硬體出現問題，主機板會發出不同含義的蜂鳴，啟動將中止。 如果沒有問題，螢幕就會顯示出 CPU，記憶體，硬碟等資訊。也就是我們按下開機按鍵後經常看到的，螢幕上快速滾動各種提示。
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硬體自檢完成後，BIOS 會把控制權轉交給下一階段的啟動程式。
這時 BIOS 需要知道，下一階段的啟動程式到底存放在哪一個裝置當中。也就是說 BIOS 需要有一個外部儲存裝置的排序，排在前面的裝置就是優先轉交控制權的裝置。 這種排序叫做啟動排序，也就是我們平時進入 BIOS 介面（比如：按 F9/F10 等等，這裡裝過系統的小夥伴應該比較熟悉）時能看到的 Boot Sequence。
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如果我們沒有進行特殊操作的話，那麼 BIOS 就會按照這個啟動順序將控制權交給下一個儲存裝置。 我們在使用 U 盤或者光碟之類的安裝系統時就是在這裡將啟動順序改變了，將本來要移交給硬碟的控制權交給了 U 盤或者光碟。
主引導記錄
BIOS 按照啟動順序，把控制權轉交給排在第一位的儲存裝置。第一儲存裝置被啟用後，計算機讀取該裝置的第一個扇區，也就是讀取最前面的 512 個位元組。
這最前面的 512 個位元組，就叫做主引導記錄（Master boot record，縮寫為 MBR）。
主引導記錄 MBR 是位於磁碟最前邊的一段引導程式碼。它負責磁碟作業系統對磁碟進行讀寫時分割槽合法性的判別、分割槽引導資訊的定位，它由磁碟作業系統在對硬碟進行初始化時產生的。
硬碟的主引導記錄 MBR 是不屬於任何一個作業系統的，它先於所有的作業系統而被調入記憶體，併發揮作用，然後才將控制權交給主分割槽內的作業系統，並用主分割槽資訊表來管理硬碟。
MBR 只有512個位元組，放不了太多東西。 它的主要作用是，告訴計算機到硬碟的哪一個位置去找作業系統。
主引導記錄由三個部分組成：
- 第 1 - 446 位元組：呼叫作業系統的機器碼。
- 第 447 - 510 位元組：分割槽表（Partition table）。
- 第 511 - 512 位元組：主引導記錄簽名（0x55 和 0xAA）。
其中，第二部分「分割槽表」的作用，就是將硬碟分成若干個區。硬碟分割槽有很多好處，考慮到每個區可以安裝不同的作業系統，「主引導記錄」因此必須知道將控制權轉交給哪個區。
分割槽表的長度只有 64 個位元組，裡面又分成四項，每項 16 個位元組。所以，一個硬碟最多隻能分四個一級分割槽，又叫做「主分割槽」。
四個主分割槽裡面，只有一個是啟用的。計算機會讀取啟用分割槽的第一個扇區，叫做卷引導記錄（Volume boot record，縮寫為 VBR ）。卷引導記錄的主要作用是，告訴計算機，作業系統在這個分割槽裡的位置。
如果這 512 個位元組的最後兩個位元組是 0x55 和 0xAA ，表明這個裝置可以用於啟動；如果不是，表明裝置不能用於啟動，控制權於是被轉交給啟動順序中的下一個裝置。
當計算機載入 MBR 後，計算機會從 MBR 中知道當前硬碟的檔案格式、硬碟分割槽情況、系統盤存放位置等資訊，然後控制權將被移交給了系統盤所在的分割槽。
如果硬碟上裝有多個系統的話，在找到可用的 MBR 後，計算機從 MBR 中讀取前面 446 位元組的機器碼之後，不再把控制權轉交給某一個分割槽，而是執行事先安裝的啟動管理器（boot loader），由使用者選擇啟動哪一個作業系統。
Windows 中是 Boot Manager。
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Linux 環境中，目前最流行的啟動管理器是 Grub。
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載入核心階段
選擇完作業系統後，控制權轉交給作業系統，作業系統的核心首先被載入記憶體。
以 Linux 系統為例，先載入 /boot 目錄下面的 kernel。 核心載入成功後，第一個執行的程式是 /sbin/init。 它根據配置檔案（Debian 系統是 /etc/initab ）產生 init 程序。 這是 Linux 啟動後的第一個使用者程序，pid 程序編號為 1，其他程序都是它的後代。
然後，init 程序載入系統的各個模組，比如：視窗程式和網路程式，直至執行 /bin/login 程式，跳出登入介面，等待使用者輸入使用者名稱和密碼。
至此，計算機全部啟動過程完成。
Android 系統啟動過程
瞭解了計算機的啟動流程，我們再來看一下 Android 系統的啟動過程。Android 系統是基於 Linux 核心的，所以啟動過程與 Linux 系統有很多相似的地方。
由於 Android 屬於嵌入式裝置，並沒有像計算機上那樣的 BIOS 程式， 取而代之的是 Bootloader —— 系統啟動載入器。 它類似於 BIOS，在系統載入前，用以初始化硬體裝置，建立記憶體空間的映像圖，為最終呼叫系統核心準備好環境。
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在 Android 裡沒有硬碟，而是 ROM，它類似於硬碟存放作業系統，使用者程式等。 ROM 跟硬碟一樣也會劃分為不同的區域，用於放置不同的程式，在 Android 中主要劃分為一下幾個分割槽：
- /boot：存放載入程式，包括核心和記憶體操作程式。
- /system：相當於電腦 C 盤，存放 Android 系統及系統應用。
- /recovery：恢復分割槽，可以進入該分割槽進行系統恢復。
- /data：使用者資料區，包含了使用者的資料：聯絡人、簡訊、設定、使用者安裝的程式。
- /cache：安卓系統快取區，儲存系統最常訪問的資料和應用程式。
- /misc：包含一些雜項內容，如系統設定和系統功能啟用禁用設定。
- /sdcard：使用者自己的儲存區，可以存放照片，音樂，視訊等檔案。
Bootloader
那麼 Bootloader 是如何被載入的呢？
與計算機啟動過程類似，當按下電源按鍵後，引導晶片程式碼開始從預定義的地方（固化在 ROM 中的預設程式碼）開始執行，晶片上的 ROM 會尋找 Bootloader 程式碼，並載入到記憶體（RAM）中。
接著 Bootloader 開始執行，Bootloader 會讀取 ROM 找到作業系統並將 Linux 核心載入到 RAM 中。
當 Linux 核心啟動後會初始化各種軟硬體環境，載入驅動程式，掛載根檔案系統，Linux 核心載入的最後階段會啟動並執行第一個使用者空間程序 init 程序。
Linux 核心
Android 系統本質上就是一個基於 Linux 核心的作業系統，與 Ubuntu Linux、Fedora Linux 類似，我們要了解 Android 系統，必定先要了解一些 Linux 核心的知識。
Linux 核心的東西特別多，本文也不可能全部講完，本文主要介紹 Android 系統啟動流程，所以這裡主要介紹一些核心啟動相關的知識。
Linux 核心啟動過程主要涉及 3 個特殊的程序，swapper 程序（又稱為 idle 程序，PID = 0）， init 程序（PID = 1）和 kthreadd 程序（PID = 2），這三個程序是核心的基礎。
- idle 程序是 Linux 系統第一個程序，是 init 程序和 kthreadd 程序的父程序。
- init 程序是 Linux 系統第一個使用者程序，是 Android 系統應用程式的始祖，我們的 app 都是直接或間接以它為父程序。
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kthreadd 程序是 Linux 系統核心管家，所有的核心執行緒都是直接或間接以它為父程序。
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idle 程序
很多文章講 Android 都從 init 程序講起，它的程序號是 1，既然程序號是 1，那麼有沒有程序號是 0 的程序呢？其實是有的。
這個程序名字叫 init_task，後期會退化為「idle」，它是 Linux 系統的第一個程序（init 程序是第一個使用者程序），也是唯一一個沒有通過 fork 或者 kernel_thread 產生的程序，它在完成初始化操作後，主要負責程序排程、交換。
idle 程序是 Linux 系統的第一個程序，程序號是 0，在完成系統環境初始化工作之後，開啟了兩個重要的程序，init 程序和 kthreadd 程序，執行完建立工作之後，開啟一個無限迴圈，負責程序的排程。
kthreadd 程序
kthreadd 程序由 idle 通過 kernel_thread 建立，並始終執行在核心空間, 負責所有核心執行緒的排程和管理，所有的核心執行緒都是直接或者間接的以 kthreadd為 父程序。
init 程序
init 程序啟動分為前後兩部分，前一部分是在核心啟動的，主要是完成建立和核心初始化工作，內容都是跟 Linux 核心相關的；後一部分是在使用者空間啟動的，主要完成 Android 系統的初始化工作。
Android 系統一般會在根目錄下放一個 init 的可執行檔案，也就是說 Linux 系統的 init 程序在核心初始化完成後，就直接執行 init 這個檔案，這個檔案的原始碼在 /system/core/init/init.cpp。
介紹到這裡，我們來看下目前 Android 系統做了哪些工作，如下圖：
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總結
本文介紹的內容相對比較簡單，主要是想帶大家瞭解了一下計算機啟動的流程，瞭解一下 Android 系統從按下電源鍵到 init 程序開始啟動的過程，為以後的章節做下準備。
接下來的章節會涉及到 Android 系統原始碼，建議大家準備一下系統原始碼，對著原始碼學習會更加印象深刻，事半功倍。
原始碼基於：Android Oreo（8.0）
關於原始碼下載
可以參考下面方式下載 Android 原始碼：
- Windows 環境下載 Android 原始碼
- 官方文件（需要梯子） - macOS、Linux 環境下載 Android 原始碼
也可以線上檢視原始碼：
- Android XRef
- Android OS
原始碼檢視工具
原始碼檢視工具推薦使用 Visual Studio Code 我用的就是這個，也可以使用 Source Insight 不過是要付費的，並且只有 Windows 平臺，大家根據個人喜好自行選擇就好。
最後介紹個QQ群：979045005，Android開發的朋友可以加一下，有什麼新技術大家一起交流學習一下，整理了一些乾貨，需要的話，可以進群找管理免費領取，不多說直接上圖吧！
