Android Framework | 一种新型的应用启动机制:USAP

本文分析基于Android R

前言

一说到应用启动，估计大伙儿就会想到zygote进程。确实，正如其中文释义“受精卵”一样，其主要的作用就是孵化出一个又一个的应用进程。

传统的应用启动模式由system_server中的AMS接收请求，之后通过socket告知zygote，让其完成fork动作，这样新进程便创建出来。不过从Android Q(10)开始，Google引入了一种新的机制：USAP(Unspecialized App Process)。通过prefork的方式提前创建好一批进程，当有应用启动时，直接将已经创建好的进程分配给它，从而省去了fork的动作，因此可以提升性能。

这种机制在AOSP的源码中默认是关闭的，但估计很多手机厂家已经提前尝鲜了。

1. USAP进程的工作流程

当开启USAP的功能后，zygote会维护一个进程池，其中最多可容纳10个USAP进程。以下是根据图示罗列的详细工作流程。

Zygote首先会fork出10个进程，将其加入到进程池中。被创建出来的USAP进程并不会执行具体逻辑，而是等待socket通信的到来。不过有一个细节，在等待socket通信之前，USAP进程会提升调度优先级，这样如果应用需要启动时，它能以最快的速度响应。

[frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/Zygote.java]

635  private static Runnable usapMain(LocalServerSocket usapPoolSocket,
636  								 FileDescriptor writePipe) {
637  	final int pid = Process.myPid();
638  	Process.setArgV0(Process.is64Bit() ? "usap64" : "usap32");
639  
640  	LocalSocket sessionSocket = null;
641  	DataOutputStream usapOutputStream = null;
642  	Credentials peerCredentials = null;
643  	ZygoteArguments args = null;
644  
645  	// Change the priority to max before calling accept so we can respond to new specialization
646  	// requests as quickly as possible.  This will be reverted to the default priority in the
647  	// native specialization code.
648  	boostUsapPriority();   <================= 提升进程调度优先级
649  
650  	while (true) {
651  		try {
652  			sessionSocket = usapPoolSocket.accept();

USAP进程等待的socket通信将会何时到来？这取决于应用进程何时启动。当AMS接收到启动需求时，其会调用Process.start()。当决定采用USAP的方式启动时，system_server便会发起socket通信，将所有启动参数发送过去。由于此时有10个USAP进程都在等待同一个socket端口，因此系统底层会随机唤醒一个进程来处理此次通信。

[frameworks/base/core/java/android/os/ZygoteProcess.java]

495  try (LocalSocket usapSessionSocket = zygoteState.getUsapSessionSocket()) {
496      final BufferedWriter usapWriter =
497              new BufferedWriter(
498                      new OutputStreamWriter(usapSessionSocket.getOutputStream()),
499                      Zygote.SOCKET_BUFFER_SIZE);
500      final DataInputStream usapReader =
501              new DataInputStream(usapSessionSocket.getInputStream());
502 
503      usapWriter.write(msgStr);   <============== 发起socket请求
504      usapWriter.flush();    
505 
506      Process.ProcessStartResult result = new Process.ProcessStartResult();
507      result.pid = usapReader.readInt();   <=========== 等待USAP进程将自己的pid告知system_server

USAP进程被唤醒，调用specializeAppProcess来完成“腾笼换鸟”的工作。最终调入ActivityThread.main方法中去，进而完成应用的启动。

当该进程退出时，它不会回到USAP Pool中，而是直接被zygote回收。zygote接收到SIGCHLD信号后，会调用SigChldHandler进行处理。过程中会通过socket将回收的进程数告知system_server。目前这个信息未被使用，可能未来会有些新的设计。

2. USAP Pool的填充过程

随着启动的应用越来越多，USAP Pool中的进程将会不断消耗，因此便会涉及到重新填充(refill)的过程。

USAP Pool中设定了两个阈值，分别对应两种refill的方式。

2.1 Delayed Refill

每当USAP进程被使用时，它都会通过pipe将自己的pid告知zygote。这样zygote就可以将它从pool中删去。删去之后，zygote会去检查pool中剩余(空闲)进程的数量。当数量不超过一半(5)时，便会发起一次refill事件来fork出新的进程填充到pool中去。

真实的refill动作是滞后3秒的，这样可以和应用启动过程间隔开。因为当zygote接收到USAP进程的pid时，也意味着USAP进程正要执行specializeAppProcess，为了避免refill过程和应用启动过程抢夺系统资源(CPU资源)从而影响启动速度，原生设计中采用延时执行的方式。

[frameworks/base/core/java/android/os/ZygoteProcess.java]

731  try {
732      ByteArrayOutputStream buffer =
733              new ByteArrayOutputStream(Zygote.USAP_MANAGEMENT_MESSAGE_BYTES);
734      DataOutputStream outputStream = new DataOutputStream(buffer);
735
736      // This is written as a long so that the USAP reporting pipe and USAP pool event FD
737      // handlers in ZygoteServer.runSelectLoop can be unified.  These two cases should
738      // both send/receive 8 bytes.
739      outputStream.writeLong(pid);   
740      outputStream.flush();
741
742      Os.write(writePipe, buffer.toByteArray(), 0, buffer.size());   <======= 往zygote发送pid
743  } catch (Exception ex) {
744      Log.e("USAP",
745              String.format("Failed to write PID (%d) to pipe (%d): %s",
746                      pid, writePipe.getInt$(), ex.getMessage()));
747      throw new RuntimeException(ex);
748  } finally {
749      IoUtils.closeQuietly(writePipe);
750  }
751
752  specializeAppProcess(args.mUid, args.mGid, args.mGids,     <================ 应用后续启动过程
753                       args.mRuntimeFlags, rlimits, args.mMountExternal,
754                       args.mSeInfo, args.mNiceName, args.mStartChildZygote,
755                       args.mInstructionSet, args.mAppDataDir, args.mIsTopApp,
756                       args.mPkgDataInfoList, args.mWhitelistedDataInfoList,
757                       args.mBindMountAppDataDirs, args.mBindMountAppStorageDirs);

2.2 Immediate Refill

在Delay Refill的3秒内，系统有可能会有新的启动请求。当USAP Pool中的进程不断被消耗，以至于消耗殆尽时，这时便需要另一种机制，来保证USAP Pool的正常轮转。

当USAP Pool中最后一个进程被用掉后，zygote会发起一次immediate fork。由于这次fork在时间上和应用启动过程冲突，所以zygote只fork出一个进程，从而将影响降到最低。新fork出的进程会立即补充到pool中，这样接下来再有应用启动时，不会落入无USAP可用的境地。

此外，zygote会再安排一次Delayed Refill用于完整填充，多数情况下这一步没有必要(之前有一次Delayed Refill正在执行的路上)，但加上它更加保险。

3. 如何开启/关闭

USAP的开启/关闭都通过property来实现。

一种方式是在build.prop中增加一行。

persist.device_config.runtime_native.usap_pool_enabled=true

另一种方式是获取root权限后，调用setprop设置。

setprop persist.device_config.runtime_native.usap_pool_enabled true

开启和关闭的过程都是动态的，但生效的时机较为有趣。只有等property修改完后再一次启动应用时，10个USAP进程才会创建出来。关闭的时机也一样，只不过zygote会给空闲的USAP进程发送SIGTERM信号来结束它的生命，同时清空pool。

4. 总结

总体而言，USAP的机制较为简单，只是源码中的socket/pipe名称容易混乱，罗列如下。

名称	作用
名为"usap_pool_primary"的socket	system_server通过它将启动参数发送给USAP进程
gUsapPoolEventFD ZygoteServer.mUsapPoolEventFD	SigChldHandler通过它将已退出的进程数发送给zygote进程
（gUsapTable中元素的)read_pipe_fd	USAP进程通过它将自身pid发送给zygote进程
名为"zygote"的socket	system_server通过它将命令参数发送给zygote进程

至于此项机制到底能带来多少性能提升，笔者尚未测试过。如果有手机厂家的伙伴掌握了一手测试数据，不妨在评论里分享下😊。