Android 源码解读-应用是如何启动的

作者：Android帅次

前言

作为多年的 Android 开发，写了不少应用，但是一个App到底是怎么启动起来的？你要说桌面点一下就启动了，那也对。但是它的启动过程呢？带着这样的疑问，咱们来一步步学习。

Android 启动过程

一般在任何平台上，都会逐步加载和执行以下组件：

• Boot loader
• U-boot (optional)
• Kernel
• Android

Android进程有以下顺序：

• Init
• Zygote
• System Server
• Service Manager
• Other Daemons and processes
• Applications

具体情况如下图，这两幅图结合起来比较有意思：

• Boot ROM：当电源按下时，引导芯片代码会从预定义的地方(固化在ROM)开始执行，加载引导程序BootLoader到RAM,然后执行。（这一步由"芯片厂商"负责设计和实现）

• Boot loader：Bootloader开始执行，首先负责完成硬件的初始化，引导操作系统启动。（这一步由"设备厂商"负责设计和实现）

• Kernel：Linux 内核是 Android 的核心，负责进程创建、进程间通信、设备驱动程序、文件系统管理等。 Android 在主流内核上应用自定义补丁来支持 Android 运行所需的某些功能，如唤醒锁等。内核可以作为未压缩图像或压缩图像加载。在加载时，它挂载根文件系统（通常作为内核命令行参数传递）并启动用户空间中的第一个应用程序。（这一步则是Android内核开发过程中需要涉及的地方）

• Android：Android系统以及各大Linux的发行版，他们的Linux内核部分启动过程都是差不多的，他们之间最大的区别就在于init程序的不同，因为init程序决定了系统在启动过程中，究竟会启动哪些守护进程和服务，以及呈现出怎样的一个用户UI界面。

因此，init程序是分析Android启动过程中最核心的程序。

• init 和 init.rc：启动内核时执行的第一个用户空间应用程序是位于根文件夹中的 init 可执行文件。该进程解析称为"init.rc"脚本的启动脚本。这是用一种专为 android 设计的语言编写的，用于启动所有必要的进程、守护程序和服务，以便 android 正常运行。它提供了各种类型的执行时间，例如 early-init、on-boot、on-post-fs 等。(用户空间的鼻祖)

• Demons and Services：init 进程创建了各种守护进程和进程，如 rild、vold、mediaserver、adb 等，每个进程负责自己的功能。这些进程的描述不在本文的范围内。相反，我们将更多地讨论"Zygote"进程。

• Service Manager：Service Manager进程 管理系统中运行的所有Service。创建的每个服务都会在此进程中注册自己，并且此信息供其他进程/应用程序将来参考。

• Zygote：Zygote 是启动时创建的第一个 init 进程之一。术语"合子"是基于生物学"形成的初始细胞分裂产生后代"。类似地，"zygote in android"初始化 Dalivik VM(ART) 和 fork 以创建多个实例来支持每个 android 进程。它有助于在 VM 实例之间使用共享代码，从而减少内存占用和加载时间，非常适合嵌入式系统。Zygote 除了在服务器套接字上安装侦听器外，还预加载了稍后在 Android 应用程序中使用的类和资源。完成后，系统服务器启动。

• System Server：SystemServer 进程启动 Android 中可用的所有服务。

本文咱们重点从 init 开始到应用启动。

1、Zygote是什么

在Android系统里面，zygote是一个进程的名字。Android是基于Linux System的，当你的手机开机的时候，Linux的内核加载完成之后就会启动一个叫"init"的进程。在Linux System里面，所有的进程都是由init进程fork出来的，我们的zygote进程也不例外。

Zygote是一个虚拟机进程，同时也是一个虚拟机实例的孵化器，每当系统要求执行一个Android应用程序，Zygote就会fork(分裂）出一个子进程来执行该应用程序。

1.1 app_main.cpp

frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp

在Zygote启动后就会执行 app_main.cpp。不管是C/c++/java，他们的入口就是 main(),就跟看到 Activity 咱们直接找 onCreate() 方法一样。

1.1.1 main()

int main(int argc, char* const argv[])
{
    ...
    //注释1：初始化AppRuntime(AndroidRunTime)
    AppRuntime runtime(argv[0], computeArgBlockSize(argc, argv));
    ...
    // Parse runtime arguments.  Stop at first unrecognized option.
    bool zygote = false;
    bool startSystemServer = false;
    bool application = false;
    String8 niceName;
    String8 className;

    ++i;  // Skip unused "parent dir" argument.
    while (i < argc) {
        const char* arg = argv[i++];
        //注释2:设置zygote模式
        if (strcmp(arg, "--zygote") == 0) {
            zygote = true;
            niceName = ZYGOTE_NICE_NAME;
        } 
        ...
    }
    Vector args;
    if (!className.isEmpty()) {
        ...
    } else {
        // 我们处于 zygote 模式。
        maybeCreateDalvikCache();

        // 注释3：在 zygote 模式下，将参数传递给 ZygoteInit.main() 方法。
        if (startSystemServer) {
            args.add(String8("start-system-server"));
        }

        //PROP_VALUE_MAX = 92；
        char prop[PROP_VALUE_MAX];
        ...
        String8 abiFlag("--abi-list=");
        abiFlag.append(prop);
        args.add(abiFlag);

        for (; i < argc; ++i) {
            args.add(String8(argv[i]));
        }
    }    
    if (zygote) {
        //注释4:调用 AndroidRuntime.start() 方法
        runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", args, zygote);
    } else if (className) {
        ...
    } else {
        ...
    }
}
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注释1：初始化 AppRuntime ，其实就是 AndroidRuntime(ART)。

注释2：设置zygote模式。

注释3：将参数传递给 ZygoteInit.main() 方法。

注释4：启动 ZygoteInit 。这里的 ZygoteInit 就是 zygote 进程的启动类。这个下面讲到。咱们先看看AndroidRuntime 的 start() 方法。

1.2 AndroidRuntime.cpp

frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

Android 虚拟机

1.2.1 start()

/*
 * Start the Android runtime.  This involves starting the virtual machine and calling the "static void main(String[] args)" method in the class named by "className".
 *
 * Passes the main function two arguments, the class name and the specified
 * options string.
 */
void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector& options, bool zygote)
{
    ...
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    //注释1:启动虚拟机
    if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote, primary_zygote) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);

    //注释2:注册安卓功能(JNI)
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }
    ...
    strArray = env->NewObjectArray(options.size() + 1, stringClass, NULL);
    ...
    /*
     * 启动虚拟机。 该线程成为VM的主线程，直到VM退出才会返回。
     */
    char* slashClassName = toSlashClassName(className != NULL ? className : "");
    jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
    if (startClass == NULL) {
        ...
    } else {
        ...
        jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
            "([Ljava/lang/String;)V");
        if (startMeth == NULL) {
            ...
        } else {
            //注释3
            env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
            if (env->ExceptionCheck())
                threadExitUncaughtException(env);
        }
    }
    ...
}
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注释1：启动VM(虚拟机)

注释2：注册安卓功能(JNI)

注释3：便用JNI调用 Zygotelnit 的 main() 方法。这里的 Zygotelnit 是class文件，也就是说从这里开始就进入java领域喽。

JNI：连接 native(C/C++) 层 和 java 层的桥梁。

1.3 ZygoteInit.java

frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

/**
 * zygote 进程的启动类。
 */
public class ZygoteInit {
    ...
}
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这是 Zygote 进程的入口点。 它创建 Zygote 服务，加载资源，并处理与准备分叉到应用程序的过程相关的其他任务。

1.3.1 main()

    @UnsupportedAppUsage
    public static void main(String[] argv) {
        ZygoteServer zygoteServer = null;

        try {
            ...
            boolean startSystemServer = false;
            //argv:用于指定 Zygote 配置的命令行参数。
            ...
            if (!enableLazyPreload) {
                //注释1：预加载资源。
                preload(bootTimingsTraceLog);
                EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                        SystemClock.uptimeMillis());
                bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // ZygotePreload
            }
            ...
            //注释2：创建Zygote 的 LocalServerSocket 。
            zygoteServer = new ZygoteServer(isPrimaryZygote);

            if (startSystemServer) {
                //注释3：开始fork我们的SystemServer进程。
                Runnable r = forkSystemServer(abiList, zygoteSocketName, zygoteServer);
                ...
            }
            ...
            // 注释4：zygote 永久循环。
            caller = zygoteServer.runSelectLoop(abiList);            
        } catch (Throwable ex) {
            ...
        } finally {
            if (zygoteServer != null) {
                zygoteServer.closeServerSocket();
            }
        }
        ...
    }
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注释1：预加载资源。

注释2：创建Zygote 的 LocalServerSocket 。

注释3：开始 fork 我们的 SystemServer 进程。

注释4：zygote 永久循环。

这里咱们看看 forkSystemServer() ;

1.3.2 forkSystemServer()

    /**
     * Prepare the arguments and forks for the system server process.
     *
     * @return A {@code Runnable} that provides an entrypoint into system_server code in the child
     * process; {@code null} in the parent.
     */
    private static Runnable forkSystemServer(String abiList, String socketName,
            ZygoteServer zygoteServer) {
        ...
        //命令行来启动SystemServer
        //ZygoteInit.main(String argv[])里面的argv 跟这个类似
        String[] args = {
                "--setuid=1000",
                "--setgid=1000",
                "--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,1021,1023,"
                        + "1024,1032,1065,3001,3002,3003,3006,3007,3009,3010,3011",
                "--capabilities=" + capabilities + "," + capabilities,
                "--nice-name=system_server",
                "--runtime-args",
                "--target-sdk-version=" + VMRuntime.SDK_VERSION_CUR_DEVELOPMENT,
                "com.android.server.SystemServer",
        };
        //处理与 zygote spawner 相关的 args 的参数解析。
        ZygoteArguments parsedArgs;
        int pid;
        try {
            ZygoteCommandBuffer commandBuffer = new ZygoteCommandBuffer(args);
            try {
                parsedArgs = ZygoteArguments.getInstance(commandBuffer);
            } catch (EOFException e) {
                throw new AssertionError("Unexpected argument error for forking system server", e);
            }
            commandBuffer.close();
            ...

            //请求 fork 系统服务器进程
            /* Request to fork the system server process */
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.mUid, parsedArgs.mGid,
                    parsedArgs.mGids,
                    parsedArgs.mRuntimeFlags,
                    null,
                    parsedArgs.mPermittedCapabilities,
                    parsedArgs.mEffectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

        /* For child process */
        if (pid == 0) {
            if (hasSecondZygote(abiList)) {
                waitForSecondaryZygote(socketName);
            }

            zygoteServer.closeServerSocket();
            return handleSystemServerProcess(parsedArgs);
        }

        return null;
    }
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这里启动了一个 system server 。下面咱们就看看他。

2、SystemServer

system server 也就是 SystemServer。SystemServer也是一个进程，包括ActivityTaskManagerService、ActivityManagerService、PackageManagerService、WindowManagerService等92种服务。

Android Framework里面两大非常重要的进程:

• SystemServer进程。

• Zygote进程。

2.1 SystemServer.java

frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java

public final class SystemServer {
    ...
}
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2.1.1 main()

    /**
     * The main entry point from zygote.
     */
    public static void main(String[] args) {
        new SystemServer().run();
    }
    public SystemServer() {
        // Check for factory test mode.
        mFactoryTestMode = FactoryTest.getMode();
        ...
    }    
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下面 咱们看看 run () 里面都用什么？

2.1.2 run()

    private void run() {
        try {
            ...
            // 注释1：加载动态库libandroid_service.so。
            System.loadLibrary("android_servers");

            // 注释2：创建系统上下文。
            createSystemContext();

            // 调用每个进程的主线模块初始化。
            ActivityThread.initializeMainlineModules();

            // 注释3：创建 SystemServiceManager。
            mSystemServiceManager = new SystemServiceManager(mSystemContext);
            mSystemServiceManager.setStartInfo(mRuntimeRestart,
                    mRuntimeStartElapsedTime, mRuntimeStartUptime);
            LocalServices.addService(SystemServiceManager.class, mSystemServiceManager);
            // 为可并行化的 init 任务准备线程池
            SystemServerInitThreadPool.start();
            ...
        } finally {

        }
        // 注释4：Start services。
        try {
            //下面咱们看看这个三个方法启动什么服务
            startBootstrapServices(t);
            startCoreServices(t);
            startOtherServices(t);
        } catch (Throwable ex) {
            ...
        } finally {
            t.traceEnd(); // StartServices
        }

        ...
        // 注释5：Loop 永久循环。
        Looper.loop();
        throw new RuntimeException("Main thread loop unexpectedly exited");
    }
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注释1：加载动态库libandroid_service.so。

注释2：创建系统上下文。

注释3：创建 SystemServiceManager。

注释4：启动服务(startBootstrapServices、startCoreServices、startOtherServices)

注释5：Loop 永久循环。

2.1.3 createSystemContext()

    private void createSystemContext() {
        ActivityThread activityThread = ActivityThread.systemMain();
        mSystemContext = activityThread.getSystemContext();
        mSystemContext.setTheme(DEFAULT_SYSTEM_THEME);

        final Context systemUiContext = activityThread.getSystemUiContext();
        systemUiContext.setTheme(DEFAULT_SYSTEM_THEME);
    }
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初始化系统上下文对象mSystemContext，并设置默认的主题,mSystemContext实际上是一个Context(ContextImpl)对象。

调用ActivityThread.systemMain()的时候，会调用ActivityThread.attach(true)，而在attach()里面，则创建了Application对象，并调用了Application.onCreate()。

2.1.4 startBootstrapServices()

    /**
     * 启动系统引导服务，因为这些服务之间有复杂的相互依赖关系，所以都放在了这个方法里面。
     */
    private void startBootstrapServices(@NonNull TimingsTraceAndSlog t) {
        ...
        final String TAG_SYSTEM_CONFIG = "ReadingSystemConfig";
        SystemServerInitThreadPool.submit(SystemConfig::getInstance, TAG_SYSTEM_CONFIG);

        // PlatformCompat Service 由 ActivityManagerService, PackageManagerService 和 其他服务做使用
        PlatformCompat platformCompat = new PlatformCompat(mSystemContext);
        ServiceManager.addService(Context.PLATFORM_COMPAT_SERVICE, platformCompat);
        ServiceManager.addService(Context.PLATFORM_COMPAT_NATIVE_SERVICE,
                new PlatformCompatNative(platformCompat));
        AppCompatCallbacks.install(new long[0]);

        mSystemServiceManager.startService(FileIntegrityService.class);
        Installer installer = mSystemServiceManager.startService(Installer.class);
        mSystemServiceManager.startService(DeviceIdentifiersPolicyService.class);
        mSystemServiceManager.startService(UriGrantsManagerService.Lifecycle.class);
        startMemtrackProxyService();

        // StartActivityManager
        ActivityTaskManagerService atm = mSystemServiceManager.startService(
                ActivityTaskManagerService.Lifecycle.class).getService();
        //初始化 ActivityManagerService
        mActivityManagerService = ActivityManagerService.Lifecycle.startService(
                mSystemServiceManager, atm);
        mActivityManagerService.setSystemServiceManager(mSystemServiceManager);
        mActivityManagerService.setInstaller(installer);
        mWindowManagerGlobalLock = atm.getGlobalLock();

        mDataLoaderManagerService = mSystemServiceManager.startService(
                DataLoaderManagerService.class);

        mIncrementalServiceHandle = startIncrementalService();
        t.traceEnd();

        //初始化PowerManagerService(电源服务)，需要提前启动，因为其他服务需要它。
        mPowerManagerService = mSystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class);
        mSystemServiceManager.startService(ThermalManagerService.class);

        // 电源管理已经开启，ActivityManagerService负责电源管理功能
        mActivityManagerService.initPowerManagement();

        mSystemServiceManager.startService(RecoverySystemService.Lifecycle.class);
        ...

        mSystemServiceManager.startService(LightsService.class);

        // Package manager isn't started yet; need to use SysProp not hardware feature
        if (SystemProperties.getBoolean("config.enable_sidekick_graphics", false)) {
            mSystemServiceManager.startService(WEAR_SIDEKICK_SERVICE_CLASS);
        }

        // 初始化DisplayManagerService(显示管理器)
        mDisplayManagerService = mSystemServiceManager.startService(DisplayManagerService.class);

        mSystemServiceManager.startBootPhase(t, SystemService.PHASE_WAIT_FOR_DEFAULT_DISPLAY);

        // Start the package manager.
        try {
            mPackageManagerService = PackageManagerService.main(mSystemContext, installer,
                    mFactoryTestMode != FactoryTest.FACTORY_TEST_OFF, mOnlyCore);
        } finally {

        }

        // 现在PackageManagerService已经启动，注册 dex 加载报告器来捕获系统服务加载的任何 dex 文件。
        // 这些 dex 文件将由 BackgroundDexOptService 优化。
        SystemServerDexLoadReporter.configureSystemServerDexReporter(mPackageManagerService);

        mFirstBoot = mPackageManagerService.isFirstBoot();
        mPackageManager = mSystemContext.getPackageManager();
        ...
        //将AMS等添加到ServiceManager中
        mActivityManagerService.setSystemProcess();
        if (!mOnlyCore) {
            boolean disableOtaDexopt = SystemProperties.getBoolean("config.disable_otadexopt",
                    false);
            if (!disableOtaDexopt) {
                try {
                    OtaDexoptService.main(mSystemContext, mPackageManagerService);
                } catch (Throwable e) {

                } finally {
                }
            }
        }

        ...
        mSensorServiceStart = SystemServerInitThreadPool.submit(() -> {
            TimingsTraceAndSlog traceLog = TimingsTraceAndSlog.newAsyncLog();
            startSensorService();
        }, START_SENSOR_SERVICE);

        // startBootstrapServices
    }
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改动比较大的地方：

• ActivityTaskManagerService(ATMS)：负责管理除Activity和进程，包括生命周期和状态切换。

• ActivityManagerService(AMS)：AMN的子类，负责管理三大组件(除Activity)和进程，包括生命周期和状态切换。AMS因为要和ui交互，所以极其复杂，涉及window。

ActivityTaskManagerService：把 Activity 相关的内容从 ActivityManagerService 剥离出来而产生的。

PowerManagerService(PMS)：电源管理服务。

PackageManagerService(PKMS)：包管理服务，不叫PMS是为了和电源管理服务区分开。

2.1.5 startCoreServices()

    /**
     * 启动核心服务。
     */
    private void startCoreServices(@NonNull TimingsTraceAndSlog t) {
        // Service for system config
        mSystemServiceManager.startService(SystemConfigService.class);
        // Tracks the battery level.  Requires LightService.
        mSystemServiceManager.startService(BatteryService.class);
        ...
        mSystemServiceManager.startService(LooperStatsService.Lifecycle.class);

        mSystemServiceManager.startService(ROLLBACK_MANAGER_SERVICE_CLASS);

        mSystemServiceManager.startService(NativeTombstoneManagerService.class);

        mSystemServiceManager.startService(BugreportManagerService.class);

        mSystemServiceManager.startService(GpuService.class);

        // startCoreServices
    }
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2.1.6 startOtherServices()

    /**
     * 启动其他服务。
     */
    private void startOtherServices(@NonNull TimingsTraceAndSlog t) {

        final Context context = mSystemContext;
        VibratorService vibrator = null;
        DynamicSystemService dynamicSystem = null;
        IStorageManager storageManager = null;
        NetworkManagementService networkManagement = null;
        IpSecService ipSecService = null;
        VpnManagerService vpnManager = null;
        VcnManagementService vcnManagement = null;
        NetworkStatsService networkStats = null;
        NetworkPolicyManagerService networkPolicy = null;
        NsdService serviceDiscovery = null;
        WindowManagerService wm = null;
        SerialService serial = null;
        NetworkTimeUpdateService networkTimeUpdater = null;
        InputManagerService inputManager = null;
        TelephonyRegistry telephonyRegistry = null;
        ConsumerIrService consumerIr = null;
        MmsServiceBroker mmsService = null;
        HardwarePropertiesManagerService hardwarePropertiesService = null;
        PacProxyService pacProxyService = null;
        ...
        // 现在便可以开始启动三方APP应用(如Launcher启动桌面)
        mActivityManagerService.systemReady(() -> {
        ...
         }, t);       
        // startOtherServices
    }
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经过上面这些步骤，我们调用调用createSystemContext()创建系统上下文的时候，也已经完成了mSystemContext和ActivityThread的创建。

ATMS、AMS、WMS、PKMS等对象已经创建好了，并且完成了成员变量初始化。

注意：这是系统进程开启时的流程，在这之后，会开启系统的 Launcher程序，完成系统界面的加载与显示。

在Android的框架设计中，服务器端指的就是所有App共用的系统服务，比如我们这里提到的ATMS、AMS、WMS、PKMS等等，这些基础的系统服务是被所有的App公用的。

3、Launcher是什么

在Android系统中，应用程序是由Launcher启动起来的，其实，Launcher本身也是一个应用程序，其它的应用程序安装后，就会Launcher的界面上出现一个相应的图标，点击这个图标时，Launcher就会对应的应用程序启动起来。

当然也可以在 其他应用 启动应用。但是本质上都是调用startActivity()。

3.1 LauncherActivity.java

frameworks/base/core/java/android/app/LauncherActivity.java

/**
 * Displays a list of all activities which can be performed
 * for a given intent. Launches when clicked.
 *
 * @deprecated Applications can implement this UI themselves using
 *   {@link androidx.recyclerview.widget.RecyclerView} and
 *   {@link android.content.pm.PackageManager#queryIntentActivities(Intent, int)}
 */
@Deprecated
public abstract class LauncherActivity extends ListActivity {
    ...
    @Override
    protected void onListItemClick(ListView l, View v, int position, long id) {
        Intent intent = intentForPosition(position);
        startActivity(intent);
    }
}
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所以为了帮助到大家更好的了解Android Framework框架中的知识点，这边查阅大量的素材，整理了一下的 Android Framework 核心知识点手册，里面记录了：有Handler、Binder、AMS、WMS、PMS、事件分发机制、UI绘制……等等，几乎把更Framework相关的知识点全都记录在册了

《Framework 核心知识点汇总手册》：https://qr18.cn/AQpN4J

Handler 机制实现原理部分：
1.宏观理论分析与Message源码分析
2.MessageQueue的源码分析
3.Looper的源码分析
4.handler的源码分析
5.总结

Binder 原理：
1.学习Binder前必须要了解的知识点
2.ServiceManager中的Binder机制
3.系统服务的注册过程
4.ServiceManager的启动过程
5.系统服务的获取过程
6.Java Binder的初始化
7.Java Binder中系统服务的注册过程

Zygote ：

1. Android系统的启动过程及Zygote的启动过程
2. 应用进程的启动过程

AMS源码分析 ：

1. Activity生命周期管理
2. onActivityResult执行过程
3. AMS中Activity栈管理详解

深入PMS源码：

1.PMS的启动过程和执行流程
2.APK的安装和卸载源码分析
3.PMS中intent-filter的匹配架构

WMS：
1.WMS的诞生
2.WMS的重要成员和Window的添加过程
3.Window的删除过程