Android存储系统之架构篇
zzna0015
8年前
<p>基于Android 6.0的源码，剖析存储架构的设计</p> <h2>一、概述</h2> <p>本文讲述Android存储系统的架构与设计，涉及到最为核心的便是MountService和Vold这两个模块以及之间的交互。上一篇文章 <a href="http://www.open-open.com/lib/view/open1469625636493.html" rel="nofollow,noindex">Android存储系统之源码篇</a> 从源码角度介绍相关模块的创建与启动过程，那么本文主要从全局角度把握和剖析Android的存储系统。</p> <p>MountService：Android Binder服务端，运行在system_server进程，用于跟Vold进行消息通信，比如 MountService 向 Vold 发送挂载SD卡的命令,或者接收到来自 Vold 的外设热插拔事件。MountService作为Binder服务端，那么相应的Binder客户端便是StorageManager，通过binder IPC与MountService交互。</p> <p>Vold：全称为Volume Daemon，用于管理外部存储设备的Native daemon进程，这是一个非常重要的守护进程，主要由NetlinkManager，VolumeManager，CommandListener这3部分组成。</p> <h3>1.1 模块架构</h3> <p>从模块地角度划分Android整个存储架构：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/b6fce8bd6f7e22834a7ff7ef1cbdcb30.jpg"></p> <p>图解：</p> <ul> <li><strong>Linux Kernel</strong> ：通过 uevent 向Vold的NetlinkManager发送Uevent事件；</li> <li><strong>NetlinkManager</strong> ：接收来自Kernel的 Uevent 事件，再转发给VolumeManager；</li> <li><strong>VolumeManager</strong> ：接收来自NetlinkManager的事件，再转发给CommandListener进行处理；</li> <li><strong>CommandListener</strong> ：接收来自VolumeManager的事件，通过 socket 通信方式发送给MountService；</li> <li><strong>MountService</strong> ：接收来自CommandListener的事件。</li> </ul> <h3>1.2 进程架构</h3> <p>(1)先看看Java framework层的线程：</p> <pre> <code class="language-java">root@gityuan:/ # ps -t | grep 1212 system 1212 557 2334024 160340 SyS_epoll_ 7faedddbe4 S system_server system 2662 1212 2334024 160340 SyS_epoll_ 7faedddbe4 S MountService system 2663 1212 2334024 160340 unix_strea 7faedde73c S VoldConnector system 2664 1212 2334024 160340 unix_strea 7faedde73c S CryptdConnector ...</code></pre> <p>MountService运行在system_server进程，这里查询的便是system_server进程的所有子线程，system_server进程承载整个framework所有核心服务，子线程数有很多，这里只列举与MountService模块相关的子线程。</p> <p>(2)再看看Native层的线程：</p> <pre> <code class="language-java">root@gityuan:/ # ps -t | grep " 387 " USER PID PPID VSIZE RSS WCHAN PC NAME root 387 1 13572 2912 hrtimer_na 7fa34755d4 S /system/bin/vold root 397 387 13572 2912 poll_sched 7fa3474d1c S vold root 399 387 13572 2912 poll_sched 7fa3474d1c S vold root 400 387 13572 2912 poll_sched 7fa3474d1c S vold media_rw 2702 387 7140 2036 inotify_re 7f84b1d6ac S /system/bin/sdcard</code></pre> <p>Vold作为native守护进程，进程名为”/system/bin/vold”，pid=387，通过 ps -t 可查询到该进程下所有的子进程/线程。</p> <p>小技巧：有读者可能会好奇，为什么 /system/bin/sdcard 是子进程，而非子线程呢？要回答这个问题，有两个方法，其一就是直接看撸源码，会发现这是通过 fork 方式创建的，而其他子线程都是通过 pthread_create 方式创建的。当然其实还有个更快捷的小技巧，就是直接看上图中的第4列，这一列的含义是 VSIZE ，代表的是进程虚拟地址空间大小，是否共享地址空间，这是进程与线程最大的区别，再来看看/sdcard的VSIZE大小跟父进程不一样，基本可以确实/sdcard是子进程。</p> <p>(3) 从进程/线程视角来看Android存储架构:</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/1d11bab147d8ab01dc6fd6ca40a9d42b.jpg"></p> <ul> <li>Java层：采用 1个主线程 (system_server) + 3个子线程 (VoldConnector, MountService, CryptdConnector)；</li> <li>Native层：采用 1个主线程 (/system/bin/vold) + 3个子线程 (vold) + 1子进程 (/system/bin/sdcard)；</li> </ul> <p>注：图中红色字代表的进程/线程名，vold进程通过pthread_create的方式创建的3个子线程名都为vold，图中只是为了便于区别才标注为vold1, vold2, vold3，其实名称都为vold。</p> <p>Android还可划分为内核空间(Kernel Space)和用户空间(User space)，从上图可看出，Android存储系统在User space总共采用9个进程/线程的架构模型。当然，除了这9个进/线程,另外还会在handler消息处理过程中使用到system_server的两个子线程: android.fg 和 android.io 。</p> <p>Tips: 同一个模块可以运行在各个不同的进程/线程， 同一个进程可以运行不同模块的代码,所以从进程角度和模块角度划分看到的有所不同的.</p> <h3>1.3 类关系图</h3> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/f58ba83dfba170eb0353feded8442bce.jpg"></p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/70c92e1c016762f41b48a1d755edce89.jpg"></p> <p>上图中4个蓝色块便是前面谈到的核心模块。</p> <h2>二、 通信架构</h2> <p>Android存储系统中涉及各个进程间通信，这个架构采用的socket，并没有采用Android binder IPC机制。这样的架构代码大量更少，整体架构逻辑也相对简单，在介绍通信过程前，先来看看MountService对象的实例化过程，那么也就基本明白进程架构中system_sever进程为了MountService服务而单独创建与共享使用到线程情况。</p> <pre> <code class="language-java">public MountService(Context context) { sSelf = this; mContext = context; //FgThread线程名为“"android.fg"，创建IMountServiceListener回调方法 mCallbacks = new Callbacks(FgThread.get().getLooper()); //获取PKMS的Client端对象 mPms = (PackageManagerService) ServiceManager.getService("package"); //创建“MountService”线程 HandlerThread hthread = new HandlerThread(TAG); hthread.start(); mHandler = new MountServiceHandler(hthread.getLooper()); //IoThread线程名为"android.io"，创建OBB操作的handler mObbActionHandler = new ObbActionHandler(IoThread.get().getLooper()); File dataDir = Environment.getDataDirectory(); File systemDir = new File(dataDir, "system"); mLastMaintenanceFile = new File(systemDir, LAST_FSTRIM_FILE); //判断/data/system/last-fstrim文件，不存在则创建，存在则更新最后修改时间 if (!mLastMaintenanceFile.exists()) { (new FileOutputStream(mLastMaintenanceFile)).close(); ... } else { mLastMaintenance = mLastMaintenanceFile.lastModified(); } ... //将MountServiceInternalImpl登记到sLocalServiceObjects LocalServices.addService(MountServiceInternal.class, mMountServiceInternal); //创建用于VoldConnector的NDC对象 mConnector = new NativeDaemonConnector(this, "vold", MAX_CONTAINERS * 2, VOLD_TAG, 25, null); mConnector.setDebug(true); //创建线程名为"VoldConnector"的线程，用于跟vold通信 Thread thread = new Thread(mConnector, VOLD_TAG); thread.start(); //创建用于CryptdConnector工作的NDC对象 mCryptConnector = new NativeDaemonConnector(this, "cryptd", MAX_CONTAINERS * 2, CRYPTD_TAG, 25, null); mCryptConnector.setDebug(true); //创建线程名为"CryptdConnector"的线程，用于加密 Thread crypt_thread = new Thread(mCryptConnector, CRYPTD_TAG); crypt_thread.start(); //注册监听用户添加、删除的广播 final IntentFilter userFilter = new IntentFilter(); userFilter.addAction(Intent.ACTION_USER_ADDED); userFilter.addAction(Intent.ACTION_USER_REMOVED); mContext.registerReceiver(mUserReceiver, userFilter, null, mHandler); //内部私有volume的路径为/data，该volume通过dumpsys mount是不会显示的 addInternalVolume(); //默认为false if (WATCHDOG_ENABLE) { Watchdog.getInstance().addMonitor(this); } }</code></pre> <p>其主要功能依次是：</p> <ol> <li>创建ICallbacks回调方法,FgThread线程名为”android.fg”，此处用到的Looper便是线程”android.fg”中的Looper;</li> <li>创建并启动线程名为”MountService”的handlerThread；</li> <li>创建OBB操作的handler,IoThread线程名为”android.io”，此处用到的的Looper便是线程”android.io”中的Looper;</li> <li>创建NativeDaemonConnector对象</li> <li>创建并启动线程名为”VoldConnector”的线程；</li> <li>创建并启动线程名为”CryptdConnector”的线程；</li> <li>注册监听用户添加、删除的广播；</li> </ol> <p>从这里便可知道共创建了3个线程： MountService , VoldConnector , CryptdConnector ，另外还会使用到系统进程中的两个线程 android.fg 和 android.io . 这便是在文章开头进程架构图中Java framework层进程的创建情况.</p> <p>接下来，我们分别从MountService向vold发送消息和接收消息两个方面，以及Kernel向vold上报事件3个方面展开。</p> <h3>2.1 MountService发送消息</h3> <p>system_server进程与vold守护进程间采用socket进行通信，这个通信过程是由MountService线程向vold线程发送消息。这里以执行mount调用为例：</p> <p>2.1.1 MS.mount</p> <pre> <code class="language-java">class MountService extends IMountService.Stub implements INativeDaemonConnectorCallbacks, Watchdog.Monitor { public void mount(String volId) { ... try { //【见小节2.1.2】 mConnector.execute("volume", "mount", vol.id, vol.mountFlags, vol.mountUserId); } catch (NativeDaemonConnectorException e) { throw e.rethrowAsParcelableException(); } } }</code></pre> <p>2.1.2 NDC.execute</p> <p>[-> NativeDaemonConnector.java]</p> <p>public NativeDaemonEvent execute(String cmd, Object… args) throws NativeDaemonConnectorException { return execute(DEFAULT_TIMEOUT, cmd, args); }</p> <p>其中 DEFAULT_TIMEOUT=1min ，即命令执行超时时长为1分钟。经过层层调用到executeForList()</p> <pre> <code class="language-java">public NativeDaemonEvent[] executeForList(long timeoutMs, String cmd, Object... args) throws NativeDaemonConnectorException { final long startTime = SystemClock.elapsedRealtime(); final ArrayList<NativeDaemonEvent> events = Lists.newArrayList(); final StringBuilder rawBuilder = new StringBuilder(); final StringBuilder logBuilder = new StringBuilder(); //mSequenceNumber初始化值为0，每执行一次该方法则进行加1操作 final int sequenceNumber = mSequenceNumber.incrementAndGet(); makeCommand(rawBuilder, logBuilder, sequenceNumber, cmd, args); //例如：“3 volume reset” final String rawCmd = rawBuilder.toString(); final String logCmd = logBuilder.toString(); log("SND -> {" + logCmd + "}"); synchronized (mDaemonLock) { //将cmd写入到socket的输出流 mOutputStream.write(rawCmd.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); ... } NativeDaemonEvent event = null; do { //阻塞等待，直到收到相应指令的响应码 event = mResponseQueue.remove(sequenceNumber, timeoutMs, logCmd); events.add(event); //当收到的事件响应码属于[100,200)区间，则继续等待后续事件上报 } while (event.isClassContinue()); final long endTime = SystemClock.elapsedRealtime(); //对于执行时间超过500ms则会记录到log if (endTime - startTime > WARN_EXECUTE_DELAY_MS) { loge("NDC Command {" + logCmd + "} took too long (" + (endTime - startTime) + "ms)"); } ... return events.toArray(new NativeDaemonEvent[events.size()]); }</code></pre> <ul> <li>首先，将带执行的命令mSequenceNumber执行加1操作；</li> <li>再将cmd(例如 3 volume reset )写入到socket的输出流；</li> <li>通过循环与poll机制阻塞等待底层响应该操作完成的结果；</li> <li>有两个情况会跳出循环： <ul> <li>当超过1分钟未收到vold相应事件的响应码，则跳出阻塞等待；</li> <li>当收到底层的响应码，且响应码不属于[100,200)区间，则跳出循环。</li> </ul> </li> <li>对于执行时间超过500ms的时间，则额外输出以 NDC Command 开头的log信息，提示可能存在优化之处。</li> </ul> <p>2.1.3 FL.onDataAvailable</p> <p>MountService线程通过socket发送cmd事件给vold，对于vold守护进程在启动的过程，初始化CommandListener时通过 pthread_create 创建子线程vold来专门监听MountService发送过来的消息，当该线程接收到socket消息时，便会调用onDataAvailable()方法</p> <p>[-> FrameworkListener.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">bool FrameworkListener::onDataAvailable(SocketClient *c) { char buffer[CMD_BUF_SIZE]; int len; // 多次尝试从socket管道读取数据 len = TEMP_FAILURE_RETRY(read(c->getSocket(), buffer, sizeof(buffer))); ... for (i = 0; i < len; i++) { if (buffer[i] == '\0') { //分发该命令【见小节2.1.4】 dispatchCommand(c, buffer + offset); ... } } return true; }</code></pre> <p>2.1.4 FL.dispatchCommand</p> <p>[-> FrameworkListener.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">void FrameworkListener::dispatchCommand(SocketClient *cli, char *data) { ... for (i = mCommands->begin(); i != mCommands->end(); ++i) { FrameworkCommand *c = *i; if (!strcmp(argv[0], c->getCommand())) { //找到相应的类处理该命令 if (c->runCommand(cli, argc, argv)) { SLOGW("Handler '%s' error (%s)", c->getCommand(), strerror(errno)); } goto out; } } ... }</code></pre> <p>这是用于分发从MountService发送过来的命令，针对不同的命令调用不同的类，总共有以下6类：</p> <ul> <li>DumpCmd</li> <li>VolumeCmd</li> <li>AsecCmd</li> <li>ObbCmd</li> <li>StorageCmd</li> <li>FstrimCmd</li> </ul> <p>另外，在处理过程中遇到下面情况，则会直接发送响应吗500的应答消息给MountService</p> <ul> <li>当无法找到匹配的类，则会直接向MountService返回响应码500，内容”Command not recognized”的应答消息；</li> <li>命令参数过长导致socket管道溢出，则会发送响应码500，内容”Command too long”的应答消息。</li> </ul> <p>2.1.5 CL.runCommand</p> <p>例如前面发送过来的是 volume mount ，则会调用到CommandListener的内部类VolumeCmd的runCommand来处理该消息，并进入mount分支。</p> <pre> <code class="language-java">int CommandListener::VolumeCmd::runCommand(SocketClient *cli, int argc, char **argv) { VolumeManager *vm = VolumeManager::Instance(); std::lock_guard<std::mutex> lock(vm->getLock()); ... std::string cmd(argv[1]); if (cmd == "reset") { return sendGenericOkFail(cli, vm->reset()); }else if (cmd == "mount" && argc > 2) { // mount [volId] [flags] [user] std::string id(argv[2]); auto vol = vm->findVolume(id); if (vol == nullptr) { return cli->sendMsg(ResponseCode::CommandSyntaxError, "Unknown volume", false); } int mountFlags = (argc > 3) ? atoi(argv[3]) : 0; userid_t mountUserId = (argc > 4) ? atoi(argv[4]) : -1; vol->setMountFlags(mountFlags); vol->setMountUserId(mountUserId); //真正的挂载操作【见2.1.6】 int res = vol->mount(); if (mountFlags & android::vold::VolumeBase::MountFlags::kPrimary) { vm->setPrimary(vol); } //发送应答消息给MountService【见2.2.1】 return sendGenericOkFail(cli, res); } // 省略其他的else if ... }</code></pre> <p>2.1.6 mount</p> <p>这里便进入了VolumeManager模块，执行volume设备真正的挂载操作。对于挂载内置存储和外置存储流程是有所不同的，这里就不再细说，简单的调用流程：</p> <pre> <code class="language-java">VolumeCmd.runCommand VolumeBase.mount EmulatedVolume.doMount(内置) PublicVolume.doMount(外置) vfat::Check vfat::Mount fork (/sdcard)</code></pre> <p>2.1.7 小节</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/ed9f0c098f3804398d5b2ddc23805597.jpg"></p> <p>MountService向vold发送消息后，便阻塞在图中的MountService线程的NDC.execute()方法，那么何时才会退出呢？图的后半段MonutService接收消息的过程会有答案，那便是在收到消息，并且消息的响应吗不属于区间[600,700)则添加事件到ResponseQueue，从而唤醒阻塞的MountService继续执行。关于上图的后半段介绍的便是MountService接收消息的流程。</p> <h3>2.2 MountService接收消息</h3> <p>当Vold在处理完完MountService发送过来的消息后，会通过sendGenericOkFail发送应答消息给上层的MountService。</p> <p>2.2.1 响应码</p> <p>[-> CommandListener.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">int CommandListener::sendGenericOkFail(SocketClient *cli, int cond) { if (!cond) { //【见小节2.2.2】 return cli->sendMsg(ResponseCode::CommandOkay, "Command succeeded", false); } else { return cli->sendMsg(ResponseCode::OperationFailed, "Command failed", false); } }</code></pre> <ul> <li>当执行成功，则发送响应码为500的成功应答消息；</li> <li>当执行失败，则发送响应码为400的失败应答消息。</li> </ul> <p>不同的响应码(VoldResponseCode)，代表着系统不同的处理结果，主要分为下面几大类：</p> <table> <thead> <tr> <th>响应码</th> <th>事件类别</th> <th>对应方法</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>[100, 200)</td> <td>部分响应，随后继续产生事件</td> <td>isClassContinue</td> </tr> <tr> <td>[200, 300)</td> <td>成功响应</td> <td>isClassOk</td> </tr> <tr> <td>[400, 500)</td> <td>远程服务端错误</td> <td>isClassServerError</td> </tr> <tr> <td>[500, 600)</td> <td>本地客户端错误</td> <td>isClassClientError</td> </tr> <tr> <td>[600, 700)</td> <td>远程Vold进程自触发的事件</td> <td>isClassUnsolicited</td> </tr> </tbody> </table> <p>例如当操作执行成功，VoldConnector线程能收到类似`RCV <- {200 3 Command succeeded}的响应事件。</p> <p>其中对于[600,700)响应码是由Vold进程”不请自来”的事件，主要是针对disk，volume的一系列操作，比如设备创建，状态、路径改变，以及文件类型、uid、标签改变等事件都是底层直接触发。</p> <table> <thead> <tr> <th>命令</th> <th>响应吗</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>DISK_CREATED</td> <td>640</td> </tr> <tr> <td>DISK_SIZE_CHANGED</td> <td>641</td> </tr> <tr> <td>DISK_LABEL_CHANGED</td> <td>642</td> </tr> <tr> <td>DISK_SCANNED</td> <td>643</td> </tr> <tr> <td>DISK_SYS_PATH_CHANGED</td> <td>644</td> </tr> <tr> <td>DISK_DESTROYED</td> <td>649</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_CREATED</td> <td>650</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_STATE_CHANGED</td> <td>651</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_FS_TYPE_CHANGED</td> <td>652</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_FS_UUID_CHANGED</td> <td>653</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_FS_LABEL_CHANGED</td> <td>654</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_PATH_CHANGED</td> <td>655</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_INTERNAL_PATH_CHANGED</td> <td>656</td> </tr> <tr> <td>VOLUME_DESTROYED</td> <td>659</td> </tr> <tr> <td>MOVE_STATUS</td> <td>660</td> </tr> <tr> <td>BENCHMARK_RESULT</td> <td>661</td> </tr> <tr> <td>TRIM_RESULT</td> <td>662</td> </tr> </tbody> </table> <p>介绍完响应码，接着继续来说说发送应答消息的过程：</p> <p>2.2.2 SC.sendMsg</p> <p>[-> SocketClient.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">int SocketClient::sendMsg(int code, const char *msg, bool addErrno) { return sendMsg(code, msg, addErrno, mUseCmdNum); }</code></pre> <p>sendMsg经过层层调用，进入sendDataLockedv方法</p> <pre> <code class="language-java">int SocketClient::sendDataLockedv(struct iovec *iov, int iovcnt) { ... struct sigaction new_action, old_action; memset(&new_action, 0, sizeof(new_action)); new_action.sa_handler = SIG_IGN; sigaction(SIGPIPE, &new_action, &old_action); //将应答消息写入socket管道 for (;;) { ssize_t rc = TEMP_FAILURE_RETRY( writev(mSocket, iov + current, iovcnt - current)); if (rc > 0) { size_t written = rc; while ((current < iovcnt) && (written >= iov[current].iov_len)) { written -= iov[current].iov_len; current++; } if (current == iovcnt) { break; } iov[current].iov_base = (char *)iov[current].iov_base + written; iov[current].iov_len -= written; continue; } ... break; } sigaction(SIGPIPE, &old_action, &new_action); ... return ret; }</code></pre> <p>2.2.3 NDC.listenToSocket</p> <p>应答消息写入socket管道后，在MountService的另个线程”VoldConnector”中建立了名为 vold 的socket的客户端，通过循环方式不断监听Vold服务端发送过来的消息。</p> <p>[-> NativeDaemonConnector.java]</p> <pre> <code class="language-java">private void listenToSocket() throws IOException { LocalSocket socket = null; try { socket = new LocalSocket(); LocalSocketAddress address = determineSocketAddress(); //建立与"/dev/socket/vold"的socket连接 socket.connect(address); InputStream inputStream = socket.getInputStream(); synchronized (mDaemonLock) { mOutputStream = socket.getOutputStream(); } ... while (true) { int count = inputStream.read(buffer, start, BUFFER_SIZE - start); ... for (int i = 0; i < count; i++) { if (buffer[i] == 0) { final String rawEvent = new String( buffer, start, i - start, StandardCharsets.UTF_8); //解析socket服务端发送的event final NativeDaemonEvent event = NativeDaemonEvent.parseRawEvent( rawEvent); log("RCV <- {" + event + "}"); if (event.isClassUnsolicited()) { ... //当响应码区间为[600,700)，则发送消息交由mCallbackHandler处理 if (mCallbackHandler.sendMessage(mCallbackHandler.obtainMessage( event.getCode(), event.getRawEvent()))) { releaseWl = false; } } else { //对于其他响应码则添加到mResponseQueue队列 mResponseQueue.add(event.getCmdNumber(), event); } } } } } finally { //收尾清理类工作 ... } }</code></pre> <p>监听也是阻塞的过程，当收到不同的消息相应码，采用不同的行为：</p> <ul> <li>当响应吗不属于区间[600,700)：则将该事件添加到mResponseQueue，并且触发响应事件所对应的请求事件不再阻塞到ResponseQueue.poll，那么线程继续往下执行，即前面小节[2.1.2] NDC.execute的过程。</li> <li>当响应码区间为[600,700)：则发送消息交由mCallbackHandler处理，向线程 android.fg 发送Handler消息，该线程收到后回调NativeDaemonConnector的 handleMessage 来处理。</li> </ul> <p>2.2.4 小节</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/3f8cd707a6f8f4342c46d45545eba4d2.jpg"></p> <h3>2.3 Kernel上报事件</h3> <p>介绍完MonutService与vold之间的交互通信，那么再来看看Kernel是如何上报事件到vold的流程。再介绍这个之前，先简单看看vold启动时都创建了哪些对象。</p> <p>[-> system/vold/Main.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">int main(int argc, char** argv) { setenv("ANDROID_LOG_TAGS", "*:v", 1); android::base::InitLogging(argv, android::base::LogdLogger(android::base::SYSTEM)); VolumeManager *vm; CommandListener *cl; CryptCommandListener *ccl; NetlinkManager *nm; mkdir("/dev/block/vold", 0755); //用于cryptfs检查，并mount加密的文件系统 klog_set_level(6); //创建单例对象VolumeManager if (!(vm = VolumeManager::Instance())) { exit(1); } //创建单例对象NetlinkManager if (!(nm = NetlinkManager::Instance())) { exit(1); } if (property_get_bool("vold.debug", false)) { vm->setDebug(true); } // 创建CommandListener对象 cl = new CommandListener(); // 创建CryptCommandListener对象 ccl = new CryptCommandListener(); //给vm设置socket监听对象 vm->setBroadcaster((SocketListener *) cl); //给nm设置socket监听对象 nm->setBroadcaster((SocketListener *) cl); if (vm->start()) { //启动vm exit(1); } process_config(vm)； //解析config参数 if (nm->start()) { //启动nm exit(1); } coldboot("/sys/block"); //启动响应命令的监听器 if (cl->startListener()) { exit(1); } if (ccl->startListener()) { exit(1); } //Vold成为监听线程 while(1) { sleep(1000); } exit(0); }</code></pre> <p>该方法的主要功能是创建并启动：VolumeManager，NetlinkManager ，NetlinkHandler，CommandListener，CryptCommandListener。</p> <p>2.3.1 Uevent && Netlink</p> <p>Kernel上报事件给用户空间采用了Netlink方式，Netlink是一种特殊的socket，它是Linux所特有的。传送的消息是暂存在socket接收缓存中，并不被接收者立即处理，所以netlink是一种异步通信机制。而对于syscall和ioctl则都是同步通信机制。</p> <p>Linux系统中大量采用Netlink机制来进行用户空间程序与kernel的通信。例如设备热插件，这会产生Uevent(User Space event，用户空间事件)是Linux系统中用户空间与内核空间之间通信的消息内容，主要用于设备驱动的事件通知。Uevent是Kobject的一部分，当Kobject状态改变时通知用户空间程序。对于kobject_action包括KOBJ_ADD，KOBJ_REMOVE，KOBJ_CHANGE，KOBJ_MOVE，KOBJ_ONLINE，KOBJ_OFFLINE，当发送任何一种action都会引发Kernel发送Uevent消息。</p> <p>vold早已准备就绪等待着Kernel上报Uevent事件，接下来看看vold是如何接收Uevent事件，这就从NetlinkManager启动开始说起。</p> <p>2.3.2 NM.start</p> <p>[-> NetlinkManager.java]</p> <pre> <code class="language-java">int NetlinkManager::start() { struct sockaddr_nl nladdr; int sz = 64 * 1024; int on = 1; memset(&nladdr, 0, sizeof(nladdr)); nladdr.nl_family = AF_NETLINK; nladdr.nl_pid = getpid(); //记录当前进程的pid nladdr.nl_groups = 0xffffffff; //PF_NETLINK代表创建的是Netlink通信的socket if ((mSock = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM | SOCK_CLOEXEC, NETLINK_KOBJECT_UEVENT)) < 0) { return -1; } //设置uevent的SO_RCVBUFFORCE选项 if (setsockopt(mSock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUFFORCE, &sz, sizeof(sz)) < 0) { goto out; } //设置uevent的SO_PASSCRED选项 if (setsockopt(mSock, SOL_SOCKET, SO_PASSCRED, &on, sizeof(on)) < 0) { goto out; } //绑定uevent socket if (bind(mSock, (struct sockaddr *) &nladdr, sizeof(nladdr)) < 0) { goto out; } //创建NetlinkHandler mHandler = new NetlinkHandler(mSock); //启动NetlinkHandler if (mHandler->start()) { goto out; } return 0; out: close(mSock); return -1; }</code></pre> <p>NetlinkManager启动的过程中，会创建并启动NetlinkHandler，在该过程会通过 pthrea_create 创建子线程专门用于接收Kernel发送过程的Uevent事件，当收到数据时会调用NetlinkListener的onDataAvailable方法。</p> <p>2.3.3 NL.onDataAvailable</p> <p>[-> NetlinkListener.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">bool NetlinkListener::onDataAvailable(SocketClient *cli) { int socket = cli->getSocket(); ... //多次尝试获取socket数据 count = TEMP_FAILURE_RETRY(uevent_kernel_recv(socket, mBuffer, sizeof(mBuffer), require_group, &uid)); ... NetlinkEvent *evt = new NetlinkEvent(); //解析消息并封装成NetlinkEvent if (evt->decode(mBuffer, count, mFormat)) { //事件处理【见小节2.3.4】 onEvent(evt); } else if (mFormat != NETLINK_FORMAT_BINARY) { ... } delete evt; return true; }</code></pre> <p>2.3.4 NH.onEvent</p> <p>[-> NetlinkHandler.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">void NetlinkHandler::onEvent(NetlinkEvent *evt) { VolumeManager *vm = VolumeManager::Instance(); const char *subsys = evt->getSubsystem(); if (!strcmp(subsys, "block")) { //对于块设备的处理过程 vm->handleBlockEvent(evt); } }</code></pre> <p>驱动设备分为字符设备、块设备、网络设备。对于字符设备按照字符流的方式被有序访问，字符设备也称为裸设备，可以直接读取物理磁盘，不经过系统缓存，例如键盘直接产生中断。而块设备是指系统中能够随机（不需要按顺序）访问固定大小数据片（chunks）的设备，例如硬盘；块设备则是通过系统缓存进行读取。</p> <p>2.3.5 VM.handleBlockEvent</p> <p>[-> VolumeManager.cpp]</p> <pre> <code class="language-java">void VolumeManager::handleBlockEvent(NetlinkEvent *evt) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mLock); std::string eventPath(evt->findParam("DEVPATH")?evt->findParam("DEVPATH"):""); std::string devType(evt->findParam("DEVTYPE")?evt->findParam("DEVTYPE"):""); if (devType != "disk") return; int major = atoi(evt->findParam("MAJOR")); int minor = atoi(evt->findParam("MINOR")); dev_t device = makedev(major, minor); switch (evt->getAction()) { case NetlinkEvent::Action::kAdd: { for (auto source : mDiskSources) { if (source->matches(eventPath)) { int flags = source->getFlags(); if (major == kMajorBlockMmc) { flags |= android::vold::Disk::Flags::kSd; } else { flags |= android::vold::Disk::Flags::kUsb; } auto disk = new android::vold::Disk(eventPath, device, source->getNickname(), flags); //创建 disk->create(); mDisks.push_back(std::shared_ptr<android::vold::Disk>(disk)); break; } } break; } case NetlinkEvent::Action::kChange: { ... break; } case NetlinkEvent::Action::kRemove: { ... break; } ... } }</code></pre> <p>2.3.6 小节</p> <p>此处，我们以设备插入为例，来描绘一下整个流程图：</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/f85798ca7a5b8bc3d84cd4d8c964c77f.jpg"></p> <h3>2.4 不请自来的广播</h3> <p>线程VoldConnector通过socket不断监听来自vold发送过来的响应消息：</p> <ul> <li>情况一：响应码不属于区间[600, 700)，则直接将响应消息添加到响应队列ResponseQueue，当响应队列有数据到来，便会唤醒另个线程MountService阻塞操作poll轮询操作。</li> <li>情况二：响应码属于区间[600, 700)，则便是Unsolicited broadcasts，即不请自来的广播，当收到这类事件，则处理流程较第一种情况更复杂。</li> </ul> <p>接下来说说第二种情况，对于不清自来的广播，这里的广播并非四大组件的广播，而是vold通过socket发送过来的消息。还记得还文章的开头讲到进程架构时，提到会涉及system_server的线程 android.fg ，那么这个过程就会讲到该线程的作用。回到NDC的监听socket过程。</p> <p>2.4.1 NDC.listenToSocket</p> <p>[-> NativeDaemonConnector.java]</p> <pre> <code class="language-java">private void listenToSocket() throws IOException { LocalSocket socket = null; try { socket = new LocalSocket(); LocalSocketAddress address = determineSocketAddress(); //建立与"/dev/socket/vold"的socket连接 socket.connect(address); InputStream inputStream = socket.getInputStream(); synchronized (mDaemonLock) { mOutputStream = socket.getOutputStream(); } ... while (true) { int count = inputStream.read(buffer, start, BUFFER_SIZE - start); ... for (int i = 0; i < count; i++) { if (buffer[i] == 0) { final String rawEvent = new String( buffer, start, i - start, StandardCharsets.UTF_8); //解析socket服务端发送的event final NativeDaemonEvent event = NativeDaemonEvent.parseRawEvent( rawEvent); log("RCV <- {" + event + "}"); if (event.isClassUnsolicited()) { ... //当响应码区间为[600,700)，则发送消息交由mCallbackHandler处理【2.4.2】 if (mCallbackHandler.sendMessage(mCallbackHandler.obtainMessage( event.getCode(), event.getRawEvent()))) { releaseWl = false; } } else { //对于其他响应码则添加到mResponseQueue队列 mResponseQueue.add(event.getCmdNumber(), event); } } } } } finally { //收尾清理类工作 ... } }</code></pre> <p>通过handler消息机制，由mCallbackHandler处理，先来看看其初始化过程：</p> <pre> <code class="language-java">mCallbackHandler = new Handler(mLooper, this); Looper=`FgThread.get().getLooper();</code></pre> <p>可以看出Looper采用的是线程 android.fg 的Looper，消息回调处理方法为NativeDaemonConnector的 handleMessage 来处理。那么这个过程就等价于向线程 android.fg 发送Handler消息，该线程收到消息后回调NativeDaemonConnector的 handleMessage 来处理。</p> <p>2.4.2 NDC.handleMessage</p> <p>[-> NativeDaemonConnector.java]</p> <pre> <code class="language-java">public boolean handleMessage(Message msg) { String event = (String) msg.obj; ... mCallbacks.onEvent(msg.what, event, NativeDaemonEvent.unescapeArgs(event)) log(String.format("Unhandled event '%s'", event)); ... return true; }</code></pre> <p>此处的mCallbacks，是由实例化NativeDaemonConnector对象时传递进来的，在这里是指MountService。转了一圈，又回到MountService。</p> <p>2.4.3 MS.onEvent</p> <p>[-> MountService.java]</p> <pre> <code class="language-java">public boolean onEvent(int code, String raw, String[] cooked) { synchronized (mLock) { return onEventLocked(code, raw, cooked); } }</code></pre> <p>onEventLocked增加同步锁，用于多线程并发访问的控制。根据vold发送过来的不同响应码将采取不同的处理流程。</p> <p>2.4.4 MS.onEventLocked</p> <p>这里以收到vold发送过来的 RCV <- {650 public ...} 为例，即挂载外置sdcard/otg外置存储的流程：</p> <p>[-> MountService.java]</p> <pre> <code class="language-java">private boolean onEventLocked(int code, String raw, String[] cooked) { switch (code) { case VoldResponseCode.VOLUME_CREATED: { final String id = cooked[1]; final int type = Integer.parseInt(cooked[2]); final String diskId = TextUtils.nullIfEmpty(cooked[3]); final String partGuid = TextUtils.nullIfEmpty(cooked[4]); final DiskInfo disk = mDisks.get(diskId); final VolumeInfo vol = new VolumeInfo(id, type, disk, partGuid); mVolumes.put(id, vol); //【见小节2.4.5】 onVolumeCreatedLocked(vol); break; } ... } return true; }</code></pre> <p>2.4.5 MS.onVolumeCreatedLocked</p> <p>[-> MountService.java]</p> <pre> <code class="language-java">private void onVolumeCreatedLocked(VolumeInfo vol) { if (vol.type == VolumeInfo.TYPE_EMULATED) { ... } else if (vol.type == VolumeInfo.TYPE_PUBLIC) { if (Objects.equals(StorageManager.UUID_PRIMARY_PHYSICAL, mPrimaryStorageUuid) && vol.disk.isDefaultPrimary()) { vol.mountFlags |= VolumeInfo.MOUNT_FLAG_PRIMARY; vol.mountFlags |= VolumeInfo.MOUNT_FLAG_VISIBLE; } if (vol.disk.isAdoptable()) { vol.mountFlags |= VolumeInfo.MOUNT_FLAG_VISIBLE; } vol.mountUserId = UserHandle.USER_OWNER; //【见小节2.4.6】 mHandler.obtainMessage(H_VOLUME_MOUNT, vol).sendToTarget(); } }</code></pre> <p>这里又遇到一个Handler类型的对象 mHandler ,再来看看其定义：</p> <pre> <code class="language-java">private static final String TAG = "MountService"; HandlerThread hthread = new HandlerThread(TAG); hthread.start(); mHandler = new MountServiceHandler(hthread.getLooper());</code></pre> <p>该Handler用到Looper便是线程 MountService 中的Looper，回调方法handleMessage位于MountServiceHandler类：</p> <p>2.4.6 MSH.handleMessage</p> <p>[-> MountService]</p> <pre> <code class="language-java">class MountServiceHandler extends Handler { public void handleMessage(Message msg) { switch (msg.what) { case H_VOLUME_MOUNT: { final VolumeInfo vol = (VolumeInfo) msg.obj; try { //发送mount操作 mConnector.execute("volume", "mount", vol.id, vol.mountFlags, vol.mountUserId); } catch (NativeDaemonConnectorException ignored) { } break; } ... } } }</code></pre> <p>当收到H_VOLUME_MOUNT消息后，线程 MountService 便开始向vold发送mount操作事件，再接下来的流程在前面小节【2.1】已经介绍过</p> <p>2.4.7 小结</p> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/a1619bd5e2fca6a408df41891e6752d3.jpg"></p> <h2>三、总结</h2> <h3>3.1 概括</h3> <p>本文首先从模块化和进程的视角来整体上描述了Android存储系统的架构，并分别展开对MountService, vold, kernel这三者之间的通信流程的剖析。</p> <p>{1} <strong>Java framework层</strong> ：采用 1个主线程 (system_server) + 3个子线程 (VoldConnector, MountService, CryptdConnector)；MountService线程不断向vold下发存储相关的命令，比如mount, mkdirs等操作；而线程VoldConnector一直处于等待接收vold发送过来的应答事件；CryptdConnector通信原理和VoldConnector大抵相同，有兴趣地读者可自行阅读。</p> <p>(2) <strong>Native层</strong> ：采用 1个主线程 (/system/bin/vold) + 3个子线程 (vold) + 1子进程 (/system/bin/sdcard)；vold进程中会通过 pthread_create 方式来生成3个vold子线程，其中两个vold线程分别跟上层system_server进程中的线程VoldConnector和CryptdConnector通信，第3个vold线程用于与kernel进行netlink方式通信。</p> <p>本文更多的是以系统的角度来分析存储系统，那么对于app来说，那么地方会直接用到的呢？其实用到的地方很多，例如存储设备挂载成功会发送广播让app知晓当前存储挂载情况；其次当app需要创建目录时，比如 getExternalFilesDirs , getExternalCacheDirs 等当目录不存在时都需向存储系统发出mkdirs的命令。另外，MountService作为Binder服务端，那自然而然会有Binder客户端，那就是 StorageManager ，这个比较简单就不再细说了。</p> <h3>3.2 架构的思考</h3> <p>以Google原生的Android存储系统的架构设计主要采用Socket阻塞式通信方式，虽然vold的native层面有多个子线程干活，但各司其职，真正处理上层发送过来的命令，仍然是单通道的模式。</p> <p>目前外置存储设备比如sdcard或者otg的硬件质量参差不齐，且随使用时间碎片化程度也越来越严重，对于存储设备挂载的过程中往往会有磁盘检测fsck_msdos或者整理fstrim的动作，那么势必会阻塞多线程并发访问，影响系统稳定性，从而造成系统ANR。</p> <p>例如系统刚启动过程中reset操作需要重新挂载外置存储设备，而紧接着system_server主线程需要执行的volume user_started操作便会被阻塞，阻塞超过20s则系统会抛出Service Timeout的ANR。</p> <h2>系列文章</h2> <p><a href="http://www.open-open.com/lib/view/open1469625636493.html">Android存储系统之源码篇</a><br> <a href="http://www.open-open.com/lib/view/open1469625550849.html">Android存储系统之架构篇</a></p> <p> </p> <p> </p> <p>来自：http://gityuan.com/2016/07/23/android-io-arch/</p> <p> </p>