Android WebView載入Chromium動態庫的過程分析

Chromium動態庫的體積比較大，有27M左右，其中程式段和資料段分別佔據25.65M和1.35M。如果按照通常方式載入Chromium動態庫，那麼當有N個正在執行的App使用WebView時，系統需要為Chromium動態庫分配的記憶體為(25.65 + N x 1.35)M。這是非常可觀的。為此，Android使用了特殊的方式載入Chromium動態庫。本文接下來就詳細分析這種特殊的載入方式。

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為什麼當有N個正在執行的App使用WebView時，系統需要為Chromium動態庫分配的記憶體為(25.65 + N x 1.35)M呢？這是由於動態庫的程式段是隻讀的，可以在多個程序之間進行共享，但是資料段一般是可讀可寫的，不能共享。在1.35M的資料段中，有1.28M在Chromium動態庫載入完成後就是隻讀的。這1.28M資料包含有C++虛擬函式表，以及指標型別的常量等，它們在編譯的時候會放在一個稱為GNU_RELRO的Section中，如圖1所示：

圖1 App程序間不共享GNU_RELRO Section

如果我們將該GNU_RELRO Section看作是一般的資料段，那麼系統就需要為每一個使用了WebView的App程序都分配一段1.28M大小的記憶體空間。前面說到，這1.28M資料在Chromium動態庫載入完成後就是隻讀的，那麼有沒有辦法讓它像程式段一樣，在多個App程序之間共享呢？

只要能滿足一個條件，那麼答案就是肯定的。這個條件就是所有的App程序都在相同的虛擬地址空間載入Chromium動態庫。在這種情況下，就可以在系統啟動的過程中，建立一個臨時程序，並且在這個程序中載入Chromium動態庫。假設Chromium動態庫的載入地址為Base Address。載入完成後，將Chromium動態庫的GNU_RELRO Section的內容Dump出來，並且寫入到一個檔案中去。

以後App程序載入Chromium動態庫時，都將Chromium動態庫載入地址Base Address上，並且使用記憶體對映的方式將前面Dump出來的GNU_RELRO檔案代替Chromium動態庫的GNU_RELRO Section。這樣就可以實現在多個App程序之間共享Chromium動態庫的GNU_RELRO Section了，如圖2所示：

圖2 App程序間共享GNU_RELRO Section

從前面Android應用程式程序啟動過程的原始碼分析一文可以知道，所有的App程序都是由Zygote程序fork出來的，因此，要讓所有的App程序都在相同的虛擬地址空間載入Chromium動態庫的最佳方法就是在Zygote程序的地址空間中預留一塊地址。

還有兩個問題需要解決。第一個問題是要將載入後的Chromium動態庫的GNU_RELRO Section的內容Dump出來，並且寫入到一個檔案中去。第二個問題是要讓所有的App程序將Chromium動態載入在指定位置，並且可以使用指定的檔案來代替它的GNU_RELRO Section。這兩個問題都可以通過Android在5.0版本提供的一個動態庫載入函式android_dlopen_ext解決。

接下來，我們就結合原始碼，分析Zygote程序是如何為App程序預留地址載入Chromium動態庫的，以及App程序如何使用新的動態庫載入函式android_dlopen_ext載入Chromium動態庫的。

從前面Android系統程序Zygote啟動過程的原始碼分析一文可以知道，Zygote程序在Java層的入口函式為ZygoteInit類的靜態成員函式main，它的實現如下所示：

publicclass ZygoteInit {
......
publicstaticvoid main(String argv[]) {
try {
.......
preload();
.......
if (startSystemServer) {
startSystemServer(abiList, socketName);
}
......
runSelectLoop(abiList);
......
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
......
} catch (RuntimeException ex) {
......
}
}
......
}

這個函式定義在檔案frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java中。

ZygoteInit類的靜態成員函式main在啟動System程序以及使得Zygote程序進入執行狀態之前，首先會呼叫另外一個靜態成員函式preload預載入資源。這些預載入的資源以後就可以在App程序之間進行共享。

ZygoteInit類的靜態成員函式preload在預載入資源的過程中，就會為Chromium動態庫預保留載入地址，如下所示：

publicclass ZygoteInit {
......
staticvoid preload() {
......
// Ask the WebViewFactory to do any initialization that must run in the zygote process,
// for memory sharing purposes.
WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();
......
}
......
}

這個函式定義在檔案frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java中。

ZygoteInit類的靜態成員函式preload是通過呼叫WebViewFactory類的靜態成員函式prepareWebViewInZygote為Chromium動態庫預保留載入地址的，後者的實現如下所示：

publicfinalclass WebViewFactory {
......
publicstaticvoid prepareWebViewInZygote() {
try {
System.loadLibrary("webviewchromium_loader");
long addressSpaceToReserve =
SystemProperties.getLong(CHROMIUM_WEBVIEW_VMSIZE_SIZE_PROPERTY,
CHROMIUM_WEBVIEW_DEFAULT_VMSIZE_BYTES);
sAddressSpaceReserved = nativeReserveAddressSpace(addressSpaceToReserve);
......
} catch (Throwable t) {
......
}
}
......
}

這個函式定義在檔案frameworks/base/core/java/android/webkit/WebViewFactory.java中。

WebViewFactory類的靜態成員函式prepareWebViewInZygote首先會載入一個名稱為“webviewchromium_loader”的動態庫，接下來又會獲得需要為Chromium動態庫預留的地址空間大小addressSpaceToReserve。知道了要預留的地址空間的大小之後，WebViewFactory類的靜態成員函式prepareWebViewInZygote就會呼叫另外一個靜態成員函式nativeReserveAddressSpace為Chromium動態庫預留地址空間。

WebViewFactory類的靜態成員函式nativeReserveAddressSpace是一個JNI方法，它在C++層對應的函式為ReserveAddressSpace。這個函式實現在上述名稱為“webviewchromium_loader”的動態庫中，如下所示：

jboolean ReserveAddressSpace(JNIEnv*, jclass, jlong size) {
return DoReserveAddressSpace(size);
}

這個函式定義在檔案frameworks/webview/chromium/loader/loader.cpp中。

函式ReserveAddressSpace呼叫另外一個函式DoReserveAddressSpace預留大小為size的地址空間，如下所示：

void* gReservedAddress = NULL;
size_t gReservedSize = 0;
jboolean DoReserveAddressSpace(jlong size) {
size_t vsize = static_cast<size_t>(size);
void* addr = mmap(NULL, vsize, PROT_NONE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
......
gReservedAddress = addr;
gReservedSize = vsize;
......
return JNI_TRUE;
}

這個函式定義在檔案frameworks/webview/chromium/loader/loader.cpp中。

函式DoReserveAddressSpace是通過系統介面mmap預留指定大小的地址空間的。同時，預留出來的地址空間的起始地址和大小分別記錄在全域性變數gReservedAddress和gReservedSize中。以後Chromium動態庫就可以載入在該地址空間中。

為Chromium動態庫預留好載入地址之後，Android系統接下來要做的一件事情就是請求Zygote程序啟動一個臨時程序。這個臨時程序將會在上述預留的地址空間中載入Chromium動態庫。這個Chromium動態庫在載入的過程中，它的GNU_RELRO Section會被重定位。重定位完成之後，就可以將它的內容Dump到一個檔案中去。這個檔案以後就會以記憶體對映的方式代替在App程序中載入的Chromium動態庫的GNU_RELRO Section。

請求Zygote程序啟動臨時程序的操作是由System程序完成的。從前面Android系統程序Zygote啟動過程的原始碼分析一文可以知道，System程序是由Zygote程序啟動的，它在Java層的入口函式為SystemServer的靜態成員函式main，它的實現如下所示：

publicfinalclass SystemServer {
......
publicstaticvoid main(String[] args) {
new SystemServer().run();
}
......
}

這個函式定義在檔案frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java中。

SystemServer的靜態成員函式main首先是建立一個SystemServer物件，然後呼叫這個SystemServer物件的成員函式run在System程序中啟動各種系統服務，如下所示：

publicfinalclass SystemServer {
......
privatevoid run() {
......
// Start services.
try {
startBootstrapServices();
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