深入讲解Android Property机制

侯亮

1      概述

     Android系统（本文以Android 4.4为准）的属性（Property）机制有点儿类似Windows系统的注册表，其中的每个属性被组织成简单的键值对（key/value）供外界使用。

     我们可以通过在adb shell里敲入getprop命令来获取当前系统的所有属性内容，而且，我们还可以敲入类似“getprop 属性名”的命令来获取特定属性的值。另外，设置属性值的方法也很简单，只需敲入“setprop 属性名 新值”命令即可。

可是问题在于我们不想只认识到这个层次，我们希望了解更多一些Property机制的运作机理，而这才是本文关心的重点。

     说白了，Property机制的运作机理可以汇总成以下几句话：
1）  系统一启动就会从若干属性脚本文件中加载属性内容；
2）  系统中的所有属性（key/value）会存入同一块共享内存中；
3）  系统中的各个进程会将这块共享内存映射到自己的内存空间，这样就可以直接读取属性内容了；
4）  系统中只有一个实体可以设置、修改属性值，它就是属性服务（Property Service）；
5）  不同进程只可以通过socket方式，向属性服务发出修改属性值的请求，而不能直接修改属性值；
6）  共享内存中的键值内容会以一种字典树的形式进行组织。

Property机制的示意图如下：

2      Property Service

2.1  init进程里的Property Service

Property Service实体其实是在init进程里启动的。我们知道，init是Linux系统中用户空间的第一个进程。它负责创建系统中最关键的几个子进程，比如zygote等等。在本节中，我们主要关心init进程是如何启动Property Service的。

我们查看core/init/Init.c文件，可以看到init进程的main()函数，它里面和property相关的关键动作有：
1）间接调用__system_property_area_init()：打开属性共享内存，并记入__system_property_area变量；
2）间接调用init_workspace()：只读打开属性共享内存，并记入环境变量；
3）根据init.rc，异步激发property_service_init_action()，该函数中会：
    l  加载若干属性文本文件，将具体属性、属性值记入属性共享内存；
    l  创建并监听socket；
4）根据init.rc，异步激发queue_property_triggers_action()，将刚刚加载的属性对应的激发动作，推入action列表。

main()中的调用关系如下：

2.1.1   初始化属性共享内存

     我们可以看到，在init进程的main()函数里，辗转打开了一个内存文件“/dev/__properties__”，并把它设定为128KB大小，接着调用mmap()将这块内存映射到init进程空间了。这个内存的首地址被记录在__system_property_area__全局变量里，以后每添加或修改一个属性，都会基于这个__system_property_area__变量来计算位置。

      初始化属性内存块时，为什么要两次open那个/dev/__properties__文件呢？我想原因是这样的：第一次open的句柄，最终是给属性服务自己用的，所以需要有读写权限；而第二次open的句柄，会被记入pa_workspace.fd，并在合适时机添加进环境变量，供其他进程使用，因此只能具有读取权限。

第一次open时，执行的代码如下： 
fd = open(property_filename, O_RDWR | O_CREAT | O_NOFOLLOW | O_CLOEXEC | O_EXCL, 0444); 
传给open()的参数标识里指明了O_RDWR，表示用“读写方式”打开文件。另外O_NOFOLLOW标识主要是为了防止我们打开“符号链接”，不过我们知道，__properties__文件并不是符号链接，所以当然可以成功open。O_CLOEXEC标识是为了保证一种独占性，也就是说当init进程打开这个文件时，此时就算其他进程也open这个文件，也会在调用exec执行新程序时自动关闭该文件句柄。O_EXCL标识和O_CREATE标识配合起来，表示如果文件不存在，则创建之，而如果文件已经存在，那么open就会失败。第一次open动作后，会给__system_property_area__赋值，然后程序会立即close刚打开的句柄。

第二次open动作发生在接下来的init_workspace()函数里。此时会再一次打开__properties__文件，这次却是以只读模式打开的： 
int fd = open(PROP_FILENAME, O_RDONLY | O_NOFOLLOW); 
打开的句柄记录在pa_workspace.fd处，以后每当init进程执行socket命令，并调用service_start()时，会执行类似下面的句子：

【system/core/init/Init.c】

这个环境变量在日后有可能被其他进程拿来用，从而将属性内存区映射到自己的内存空间去，这个后文会细说。

         接下来，main()函数在设置好属性内存块之后，会调用queue_builtin_action()函数向内部的action_list列表添加action节点。关于这部分的详情，可参考其他讲述Android启动机制的文档，这里不再赘述。我们只需知道，后续，系统会在合适时机回调“由queue_builtin_action()的参数”所指定的property_service_init_action()函数就可以了。

2.1.2   初始化属性服务

property_service_init_action()函数只是在简单调用start_property_service()而已，后者的代码如下：

【core/init/Property_service.c】

其主要动作无非是加载若干属性文件，然后创建并监听一个socket接口。

2.1.2.1  加载属性文本文件

start_property_service()函数首先会调用load_properties_from_file()函数，尝试加载一些属性脚本文件，并将其中的内容写入属性内存块里。从代码里可以看到，主要加载的文件有： 
l  /system/build.prop 
l  /system/default.prop（该文件不一定存在） 
l  /data/local.prop 
l  /data/property目录里的若干脚本

load_properties_from_file()函数的代码如下：

【core/init/Property_service.c】

其中调用的read_file()函数很简单，只是把文件内容的所有字节读入一个buffer，并在内容最后添加两个字节：’\n’和0。

        接着调用的load_properties()函数，会逐行分析传来的buffer，解析出行内的key、value部分，并调用property_set()，将key、value设置进系统的属性共享内存去。

        我们绘制出property_service_init_action()函数的调用关系图，如下：

2.1.2.2  创建socket接口

在加载动作完成后，start_property_service ()会创建一个socket接口，并监听这个接口。

【core/init/Property_service.c】

这个socket是专门用来监听其他进程发来的“修改”属性值的命令的，它被设置成“非阻塞”（O_NONBLOCK）的socket。

2.1.3   初始化属性后的触发动作

既然在上一小节的property_service_init_action()动作中，系统已经把必要的属性都加载好了，那么现在就可以遍历刚生成的action_list，看看哪个刚加载好的属性可以进一步触发连锁动作。这就是init进程里为什么有两次和属性相关的queue_builtin_action()的原因。

【system/core/init/Init.c】

【system/core/init/Init_parser.c】

这段代码是说，当获取的属性名和属性值，与当初init.rc里记录的某action的激发条件匹配时，就把该action插入执行队列的尾部（action_add_queue_tail(act)）。

2.2  init进程循环监听socket

         现在再回过头看init进程，其main()函数的最后，我们可以看到一个for(;;)循环，不断监听外界发来的命令，包括设置属性的命令。

【system/core/init/Init.c】

2.2.1   处理“ctl.”命令

         当从socket收到“设置属性”的命令后，会调用上面的handle_property_set_fd()函数，代码截选如下：

【core/init/Property_service.c】

        看到了吗？设置属性时，一开始就把属性名和属性值的长度都限制了。

也就是说，有意义的部分的最大字节数分别为31字节和91字节，最后一个字节先被强制设为0了。

2.2.1.1  check_control_perms()

        对于普通属性而言，主要是调用property_set()来设置属性值，但是有一类特殊属性是以“ctl.”开头的，它们本质上是一些控制命令，比如启动某个系统服务。这种控制命令需调用handle_control_message()来处理。

当然，并不是随便谁都可以发出这种控制命令的，也就是说，不是谁都可以成功设置以“ctl.”开头的特殊属性。handle_property_set_fd()会先调用check_control_perms()来检查发起方是否具有相应的权限。

【core/init/Property_service.c】

可以看到，如果设置方的uid是AID_SYSTEM或者AID_ROOT，那么一般都是具有权限的。而如果uid是其他值，那么就得查control_perms表了，这个表的定义如下：

【core/init/Property_service.c】

uid为AID_SHELL的进程可以启动、停止dumpstate服务，uid为AID_RADIO的进程可以启动、停止ril-daemon服务。

2.2.1.2  handle_control_message()

         在通过权限检查之后，就可以调用handle_control_message()来处理控制命令了：

【system/core/init/Init.c】

    假设从socket发来的命令是“ctl.start”，那么就会走到msg_start(arg)。

这里启动的service基本上都是在init.rc里说明的系统service。比如netd：

我们知道，init进程在分析init.rc文件时，会形成一个service链表，现在msg_start()就是从这个service链表里去查找相应名称的service节点的。找到节点后，再调用service_start(svc, args)。

service_start()常常会fork一个子进程，然后为它设置环境变量（ANDROID_PROPERTY_WORKSPACE）：

大家还记得前文阐述init_workspace()时，把打开的句柄记入pa_workspace.fd的句子吧，现在就是在用这个句柄。

一切准备好后，service_start()会调用execve()，执行svc->args[0]所指定的可执行文件，然后还要再写个属性值：

一般情况下，这种在init.rc里记录的系统service的名字都不会超过22个字节，加上“init.svc.”前缀也不会超过31个字节，所以每次启动service，都会修改相应的属性。比如netd服务，一旦它被启动，就会将init.svc.netd属性的值设为“running”。

以上是handle_control_message()处理“ctl.start”命令时的情况，相应地还有处理“ctl.stop”命令的情况，此时会调用到msg_stop()。

【system/core/init/Init.c】

可以看到，停止一个service时，主要是调用kill( )来杀死服务子进程，并将init.svc.xxx属性值设为stopping。

       OK，终于把init进程里，处理“ctl.”命令的部分讲完了，下面我们接着看init进程处理普通属性的部分。

2.2.2   处理属性设置命令

我们还是先回到前文init进程处理属性设置动作的地方：

2.2.2.1  check_perms()

主要也是在查表，property_perms表的定义如下：

 

      这其实很容易理解，比如要设置“sys.”打头的系统属性，进程的uid就必须是AID_SYSTEM，否则阿猫阿狗都能设置系统属性，岂不糟糕。

2.2.2.2  property_set()

权限检查通过之后，就可以真正设置属性了。在前文“概述”一节中，我们已经说过，只有Property Service（即init进程）可以写入属性值，而普通进程最多只能通过socket向Property Service发出设置新属性值的请求，最终还得靠Property Service来写。那么我们就来看看Property Service里具体是怎么写的。

         总体说来，property_set()会做如下工作：

1）  判断待设置的属性名是否合法； 
2）  尽力从“属性共享内存”中找到匹配的prop_info节点，如果能找到，就调用__system_property_update()，当然如果属性是以“ro.”打头的，说明这是个只读属性，此时不会update的；如果找不到，则调用__system_property_add()添加属性节点。 
3）  在update或add动作之后，还需要做一些善后处理。比如，如果改动的是“net.”开头的属性，那么需要重新设置一下net.change属性，属性值为刚刚设置的属性名字。 
4）  如果要设置persist属性的话，只有在系统将所有的默认persist属性都加载完毕后，才能设置成功。persist属性应该是那种会存入可持久化文件的属性，这样，系统在下次启动后，可以将该属性的初始值设置为系统上次关闭时的值。
5）  如果将“selinux.reload_policy”属性设为“1”了，那么会进一步调用selinux_reload_policy()。这个意味着要重新加载SEAndroid策略。 
6）  最后还需调用property_changed()函数，其内部会执行init.rc中指定的那些和property同名的action。

【core/init/Property_service.c】

         一开始当然要先找到“希望设置的目标属性”在共享内存里对应的prop_info节点啦，后续关于__system_property_update()和__system_property_add()的操作，主要都是在操作该prop_info节点，代码比较简单。prop_info的详细内容我们会在下文阐述，这里先跳过。

         如果可以找到prop_info节点，就尽量将这个属性的值更新一下，除非是遇到“ro.”属性，这种属性是只读的，当然不能set。如果找不到prop_info节点，此时会为这个新属性创建若干字典树节点，包括最终的prop_info叶子。

         属性写入完毕后，还要调用property_changed()，做一些善后处理：

【system/core/init/Init.c】

【 system/core/init/Init_parser.c 】 

从代码可以看出，当某个属性修改之后， Property Service 会遍历一遍 action_list 列表，找到其中匹配的 action 节点，并将之添加进 action_queue 队列。之所以会有 if (list_empty(&act->qlist)) 判断，是为了防止重复添加。下面是 init.rc 脚本中的一个片段： 

【system/core/rootdir/init.rc】 

这几个就是和property相关的action，其他相关的action还有不少，我们就不列了。我们以第一个action为例来说明。如果我们修改了vold.decrypt属性的值，那么queue_property_triggers()搜索action_list时，就能找到一个名为“property:vold.decrypt=trigger_reset_main”的action节点，此时的逻辑无非是比较“冒号后的名字”、“赋值号后的值”，是否分别和queue_property_triggers()的name、value参数匹配，如果匹配，就把这个action节点添加进action_queue队列里。

3      客户进程访问属性的机制

3.1  映射“属性共享内存”的时机

现在有一个问题必须先提出来，那就是“属性共享内存”是在什么时刻映射进用户进程空间的？总不会平白无故地就可以成功调用property_get()吧。其实，为了让大家方便地调用property_get()，属性机制的设计者的确是用了一点儿小技巧，下面我们就来看看细节。

3.1.1   静态加载时的初始化

在前文介绍Init进程初始化属性共享内存时，调用了一个叫做__system_property_area_init()的函数：

【bionic/libc/bionic/System_properties.c】

它映射时需要的是读写权限。而对普通进程而言，只有读权限，当然不可能调用__system_property_area_init()了。其实在System_properties.c文件中，我们还可以找到另一个长得挺像的初始化函数——__system_properties_init()：

它调用的map_prop_area()会把属性共享内存，以只读模式映射到用户进程空间：

其中调用的get_fd_from_env()的代码如下：

哇，终于看到读取“ANDROID_PROPERTY_WORKSPACE”环境变量的地方啦。不过呢，它的重要性似乎并没有我们一开始想的那么大。在map_prop_area()函数里分明写着，只有在open()属性文件不成功的情况下，才会尝试从环境变量中读取文件句柄，而一般都会open成功的。不管文件句柄fd是怎么得到的吧，反正能映射成空间地址就行。映射后的空间地址，仍然会记录在__system_property_area__全局变量中。

         现在我们只需找到调用__system_properties_init()的源头就可以了。经过查找，我们发现__libc_init_common()会调用它，代码如下：

【bionic/libc/bionic/Libc_init_common.cpp】

这个函数可是在bionic目录里的，小技巧已经用到C库里啦。

         __libc_init_common()又会被__libc_init()调用：

【bionic/libc/bionic/Libc_init_static.cpp】

        当一个用户进程被调用起来时，内核会先调用到C运行期库（crtbegin）层次来初始化运行期环境，在这个阶段就会调用到__libc_init()，而后才会间接调用到C程序员熟悉的main()函数。可见属性共享内存在执行main()函数之前就已经映射好了。

3.1.2   动态加载时的初始化

除了__libc_init()中会调用__libc_init_common()，还有一处会调用。

【bionic/libc/bionic/Libc_init_dynamic.cpp】

请大家注意函数名那一行起始处的__attribute__((constructor))属性，这是GCC的一个特有属性。被这种属性修饰的函数会被放置在特殊的代码段中。这样，当动态链接器一加载libc.so时，会尽早执行__libc_preinit()函数。这样一来，动态库里也可以放心调用property_get()了。

3.2  读取属性值

下面我们来集中精力研究读取属性值的部分。我们在前文留下过一个尾巴，当时对属性共享内存块里的prop_info节点，只做了非常简略的提及，现在我们就来细说它。

说白了，属性共享内存中的内容，其实被组织成一棵字典树。内存块的第一个节点是个特殊的总述节点，类型为prop_area。紧随其后的就是字典树的“树枝”和“树叶”了，树枝以prop_bt表达，树叶以prop_info表达。我们读取或设置属性值时，最终都只是在操作“叶子”节点而已。

3.2.1   “属性共享内存”里的数据结构

 【bionic/libc/bionic/System_properties.c】

      现在的问题是，这棵树是如何组织其枝叶的？System_properties.c文件中，有一段注释，给出了一个不算太清楚的示意图，截取如下：

看过这张图后，各位同学搞清楚了吗？反正我一开始没有搞清楚，后来只好研究代码，现在算是知道一点儿了，详情如下： 
l  一开始的prop_area节点严格地说并不属于字典树，但是它代表着属性共享内存块的起始； 
l  紧接着prop_area节点，需要有一个空白的prop_bt节点。这个是必须的噢，在前文说明init进程的main()函数的调用关系图中，我们表达了这个概念：

这个就是空节点； 
l  属性名将以‘.’符号为分割符，被分割开来。比如ro.secure属性名就会被分割成“ro”和“secure”两部分，而且每个部分用一个prop_bt节点表达。 
l  属性名中的这种‘.’关系被表示为父子关系，所以“ro”节点的children域，会指向“secure”节点。但是请注意，一个节点只有一个children域，如果它还有其他孩子，那些孩子将会和第一个子节点（比如secure节点）组成一棵二叉树。 
l  当一个属性名对应的“字典树枝”都已经形成好后，会另外创建一个prop_info节点，专门表示这个属性，该节点就是“字典树叶”。

下面我们画几张图来说明问题。比如我们现在手头有3个属性，分别为 
ro.abc.def 
ro.hhh.def 
sys.os.ccc

我们依此顺序设置属性，就会形成下面这样的树：

其中天蓝色块表示prop_area节点，桔黄色块表示prop_bt节点，浅绿色块表示prop_info节点。简单地说，父节点的children域，只指代其第一个子节点。后续从属于同一父节点的兄弟子节点，会被组织成一棵二叉子树，该二叉子树的根就是父节点的第一个子节点。我们用蓝色箭头来表示二叉子树的关系，在代码中对应prop_bt的left、right域。这么说来，以不同顺序添加属性，其实会导致最终得到的字典树在形态上发生些许变化。

         prop_bt节点的name域只记录“树枝”的名字，比如“ro”、“abc”、“def”等等，而prop_info节点的name域记录的则是属性的全名，比如“ro.abc.def”。

         现在我们向上面这棵字典树中再添加一个rs.ppp.qqq属性，会形成如下字典树：

“rs”节点之所以在那个位置，是基于strcmp()的计算结果。“rs”字符串比“ro”字符串大，所以进一步和“ro”的right节点（即“sys”节点）比对，“rs”又比“sys”小，所以在“sys”节点的left枝上建立了新节点。

         以上是画成字典树的样子，它表示的是一种逻辑关系。而在实际的“属性共享内存”中，这些节点基本上是紧凑排列的，大体上会形成下面这样的排列关系：

         说到这里，大家应该已经比较清楚属性共享内存块是怎么组织的吧。有了这种大致思路，再去看相应的代码，相信大家会轻松一点儿。

3.2.2   property_get()

在读取具体属性值时，最终会调用到property_get()函数，该函数的调用关系如下：

说白了就是先从字典树中找到感兴趣的prop_info叶子，然后把叶子里的值读出来。

4      Java层的封装

接下来我们再说说属性机制里Java层的封装。这部分比较简单，因为它主要只是在简单包装C语言层次的函数。

Java层使用的属性机制被封装在SystemProperties中：

【frameworks/base/core/java/android/os/SystemProperties.java】

         我们就以上面的get()成员函数为例来说明，它基本上只是在调用native_get()函数而已，该函数对应的C语言函数可以从下表查到，就是那个SystemProperties_getS()：

【frameworks/base/core/jni/android_os_SystemProperties.cpp】

【frameworks/base/core/jni/android_os_SystemProperties.cpp】

最终调用的还是property_get()函数。

5      尾声

至此，有关Android属性机制的大体机理就讲解完毕了，希望对大家有点儿帮助。

转自http://blog.csdn.net/codefly/article/details/48379239