Android Boot Flow（Android 開機流程）

Android 裝置從按下電源鍵到看見 Launcher 桌面，背後經歷了一連串複雜的啟動流程。本文整理完整的 Android Boot Flow，從最底層的硬體到最上層的應用框架。

整體流程概覽

Power On
   │
   ▼
Boot ROM (PBL)
   │
   ▼
Bootloader (ABL / LK / U-Boot)
   │
   ▼
Linux Kernel
   │
   ▼
Init (PID 1)
   │
   ├─► Early Init (tmpfs, /dev, /proc 掛載)
   ├─► Init.rc 解析與執行
   ├─► HAL / Vendor Services
   │
   ▼
Zygote (app_process)
   │
   ▼
System Server
   │
   ├─► Activity Manager Service (AMS)
   ├─► Package Manager Service (PMS)
   ├─► Window Manager Service (WMS)
   └─► ...其他系統服務
   │
   ▼
Launcher（Home Screen）

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1. Power On & Boot ROM（PBL）

說明

當裝置電源開啟後，CPU 會從一個固定的記憶體位址開始執行程式碼，這段程式碼存放在晶片內部的 Boot ROM（Primary Bootloader, PBL），是唯讀且無法被修改的。

主要工作

• 初始化基本硬體（時鐘、DRAM controller）
• 從儲存裝置（eMMC / UFS）載入下一階段的 Bootloader
• 進行基本的安全驗證（Secure Boot 第一步）

特點

• 大小極小，通常 < 16 KB
• 由 SoC 廠商（高通、聯發科、三星）燒錄，無法修改
• 若驗證失敗會進入 Emergency Download Mode（EDL）

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2. Bootloader（ABL / LK / U-Boot）

說明

Bootloader 是介於韌體與作業系統之間的橋梁，Android 常見的 Bootloader 有：

Bootloader	廠商	說明
ABL (UEFI-based)	高通	Android Boot Loader，現代高通平台使用
LK (Little Kernel)	高通（舊）	曾廣泛用於 Android 裝置
U-Boot	開源	多用於 AOSP 開發板

主要工作

• 初始化 DRAM、顯示器、儲存裝置
• 載入並驗證 boot.img（包含 Linux Kernel + ramdisk）
• Verified Boot（AVB）：驗證 kernel 和 system partition 的簽章
• 決定開機模式：
  • 正常開機（Normal Boot）
  • Recovery Mode
  • Fastboot Mode

A/B Partition（無縫更新）

現代 Android 裝置（Android 7.0+）採用 A/B Slot 機制：

• 系統有兩份 partition（_a 和 _b）
• OTA 更新寫入備用 Slot，成功後切換
• 失敗可自動 Rollback，提升更新安全性

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3. Linux Kernel 初始化

說明

Bootloader 將 kernel 解壓縮並載入記憶體後，CPU 跳轉至 kernel 入口點執行。

主要工作

1. 架構初始化：設置 CPU 模式、MMU（記憶體管理單元）、中斷向量表
2. 驅動程式初始化：依序初始化各硬體驅動（GPIO、I2C、USB、Wi-Fi...）
3. 掛載 initramfs：init_boot.img 內的 ramdisk 被掛載為根目錄
4. 啟動第一個 userspace 程式：執行 /init（PID 1）

Android 特有的 Kernel 元件

• Binder：Android IPC（程序間通訊）機制，高效能的 driver
• Ashmem：Android 共享記憶體機制（現代版本改用 memfd）
• ION：多媒體記憶體分配器
• Wakelocks：電源管理，防止系統進入休眠

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4. Init（PID 1）

說明

/init 是 Android userspace 的第一個程式，其 PID 為 1。原始碼位於 system/core/init/。

啟動階段

Early Init

• 掛載 tmpfs、devtmpfs、proc、sysfs
• 設置 SELinux 策略（/system/etc/selinux/）
• 建立基本目錄（/dev, /sys, /proc）

Init.rc 解析

Android 使用 .rc 腳本（Android Init Language）來描述服務和啟動動作：

# 範例：啟動 surfaceflinger
service surfaceflinger /system/bin/surfaceflinger
    class core animation
    user system
    group graphics drmrpc readproc
    capabilities SYS_NICE
    onrestart restart zygote

重要的 rc 檔案：

• init.rc — 核心系統服務
• init.{hardware}.rc — 硬體平台相關（如 init.qcom.rc）
• init.{ro.boot.hardware.platform}.rc — SoC 平台相關

Vendor Init

• 啟動 HAL（Hardware Abstraction Layer）服務
• 初始化 hwservicemanager、vndservicemanager

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5. Zygote

說明

Zygote（「受精卵」）是所有 Android App 程序的父程序，透過 fork 機制讓新 App 快速啟動。

啟動流程

init → app_process → ZygoteInit.java
         │
         ├─ 預載入常用 Java Classes（~1500+ 類別）
         ├─ 預載入 Resources（drawable、strings）
         └─ 開啟 Socket 等待連線 (/dev/socket/zygote)

為什麼用 fork？

• Copy-on-Write（COW）：fork 後子程序與父程序共享記憶體頁面
• 預載入的 classes 和 resources 不需重複載入
• App 啟動時間大幅縮短

Zygote64 & Zygote32

現代 64-bit Android 裝置同時運行兩個 Zygote：

• zygote64：for 64-bit app
• zygote32：for 32-bit app（相容性）

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6. System Server

說明

Zygote fork 出 System Server，這是 Android Framework 的核心程序，負責啟動所有系統服務。

關鍵系統服務

服務	功能
ActivityManagerService (AMS)	管理 Activity 生命週期、App 程序
PackageManagerService (PMS)	管理 APK 安裝、權限
WindowManagerService (WMS)	視窗管理、Surface 合成
PowerManagerService	電源管理、Wakelock
InputManagerService	觸控、按鍵事件分發
TelephonyRegistry	電話狀態管理
ConnectivityService	網路管理

啟動完成通知

System Server 啟動完成後，AMS 會發送：

ACTION_BOOT_COMPLETED

此廣播代表系統已完全啟動，App 可以接收並執行開機自動啟動的任務。

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7. Launcher（Home Screen）

System Server 的 AMS 啟動後，會呼叫 startHomeActivity() 啟動預設的 Launcher App，使用者看到桌面，開機流程完成。

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Boot Partition 結構（現代 Android）

┌─────────────────────────────────────────┐
│  boot_a / boot_b                        │  ← Kernel + generic ramdisk
├─────────────────────────────────────────┤
│  init_boot_a / init_boot_b              │  ← Generic Init ramdisk (Android 13+)
├─────────────────────────────────────────┤
│  vendor_boot_a / vendor_boot_b          │  ← Vendor ramdisk + DTB
├─────────────────────────────────────────┤
│  dtbo_a / dtbo_b                        │  ← Device Tree Blob Overlay
├─────────────────────────────────────────┤
│  vbmeta_a / vbmeta_b                    │  ← Verified Boot metadata
├─────────────────────────────────────────┤
│  system_a / system_b                    │  ← /system（Framework）
├─────────────────────────────────────────┤
│  vendor_a / vendor_b                    │  ← /vendor（HAL、驅動）
└─────────────────────────────────────────┘

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常見除錯方法

查看開機 log

# 透過 ADB 查看 kernel log
adb shell dmesg | grep -i "boot\|init\|zygote"

# 查看 Android logcat（開機期間）
adb logcat -b all | grep -i "bootanim\|system_server\|zygote"

# 查看 bootloader log（部分裝置）
adb shell cat /proc/last_kmsg

常見開機失敗原因

現象	可能原因
卡在 Boot Logo	Kernel panic、驅動初始化失敗
卡在 Android 動畫	System Server 崩潰、關鍵服務啟動失敗
卡在 Recovery	AVB 驗證失敗、system partition 損毀
快速重啟	Init 重啟關鍵服務失敗超過閾值

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參考資料

• Android Platform Architecture
• Booting process of Android devices - Wikipedia
• Android Verified Boot (AVB)
• Android Init Language
• Generic Boot Partition - Android 13