Android开发基础03-安卓架构

Android 操作系统是一个复杂的系统，由多层构成，每一层都起着特定的作用。理解这些层次及其作用，有助于全面掌握 Android 的工作原理。本文将详细介绍 Android 的五大层次：应用层、应用框架层、库和 Android 运行时层、Linux 内核层，并深入分析每一层次的作用。

1. 应用层 (Applications Layer)

概述

应用层是 Android 系统的最上层，它包括所有的用户应用程序，如拨号器、信息、浏览器、相机等。用户可以直接与这些应用程序交互。

作用

1. 用户交互: 提供用户界面和用户所需的功能。
2. 功能实现: 框架层之上的功能具体实现，如打电话、发短信、上网等。
3. 扩展性: 用户可以通过 Google Play 或其他渠道安装第三方应用，扩展设备功能。

示例

• 系统应用: 拨号器、信息、设置、相机。
• 第三方应用: WhatsApp、Facebook、Instagram。

2. 应用框架层 (Application Framework)

概述

应用框架提供了可复用的组件和服务，开发者可以使用这些组件和服务来构建他们的应用程序。它是一个丰富的 API 集合，简化了应用开发。

作用

1. 组件重用: 提供了大量的可复用组件，如 Activity、Service、Content Provider、Broadcast Receiver。
2. 统一接口: 提供统一接口访问系统服务，如视图系统、资源管理、通知管理、位置管理等。
3. 高效开发: 简化复杂功能的实现，使开发者可以更高效地进行开发。

主要组件

• Activity Manager: 管理应用程序的生命周期和任务栈。
• Window Manager: 管理窗口显示和布局。
• Content Providers: 管理应用间共享数据。
• View System: 构建应用程序用户界面。
• Notification Manager: 显示自定义警告和通知。
• Resource Manager: 访问非代码资源，如字符串、图形。

示例

• Activity: 每一个屏幕或者页面对应一个 Activity，实现用户界面的加载和交互。
• Service: 用于执行长时间运行操作，或者执行没有用户界面需求的任务。

3. 库和 Android 运行时层 (Libraries and Android Runtime)

概述

这一层包含了大量的核心库和 Android 运行时。库为系统提供了基础功能，而 Android 运行时则是驱动应用程序的引擎。

库 (Libraries)

作用

1. 核心功能: 提供各种基础功能，如图形渲染、数据库访问、网络连接等。
2. 性能优化: 提供高效的低层实现，提升应用性能。

主要库

• Surface Manager: 管理显示子系统和窗口合成。
• Media Framework: 提供播放和录制音视频的功能。
• SQLite: 关系数据库，用于本地数据存储。
• OpenGL ES: 2D 和 3D 图形渲染引擎。
• WebKit: 浏览器引擎，用于显示网页内容。
• libc: 标准 C 库，提供基础的系统调用。

Android 运行时 (Android Runtime)

组成

1. Core Libraries: 提供 Java 编程语言的核心功能。
2. ART/Dalvik 虚拟机: ART（Android Runtime）和 Dalvik 是 Android 的虚拟机，为应用提供运行环境。

作用

1. 内存管理: 提供自动内存管理机制，如垃圾回收 (Garbage Collection)。
2. 性能优化: 提供即时编译 (Just-In-Time, JIT) 和提前编译 (Ahead-Of-Time, AOT)，提升应用运行效率。
3. 多进程支持: 提供独立的进程空间，保证应用之间互不干扰。

示例

• SQLite: 用于存储应用数据的小型关系型数据库。
• OpenGL ES: 用于图形渲染的库，让应用能够显示复杂的 2D 和 3D 图形。

4. 硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）

概述

硬件抽象层 (HAL) 提供了一组标准接口，使上层软件能够轻松地与物理硬件进行通信。开发 HAL，硬件制造商与设备的具体操作方法保持一致。

作用

1. 硬件抽象: 封装硬件细节，通过定义标准接口，提供与硬件通信的抽象方法。
2. 设备兼容: 允许 Android 操作系统在不同硬件设备上运行而无需改变上层应用。
3. 模块化设计: 各个硬件模块独立实现，易于维护和升级。

主要模块

• 摄像头 HAL: 提供摄像头操作接口，实现摄像头预览、拍照、视频录制等功能。
• 音频 HAL: 提供标准音频接口，实现音频的录制和播放。
• 蓝牙 HAL: 提供蓝牙设备通信的接口。

5. Linux 内核层 (Linux Kernel)

概述

Linux 内核是 Android 操作系统的基石，负责底层硬件抽象、内存管理、进程管理、安全性等核心功能。

作用

1. 硬件驱动: 提供各种设备驱动程序，如显示驱动、音频驱动、相机驱动等。
2. 内存管理: 管理系统内存，为应用程序分配内存资源。
3. 进程管理: 负责进程和线程的调度与管理。
4. 安全机制: 提供基本的安全特性，如文件系统权限、用户权限管理等。
5. 省电优化: 通过电源管理框架，实现设备省电优化。

主要组件

• 驱动程序: 设备驱动，用于控制硬件。
• 电源管理: 管理设备的电源状态，实现节能策略。
• 安全保卫: SE Linux 安全模块，提供系统安全保护。
• 输入管理: 处理键盘、触摸屏、传感器等输入设备。

示例

• 驱动程序: 包括显示驱动、摄像头驱动、Wi-Fi 驱动等，用于操作具体硬件设备。
• 电源管理: 举例来说，设备进入睡眠模式时，通过电源管理降低能耗。

工作原理

高层次工作原理

1. 用户交互: 用户通过应用层进行操作，如打开应用、点击按钮。
2. 应用框架: 应用层通过调用应用框架提供的 API 完成各种任务，如更新 UI、获取位置信息等。
3. 运行时和库: 应用框架调用运行时和库提供的功能，如数据库操作、网络请求、图形渲染。
4. 硬件交互: 通过 HAL 层调用相应的硬件功能，如获取摄像头图像、录制音频等。
5. 内核支持: Linux 内核层提供基础支持，如硬件驱动、内存管理、进程调度等，确保系统的稳定运行。

具体流程示例

例如：用户点击应用中的 "拍照" 按钮。

1. 应用层: 用户点击应用中的 "拍照" 按钮，触发 Activity 的事件回调。
2. 应用框架层: Activity 调用应用框架的 Camera API，向系统请求开启摄像头。
3. HAL 层: 摄像头请求被传递到 HAL 层，通过 HAL 接口与具体的摄像头设备通信。
4. 内核层: 内核层的摄像头驱动程序负责捕捉图像，并将图像数据返回到应用层。
5. 库和运行时: 图像数据通过运行时和库层处理，如进行图像压缩、存储操作等。
6. 最终应用: 图像显示在应用的用户界面上，用户可以看到拍摄的照片。

总结

理解 Android 操作系统的层次结构以及每一层的作用，对于掌握 Android 开发至关重要。从应用层到 Linux 内核层，每一层都扮演着特定的角色。通过全面了解这些层次及其工作原理，可以更好地开发高效、稳定的 Android 应用。