Android系统架构

Android系统架构

Reference：

Android 操作系统是一个软件组件的栈，如图。

https://source.android.google.cn/images/android_framework_details.png

Linux内核

Android平台的基础是Linux内核，比如ART(Android Run Time)虚拟机最终调用底层Linux内核来执行功能。Linux内核的安全机制为Android提供相应的保障，也允许设备制造商为内核开发硬件驱动程序。

  • 启动Kernel的swapper进程(pid=0)：该进程又称为idle进程, 系统初始化过程Kernel由无到有开创的第一个进程, 用于初始化进程管理、内存管理，加载Display,Camera Driver，Binder Driver等相关工作；
  • 启动kthreadd进程（pid=2）：是Linux系统的内核进程，会创建内核工作线程kworkder，软中断线程ksoftirqd，thermal等内核守护进程。kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖。

此外，内核还做了下列的事情：

电源管理（Power Management） 	针对嵌入式设备的，基于标准Linux电源管理系统的，轻量级的电源管理驱动
低内存管理器 （Low Memory Keller） 	选择性杀死进程来释放需要的内存
匿名共享内存 （Ashmem） 	为进程之间提供共享内存资源，同时为内核提供回收和管理内存的机制
日志（Android Logger） 	一个轻量级的日志设备
定时器（Android Alarm） 	提供一个定时器把设备从睡眠状态唤醒
物理内存映射管理 （Android PMEM） 	DSP及其他设备只能工作在连续的物理内存上，PMEM用于向用户空间提供 连续的物理内存区域映射
文件系统 	Android采用大容量的NAND闪存作为存储设备，使用Yaffs2作为文件系统管理大容量MTD NAND Flash；Yaffs2占用内存小，垃圾回收简洁迅速

HAL

Android系统硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer)，简写为HAL，是连接Android Framework与Linux内核设备驱动的重要桥梁。HAL存在的意义有以下两个方面：

1）HAL层屏蔽掉不同硬件设备的差异，为Android提供了统一的设备访问接口。不同的硬件厂商遵循HAL标准来实现自己的硬件控制逻辑，应用软件开发者不必关心硬件设备的差异，只需按照HAL提供的标准接口对硬件进行访问即可。

2）HAL层帮助硬件厂商隐藏了设备的核心细节，HAL层位于用户空间，遵循Apache协议，允许硬件厂商不公开源码，将设备相关的实现放在HAL层中实现，并以共享库(.so)的形式进行提供。

简单来说，HAL的作用，向上提供标准接口，屏蔽低层的实现细节，方便应用程序调用，位于用户空间（User Space）。

HAL包含多个库模块，其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一组接口，比如WIFI/蓝牙模块，当框架API请求访问设备硬件时，Android系统将为该硬件加载相应的库模块。

也就是说，系统设计者把对硬件的支持分成了两层，一层放在内核空间，一层放在内核空间；其中，硬件抽象层运行在用户空间。

用户空间不属于内核不必遵守GPL协议，各个厂商可以把与自己硬件设备相关，具有商业机密的一些代码放在HAL层。

这也就是安卓被Linux主分支除名的原因。

Android-Runtime 与 Naive Libraries

Android-Runtime：提供名为 Dalvik 虚拟机的关键组件，类似于 Java 虚拟机，但专门为 Android 设计和优化。

Dalvik 虚拟机使得可以在 Java 中使用 Linux 核心功能，如内存管理和多线程。Dalvik 虚拟机使得每一个 Android 应用程序运行在自己独立的虚拟机进程。

Android-Runtime 同时提供一系列核心的库来为 Android 应用程序开发者使用标准的 Java 语言来编写 Android 应用程序。

每个应用都在其自己的进程中运行，都有自己的虚拟机实例。ART通过执行DEX文件可在设备运行多个虚拟机。

DEX文件是一种专为Android设计的字节码格式文件，经过优化，使用内存很少。

ART主要功能包括：预先(AOT)和即时(JIT)编译，优化的垃圾回收(GC)，以及调试相关的支持。

Naive Libraries：

Native系统库主要包括init孵化来的用户空间的守护进程、HAL层以及开机动画等。启动init进程(pid=1)，是Linux系统的用户进程，init进程是所有用户进程的鼻祖。

  • init进程会孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程；
  • init进程还启动servicemanager(binder服务管家)、bootanim(开机动画)等重要服务
  • init进程孵化出Zygote进程，Zygote进程是Android系统的第一个Java进程(即虚拟机进程)，Zygote是所有Java进程的父进程，Zygote进程本身是由init进程孵化而来的。

专门为 Android 开发的基于 Java 的程序库，包括应用程序框架库，如用户界面构建，图形绘制和数据库访问。一些 Android 开发者可用的 Android 核心程序库总结如下：

  • android.app - 提供应用程序模型的访问，是所有 Android 应用程序的基石。
  • android.content - 方便应用程序之间，应用程序组件之间的内容访问，发布，消息传递。
  • android.database - 用于访问内容提供者发布的数据，包含 SQLite 数据库管理类。
  • android.opengl - OpenGL ES 3D 图片渲染 API 的 Java 接口。
  • android.os - 提供应用程序访问标注操作系统服务的能力，包括消息，系统服务和进程间通信。
  • android.text - 在设备显示上渲染和操作文本。
  • android.view - 应用程序用户界面的基础构建块。
  • android.widget - 丰富的预置用户界面组件集合，包括按钮，标签，列表，布局管理，单选按钮等。
  • android.webkit - 一系列类的集合，允许为应用程序提供内建的 Web 浏览能力。

看过了 Android 运行层内的基于 Java 的核心程序库，是时候关注一下 Android 软件栈中的基于 C/C++ 的程序库。

实现原理：Syscall && JNI

  • Native与Kernel之间有一层系统调用(SysCall)层
  • Java层与Native(C/C++)层之间的纽带JNI（Java Native Interface）

Framework

Zygote进程，是由init进程通过解析init.rc文件后fork生成的，Zygote进程主要包含：

  • 加载ZygoteInit类，注册Zygote Socket服务端套接字
  • 加载虚拟机
  • 提前加载类preloadClasses
  • 提前加载资源preloadResouces
  • System Server进程，是由Zygote进程fork而来，System Server是Zygote孵化的第一个进程，System Server负责启动和管理整个Java framework，包含ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等服务。
  • Media Server进程，是由init进程fork而来，负责启动和管理整个C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service等服务。

应用框架层以 Java 类的形式为应用程序提供许多高级的服务。应用程序开发者被允许在应用中使用这些服务。

  • 活动管理者 - 控制应用程序生命周期和活动栈的所有方面。
  • 内容提供者 - 允许应用程序之间发布和分享数据。
  • 资源管理器 - 提供对非代码嵌入资源的访问，如字符串，颜色设置和用户界面布局。
  • 通知管理器 - 允许应用程序显示对话框或者通知给用户。
  • 视图系统 - 一个可扩展的视图集合，用于创建应用程序用户界面。

应用程序

Zygote进程孵化出的第一个App进程是Launcher，这是用户看到的桌面App；

Zygote进程还会创建Browser，Phone，Email等App进程，每个App至少运行在一个进程上。

所有的App进程都是由Zygote进程fork生成的。

posted @ 2020-12-03 15:04  schips  阅读(751)  评论(0)  编辑  收藏  举报