Android开发学习之系统架构

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Android负责人Dan Morrill说:“ Android并不是传统的Linux风格的一个规范或分发版本,也不是一些列可重用的组件集成,Android是一个用于连接设备的软件块。”

android-1

从上面那张图我们就可以简单的看出Android系统架构的组成部分以及其简单的运作方式,下面给出Android系统架构的详细架:

android-architecture-en

翻译成中文如下:

android-architecture-cn

可以很明显看出,Android系统架构由5部分组成,分别是:Linux Kernel、Android Runtime、Libraries、Application Framework、Applications。

1、Linux内核(Linux Kernel)

Android基于Linux 2.6内核,但并非完全照搬内核,而是对内核作了部分增删和修改,在Linux 2.6内核的基础上,Android核心系统实现了安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型等功能。

  • 硬件驱动程序:完成与各种硬件的通信,Linux内核提供了大部分设备的驱动程序,如显示屏,摄像头,内存,键盘,无线网络,音频设备,电源等组件。
  • 系统内存管理:对所有可用的内存进行统一编码管理,定义一整套内存定位,使用与回收的策略。
  • 系统进程管理:内核管理进程的创建与销毁,管理进程间的通信,以及采取必要的措施避免死锁等内容。
  • 网络管理系统:无线网络设备工作原理,内核掌控如何读取网络设备中的缓存数据。

Linux Kernel也作为硬件和软件之间的抽象层,它隐藏具体硬件细节而为上层提供统一的服务。如果你学过计算机网络知道OSI/RM,就会知道分层的好处就是使用下层提供的服务而为上层提供统一的服务,屏蔽本层及以下层的差异,当本层及以下层发生了变化不会影响到上层。也就是说各层各司其职,各层提供固定的SAP(Service Access Point),专业点可以说是高内聚、低耦合。如果你只是做应用开发,就不需要深入了解Linux Kernel层。

Android内核基于Linux2.6内核作了部分修改和增删,是一个增强内核版本,除了修改部分Bug外,它还提供了用于支持Android平台的设备驱动,与标准的Linux内核比较、分析可知其内核的全貌和基本结构,下面对基于Android修改的核心驱动作初步阐述:

  • 系统进程管理。Android平台的进程间通讯基于Binder机制实现,它提供了一种进程间通信的方法,即一个进程可以以类似远程过程调用的形式调用另一个进程所提供的功能,然后带着执行的结果返回。Android Binder是基于Service与Client的,有一个ServiceManager的守护进程管理着系统的各个服务,它负责监听是否有其他程序向其发送请求,如果有请求就响应,每个服务都要在ServiceManager中注册,而请求服务的客户端去ServiceManager请求服务。
  • 内存管理。低内存管理器(Low Memory Killer):相对于Linux标准OOM(Out Of Memory)机制更加灵活,它可以根据需要杀死进程来释放需要的内存。匿名共享内存(ashmem):为进程间提供大块共享内存,同时为内核提供回收和管理这个内存的机制。Android PMEM(Physical):PMEM用于向用户空间提供连续的物理内存区域,DSP和某些设备只能工作在连续的物理内存上。
  • 文件系统管理。Android平台采用Yaffs2作为MTD nand flash文件系统,Yaffs2是一个快速稳定的应用于NAND和NOR Flash的跨平台的嵌入式设备文件系统,同其他Flash文件系统相比,Yaffs2使用更小的内存来保存它的运行状态,因此它占用内存小;Yaffs2的垃圾回收非常简单而且快速,因此能达到更好的性能;Yaffs2在大容量的NAND Flash上性能表现尤为明显,非常适合大容量的Flash存储。
  • 时钟管理。Android Alarm,提供了一个定时器用于把设备从睡眠状态唤醒,同时它也提供了一个即使在设备睡眠时也会运行的时钟基准,Android timed device,提供了对设备进行定时控制功能,目前支持vibrator和LED设备。
  • 电源管理。Android电源管理(PM),一个基于标准Linux电源管理系统的轻量级的Android电源管理驱动,针对嵌入式设备做了很多优化。
  • USB管理。Android的USB驱动是基于gaeget框架的,USB Gadget驱动是一个基于标准Linux USB gadget驱动框架的设备驱动。
  • 系统日志管理。Android Logger,一个轻量级的日志设备,用于抓取Android系统的各种日志。

2、Android运行时(Android Runtime)

Android包含一个核心库的集合,提供大部分在Java编程语言核心类库中可用的功能。每一个Android应用程序是Dalvik虚拟机中的实例,运行在他们自己的进程中。

Dalvik虚拟机是Google专为Android开发的,比SunJava虚拟机的效率更高,功能也更为复杂,以更好的支撑Android平台,并拥有独立的版权。每一个Android应用程序都在自己的进程中运行,都拥有一个独立的Dalvik虚拟机实例, Dalvik虚拟机执行.dex的可执行文件,该格式文件针对小内存的使用进行了优化,同时虚拟机是基于寄存器实现的,所有的类由Java编译器编译,然后通过SDK中的相应工具转化成.dex格式,最后由虚拟机执行。dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式,适合内存和处理器速度有限的系统。

与大多虚拟机(jvm)不同的是,Dalvik是基于寄存器的,而不是基于栈的。这使得Dalvik支持的机器指令更大(基于栈的需要更多指令)。dx是一套工具,可以将.class文件转化为.dex,通常为多对一关系。由于dex进行最佳化,文件大小增加1-4倍,以ODEX结尾。需要提出的是Dalvik虚拟机依赖于Linux内核提供基本功能(线程、底层内存管理)。

3、Android程序库(Libraries)

Android 包含一些C/C++库,这些库能被Android系统中不同的组件使用。它们通过 Android 应用程序框架为开发者提供服务。以下是一些核心库:

  • Bionic系统 C 库 – 一个从 BSD 继承来的标准 C 系统函数库( libc ), 它是专门为基于 embedded linux 的设备定制的。
  • 媒体库 – 基于 PacketVideo OpenCORE;该库支持多种常用的音频、视频格式回放和录制,同时支持静态图像文件。编码格式包括MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG 。
  • Surface Manager – 对显示子系统的管理,并且为多个应用程序提 供了2D和3D图层的无缝融合。这部分代码
  • Webkit,LibWebCore – 一个最新的web浏览器引擎用,支持Android浏览器和一个可嵌入的web视图。鼎鼎大名的 Apple Safari背后的引擎就是Webkit
  • SGL – 底层的2D图形引擎
  • 3D libraries – 基于OpenGL ES 1.0 APIs实现;该库可以使用硬件 3D加速(如果可用)或者使用高度优化的3D软加速。
  • FreeType -位图(bitmap)和矢量(vector)字体显示。
  • SQLite – 一个对于所有应用程序可用,功能强劲的轻型关系型数据库引擎。

还有部分上面没有显示出来的就是硬件抽象层。其实Android并非讲所有的设备驱动都放在linux内核里面,而是实现在userspace空间,这么做的主要原因是GPL协议,Linux是遵循该协议来发布的,也就意味着对linux内核的任何修改,都必须发布其源代码。而现在这么做就可以避开而无需发布其源代码,毕竟它是用来赚钱的。 而在linux内核中为这些userspace驱动代码开一个后门,就可以让本来userspace驱动不可以直接控制的硬件可以被访问。而只需要公布这个后门代码即可。一般情况下如果要将Android移植到其他硬件去运行,只需要实现这部分代码即可。包括:显示器驱动,声音,相机,GPS,GSM等等

4、Android应用程序框架(Application Framework)

Application Framework也许是大部分开发者接触的最多的部分了,因为Android应用的开发都是通过框架与Android底层进行交互来实现的。 应用开发层是Android提供给开发者一个框架开发平台,开发者在遵循框架原则的基础上,对框架进行扩展从而开发出各式各样的app应用。

应用程序的体系结构简化了组件的重用,使得开发者开发也更加的灵活。

  • 丰富而又可扩展的视图(Views),可以用来构建应用程序, 它包括列表(lists),网格(grids),文本框(text boxes),按钮(buttons), 甚至可嵌入的web浏览器。
  • 内容提供器(Content Providers)使得应用程序可以访问另一个应用程序的数据(如联系人数据库), 或者共享它们自己的数据
  • 资源管理器(Resource Manager)提供非代码资源的访问,如本地字符串,图形,和布局文件( layout files )。
  • 通知管理器 (Notification Manager) 使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息。
  • 活动管理器( Activity Manager) 用来管理应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能。

5、Android应用程序和小部件(Applications)

Android系统发布时,会同一系列核心应用程序和常用程序一起发布,如常用的手机功能程序,包括语音电话、通讯录、短信收发、照相、话机设置等;数据应用程序,包括邮件工具,日程表,浏览器,地图导航等,以及Android Market上的各种应用程序;所有的应用程序都是使用Java语言编写。

Android源代码结构

Google提供的Android包含了原始Android的目标机代码,主机编译工具、仿真环境,代码包经过解压缩后,第一级别的目录和文件如下所示:

|– Makefile (全局的Makefile)
|– bionic (Bionic含义为仿生,这里面是一些基础的库的源代码)
|– bootloader (引导加载器)
|– build (build目录中的内容不是目标所用的代码,而是编译和配置所需要的脚本和工具)
|– dalvik (JAVA虚拟机)
|– development (程序开发所需要的模板和工具)
|– external (目标机器使用的一些库)
|– frameworks (应用程序的框架层)
|– hardware (与硬件相关的库)
|– kernel (Linux2.6的源代码)
|– packages (Android的各种应用程序)
|– prebuilt (Android在各种平台下编译的预置脚本)
|– recovery (与目标的恢复功能相关)
`– system (Android的底层的一些库)

总结

Android的系统架构采用分层架构的思想,架构清晰,层次分明,协同工作。Android的系统架构不仅从宏观上认识了Android系统,同时,也给我们的学习与实践指明了方向。若是从事Android应用开发,那应该研究 Android的应用框架层和应用程序层;若是从事Android系统开发,那应该研究Android的系统库和Android运行时;若是从事 Android驱动开发,那应该研究Android的Linux内核。总之,找准切入点,实践出真知。

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