Framework篇 - Android 系统介绍和架构一览

今天开始写 Android Framework 相关的文章，平时我们开发用的都是 Android 封装好的 API，理解里面的原理对于我们平时的开发，面试都有很大的帮助。

 

目录：

1. Android 系统简述
2. AOSP 的下载和编译
3. Android 的四层架构
4. Android 系统的启动架构 

 

 

1. Android 系统简述

 

• 1.1 简述

Android 是一种基于 Linux 的开源操作系统。主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由 Google 公司和开放手机联盟领导及开发。尚未有统一中文名称，中国大陆地区较多人使用"安卓"或"安致"。Android 操作系统最初由 Andy Rubin 开发，主要支持手机。2005年8月由 Google 收购注资，2007年11月，Google 与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟共同研发改良 Android 系统。随后 Google 以 Apache 开源许可证的授权方式，发布了 Android 的源代码。第一部 Android 智能手机发布于2008年10月，Android 逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电视、游戏机、智能手表等。2011年第一季度，Android 在全球的市场份额首次超过塞班，跃居全球第一。 2013年的第四季度，Android 平台手机的全球市场份额已经达到78.1%。2013年09月24日 Google 开发的操作系统 Android 迎来了5岁生日，全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。

 

• 1.2 版本

Android 在正式发行之前，最开始拥有两个内部测试版本，并且以著名的机器人名称来对其进行命名，它们分别是：阿童木 (AndroidBeta)，发条机器人 (Android 1.0)。后来由于涉及到版权问题，Google 将其命名规则变更为用甜点作为它们系统版本的代号的命名方法。甜点命名法开始于 Android 1.5发布的时候。作为每个版本代表的甜点的尺寸越变越大，然后按照26个字母数序：纸杯蛋糕 (Android 1.5)，甜甜圈 (Android 1.6)，松饼 (Android 2.0/2.1)，冻酸奶 (Android 2.2)，姜饼 (Android 2.3)，蜂巢 (Android 3.0)，冰激凌三明治 (Android 4.0)，果冻豆 (Jelly Bean，Android 4.1和 Android 4.2)，奇巧 (KitKat，Android 4.4)，棒棒糖 (Lollipop，Android 5.0)，棉花糖    (Marshmallow，Android 6.0)，牛轧糖 (Nougat，Android 7.0)，奥利奥 (Oreo，Android 8.0)，派 (Pie, Android 9.0)。

 

• 1.3 Linux 内核版本

Android Version    |API Level  |Linux Kernel in AOSP
----------------------------------------------------
1.5   Cupcake      |3          |2.6.27
1.6   Donut        |4          |2.6.29
2.0/1 Eclair       |5-7        |2.6.29
2.2.x Froyo        |8          |2.6.32
2.3.x Gingerbread  |9, 10      |2.6.35
3.x.x Honeycomb    |11-13      |2.6.36
4.0.x Ice Cream San|14, 15     |3.0.1
4.1.x Jelly Bean   |16         |3.0.31
4.2.x Jelly Bean   |17         |3.4.0
4.3   Jelly Bean   |18         |3.4.39
4.4   Kit Kat      |19, 20     |3.10
5.x   Lollipop     |21, 22     |3.16.1
6.0   Marshmallow  |23         |3.18.10
7.0   Nougat       |24         |4.4.1
7.1   Nougat       |25         |4.4.1 (To be updated)

 

• 1.4 优势

开放性：

在优势方面，Android 平台首先就是其开放性，开发的平台允许任何移动终端厂商加入到 Android 联盟中来。显著的开放性可以使其拥有更多的开发者，随着用户和应用的日益丰富，一个崭新的平台也将很快走向成熟。
开放性对于 Android 的发展而言，有利于积累人气，这里的人气包括消费者和厂商，而对于消费者来讲，最大的受益正是丰富的软件资源。开放的平台也会带来更大竞争，如此一来，消费者将可以用更低的价位购得心仪的手机。

丰富的硬件：

这一点还是与 Android 平台的开放性相关，由于 Android 的开放性，众多的厂商会推出千奇百怪，功能特色各具的多种产品。功能上的差异和特色，却不会影响到数据同步、甚至软件的兼容，如同从诺基亚 Symbian 风格手机一下改用苹果iPhone，同时还可将 Symbian 中优秀的软件带到 iPhone 上使用，联系人等资料更是可以方便地转移。

方便开发

Android 平台提供给第三方开发商一个十分宽泛、自由的环境，不会受到各种条条框框的阻扰，可想而知，会有多少新颖别致的软件会诞生。但也有其两面性，血腥、暴力、情色方面的程序和游戏如何控制正是留给 Android 难题之一。

Google 应用

在互联网的 Google 已经走过10年度历史，从搜索巨人到全面的互联网渗透，Google 服务如地图、邮件、搜索等已经成为连接用户和互联网的重要纽带，而 Android 平台手机将无缝结合这些优秀的 Google 服务。

 

 

2. AOSP 的下载和编译

AOSP "Android Open-Source Project" 的缩写，中文意为 "Android 开放源代码项目"。

关于下载编译 AOSP 不是本章的重点，网上也有很多相关的文章，我给大家推荐一篇：AOSP源码编译

如果只是想看 Framework 的代码，可以从这扒一下：https://github.com/CyanogenMod/android_frameworks_base

 

 

3. Android 的四层架构

从上往下来看：

Application 层 

Home、Contacts、Phone、Browser 等。

Java Framework 层

ActivityManager、WindowManager、ContentProvider、ViewSystem、NotificationManager、PackageManager、TelephonyManager、ResourceManager、LocationManager、XMPPManager 等。

Libraries & Android Runtime 层

Libraries: Surface Manager、MediaFramework (c++ Framework)、SQLite、OpenGL/ES、FreeType、Webkit、SGL、SSL、Libc 等。
Android Runtime: Core Libraries、Dalvik VM / ART VM。

Linux Kernel 层

Display Driver、Camera Driver、Bluetooth Driver、Flash Mem Driver、Binder (IPC) Driver、USB Driver、Keypad Driver、WIFI Driver、Audio Driver、Power Management 等。

 

 

4. Android 系统的启动架构 

从下往上分别是：Loader - Kernel - Native - C++ Framework (Media) - Java Framework - App。

 

• 4.1 Loader 层

Boot ROM: 手机处于关机状态的时候，长按电源键，此时会引导芯片开始执行固化在 ROM (相当于硬盘) 中的预设代码，然后加载引导程序到 RAM (相当于内存)。

Boot Loader: 启动 Android 系统之前的引导程序，主要是检查 RAM 和初始化硬件参数等。

手机中的 ROM 和 RAM 分别对应电脑的硬盘和内存，内存负责程序的运行以及数据交换，有了它，电脑中的软件才能运行，并有了进程；而硬盘就是一块存储空间，它可以存储各种各样的文件，包括视频、照片、音乐、软件等。

 

• 4.2 Kernel 层

Android 的内核层，此时才刚刚开始进入 Android 系统。

启动 Kernel 的 Swapper 进程 (pid = 0): 这个进程又被称为 idle 进程，是 Kernel 从无到有开启的第一个进程。用于初始化进程管理、内存管理、加载各种驱动等工作。

启动 kthreadd 进程 (pid = 2): 这个进程是 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。

 

• 4.3 Native 层

可以看到 Kernel 层与 Native 层中间有个 SysCall:

Native 和 Kernel 之间，有一层系统调用 SysCall 层，是它们之间通信的桥梁，而 Java 层与 Native(C/C++) 层之间的桥梁是 JNI。

Kernel 层是内核空间，Native 层开始是用户空间。这一层主要包括 Init (pid = 1) 进程孵化出来的用户空间的守护进程、HAL 层和开机动画。

• 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。

ServiceManager 这个类的主要方法有 addService()、getService()、listServices()。所以这个类的主要职责是控制用户访问服务， 控制服务是否可以使用这一接口 (通过注册时的检查权限)，管理 Service。ServiceManager 并不负责创建和启动服务实例，一般服务的启动都是在创建服务实例时完成的，而没有额外调用一个方法去启动它。

硬件抽象层 (HAL) 是介于 内核 Kernel 和上层之间抽象出来的一层结构。它是对 Linux 驱动的一个封装，对上层提供统一接口，上层应用不必知道下层硬件具体怎么实现工作的，它屏蔽了底层的实现细节。

传统的 Linux 对硬件的操作基本上在内核空间的 Linux 驱动程序中实现了，那么现在为什么那么多此一举把对硬件的操作分为两部分：HAL 和 Linux 驱动呢？而且 HAL 属于用户空间，Linux 驱动属于内核空间。其实并不多余，理由如下：

• Google 搭好了 HAL 的框架，为上层 Framework 打通过 JNI 调用 HAL 提供了统一的 API，硬件开发商或者移植人员只需要按照框架开发即可，无需话费精力在与上层的交互上的实现上，将精力放在 HAL 层本身的实现上即可。
• 从商业角度，许多硬件厂商不愿意将自己硬件相关一些核心的东西开源出去，假如将对自己硬件的驱动程序全部放入内核空间驱动程序实现，那么必须遵循 GPL 协议，是必需开源的。有了 HAL 层之后，他们可以把一些核心的算法之类的东西的实现放在 HAL 层，而 HAL 层位于用户空间，不属于 Linux 内核，和 Android 源码一样遵循的是 Apache 协议，这个是可以开源或者不开的。

 

• 4.4 Framework 层

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。

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；
• preloadClasses；
• 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。其中 WindowManagerService，ActivityManagerService 等重要的可以 binder 通信的服务都运行在 System Server 进程。像 WindowManagerService，ActivityManagerService 这样重要、繁忙的服务，是运行在单独线程中，而有些没有繁重任务的服务，并没有单独开一个线程。

 

• 4.5 App 层

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。