Android系统架构

1 Android 系统架构

Android 是谷歌开发的一款基于 Linux 内核的操作系统。系统架构分为五层，从下到上依次是Linux内核层、硬件抽象层、系统运行库层、应用框架层和应用层。

1.1 Linux 内核层（Linux Kernel）

Android 系统的核心系统服务基于 Linux 内核的，程序的安全性、网络协议、内存管理、进程管理、驱动程序都由 Linux 内核所提供。另外，Android Runtime（ART）就是依靠 Linux 内核来执行底层功能的，其中包括线程和低层内存管理。

Linux 内核层包括以下组件：

• 音频驱动（Audio Driver）：基于 ALSA（Advanced Linux sound architecture）的高级 Linux 声音体系驱动；
• 蓝牙驱动（Bluetooth Driver）：基于 IEEE802151 标准的无限传输技术；
• Binder（IPC）Driver：Android 的一个特殊的驱动程序，具有单独的设备节点，提供进程间通信的功能；
• 照相机驱动（Camera Dirver）：常用的基于 Linux 的 V412（Video for Linux）驱动；
• 显示驱动（Display Driver）：基于 Linux 的帧缓冲（Frame Buffer）驱动；
• Flash 内存驱动（Flash Memory Driver）：基于MTD 的 Flash 驱动程序区；
• 键盘驱动程序（KeyBoard Driver）：为输入设备提供支持；
• 电源管理（Power management）：对电池电量的监控；
• USB 驱动（USB Driver）：提供 USB 设备的连接支持；
• WIFI 驱动（WIFI Driver）：基于 IEEE802.|1 标准的驱动程序，可以链接无线网络；

1.2 硬件抽象层（HAL）

HAL（Hardware Abstract Layer）硬件抽象层，是 Google 开发的 Android 系统上层应用对底层硬件操作屏蔽的一个层次结构，简单来说就是，上层应用不需要关心底层硬件是如何工作的，只需要调用底层提供的统一接口即可。

其实，Android 系统完全可以没有 HAL 层，访问硬件可以通过调用 Linux 内核的标准函数来实现，但是，如何访问 Linux 内核就涉及到了技术专利和商业机密，厂商不想公开源代码，只愿提供二进制代码。而 Linux 内核采用了 GPL 协议，任何人都可以获取或者修改其源代码，因此 Google 在 Android 系统架构中增加了一个 HAL 层，不想公开的代码可以放在这个位置。

另外，HAL 提供标准界面，向更高级别的 Java API 框架显示设备硬件功能。 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个界面，例如，相机或蓝牙模块。当框架 API 要求访问设备硬件时，Android 系统将为该硬件组件加载库模块。

Hardware /ˈhɑːrdwer/（ 计算机）硬件；五金制品；装备，设备

abstract /ˈæbstrækt/ 抽象的，纯概念的；

layer /ˈleɪər/ 层；层次，等级；

GPL：GNU（操作系统）通用公共许可证，GPL 授权有以下特点：任何软件挂上 GPL 授权之后，即为自由软件，任何人可以获取、修改其源代码，经过修改后的源代码也要公开。

严格来说，Linux 只是一个操作系统内核，大部分 Linux 发行版都是由操作系统内核加上 GNU 的软件或者工具形成的完整的操作系统，也就是 GNU/Linux。GNU/Linux 是一种 Unix Like 操作系统。

1.3 Android Runtime

运行时库又分为核心库和ART（Android5.0 系统之后，Dalvik虚拟机被ART取代）。 核心库提供了Java语言核心库的大多数功能，包括 Java 8 语言功能，这样开发者可以使用Java语言来编写Android应用。

与JVM相比，Dalvik虚拟机（DVM）是专门为移动设备定制的，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik应用作为一个独立的Linux进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。而替代DVM的ART的机制与DVM不同，DVM中的应用每次运行时，字节码都需要通过即时编译器（Just In Time，JIT）转换为机器码，这会使得应用的运行效率降低。而在ART中，系统在安装应用时会进行一次预编译（Ahead Of Time，AOT），将字节码预先编译程机器码并存储在本地，这样应用每次运行时就不需要执行编译了，运行效率也大大提高。

ART 执行的是 DEX文件。DEX 文件是专门为 Android 设计的字节码文件格式，使用的内存很少。

ART 主要的功能包括：

• 预先（AOT Ahead-of-time compiler）和即时（JIT Just-In-Time compiler）编译；
• 优化的垃圾回收（GC）；
• 在 Android 9（API 级别 28）以及更高的系统版本中，支持将应用软件包中的 Dalvik Executable格式（DEX）文件转换为更紧凑的机器代码；
• 更好的调试支持，包括专用采样分析器、详细的诊断异常和崩溃报告，并且能够设置观察点以监控特定字段；

compiler /kəmˈpaɪlər/ 编译器；[计] 编译程序；编辑者，汇编者

如果一个应用可以在 ART 中运行的效果很好，那么，它在 Dalvik 上运行的也很好，但反过来不一定。

1.4 原生 C/C++ 库

许多核心的 Android 系统组件和服务（例如 ART 和 HAL）构建自原生代码，需要用 C/C++ 编写的原生库。 Android 平台提供 Java 框架 API 向应用显示部分原生库的功能。例如，我们可以通过 Andorid 框架的 Java OpenGL API 访问 OpenGL ES，以支持在应用中绘制和操作 2D 和 3D 图形。

如果开发的是需要 C/C++ 代码的应用，可以使用 Andorid NDK 直接从原生代码访问某些原生平台库。

以下是主要的C/C++程序库：

• OpenGL ES：3D绘图函数库
• Libc： 从BSD继承来的标准C系统函数库，专门为基于嵌入式Linux的设备定制
• Media Framework： 多媒体库，支持多种常用的音频、视频格式录制和回放
• SQLite： 轻型的关系行数据库引擎
• SGL： 底层的2D图形渲染引擎
• SSL： 安全套阶层，是一种为网络通信提供安全以及数据完整的安全协议
• FreeType： 可移植的字体引擎，它提供统一的接口来访问多种字体格式文件

1.5 应用框架层（Java API Framework）

应用框架层是为开发人员提供了开发应用程序所需要的 API， 我们平时开发应用程序都是调用着一层所提供的 API ，当然也包括系统应用。这一层是由Java代码编写的，可以称为Java Framework。

这些 API 是创建 Android 应用所需的构建块，它们可以简化核心、模块化系统组件和服务的重复使用，包括以下组件和服务：

• 丰富、可扩展的视图系统，可用于构建应用的 UI，包括列表、网格、文本框、按钮甚至可嵌入网络浏览器；
• 资源管理器，用于访问非代码资源，例如本地化的字符串、图形和布局文件；
• 通知管理器：可让所有应用在状态栏中显示自定义提醒；
• Activity 管理器：用于管理应用的生命周期，提供常见的导航返回栈；
• 内容提供程序：可让应用访问其他应用（如，“联系人”应用）中的数据或者共享自己的数据；

以下是具体的系统功能：

• Package Manager（包管理器）： 管理所有安装在Android系统中的应用程序
• Activity Manager（活动管理器）： 管理各个应用程序生命周期，以及常用的导航回退功能
• View System（视图系统）： 构建应用程序的基本组件
• Window Manager（窗口管理器）： 管理所有开启的窗口程序
• Resource Manager（资源管理器）： 提供应用程序使用的各种非代码资源，如本地化字符串、图片、布局文件、颜色文件等
• Content Provider（内容提供器）： 使得不同应用程序之间可以共享数据
• Location Manager（位置管理器）： 提供地理位置及定位功能服务
• Notification Manager（资源管理器）： 使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息
• Telephony Manager（电话管理器）： 管理所有移动设备功能

1.6 应用层（System Apps）

Android 随附一套用于电子邮件、短信、日历、互联网浏览和联系人等核心应用。平台随附的应用与用户选择安装的应用一样，没有特殊的状态。因此，第三方应用可成为用户的默认网络浏览器、短信 Messenger 甚至默认键盘（也有一些例外，例如系统的“设置”应用）。

系统内置的应用程序以及非系统级别的应用程序都属于应用层，负责与用户进行直接交互，通常都是用Java进行开发的。

系统应用可作为用户的应用，开发者也可以在自己的应用中访问其中的功能。例如，如果我们的应用要发送短信，我们无需构建该功能，直接就可以调用已经安装饿短信应用向制定的接收者发送消息。

2 计算机硬件系统和软件系统

一个计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成：

ROM（Read-Only Memory）：只读存储器，以非破坏性读出方式工作，只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM 所存的数据通常是装入整机前写入的， 整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM 所存的数据稳定，断电后所存的数据也不回改变，并且结构较简单，使用方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。

RAM（Random Access Memory）：随机存取存储器，也叫主存，是与 CPU 直接交换数据的内部存储器。它可以随时写入（刷新时除外），而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM 工作时可以随时从任何一个指定的地址写入（存入）或读出（读取）信息。它与 ROM 的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。RAM 在计算机和数字系统中用来暂时存储程序、数据和中间结果。