Android学习笔记（1）—— Android架构剖析

前言：

已经记不清楚是什么时候第一次听说有Android这个系统，唯一清楚的是Android系统是Google开发的基于Linux kernel的智能手机操作系统，直到从去年从淘宝上花了2000多大洋买了一台Galaxy Nexus，到现在用了有半年的时间了，版本也从最初的4.0升级到现在的4.2.2，对这个系统也越来越爱不释手。渐渐地再也不满足于平常的使用，作为多年的嵌农，早就想深入研究Android，一窥其中的奥秘。在此记录下我学习的整个历程，希望能坚持下来。

开篇：

首先在网上google了一下，发现对Android进行源码分析的文章并不少，不过大都着重于细节描述，初学者反而会陷入代码的细节中缺乏对全局的把握。 以我学习的经验初学新知识时先从大局入手，等了解系统框架的构成后再逐步深入，下图是Android系统的架构图：

这幅图是Google的原创图，网上很多的架构图应该都是基于此图。完整的演讲稿和视频来自于2008 GoogleI/O大会（https://sites.google.com/site/io/anatomy--physiology-of-an-android），基础好的同学建议结合演讲稿认真看下整个演讲视频，强烈推荐！

看完此视频基本上对Android架构心中有数了。下面基于这篇演讲稿“Android Anatomy andPhysiology”从底层到上层逐步解剖：

Layer1: Linux Kernel

Linux内核，对应上图中红色部分。这是Android的操作系统层，主要用C语言编写。

1.1 Android基于Linux Kernel，但不是Linux。演讲稿上说当时是基于2.6.24，而从Linux 3.3开始Android对内核代码改动部分已经融入kernel主线。据说最新的Android 5.0是基Linux 3.8。

 Android不是Linux。在我看来Android本质上就是Linux的一个变种，不管是上图绿色部分的Libraries还是黄色部分的Dalvik Virtual Machine，以及蓝色Application Framework的部分Service都直接使用了Linux kernel提供的API。甚至于虚拟机上层的Java库最终也是下层API的面向对象的封装（比如你可以自己编写一个Java类库接口提供到特定硬件的访问）。好像基本上所有的基于Linux的智能手机系统如Meego，Tizen等都不会在命名中提到Linux，可能长期以来在普通用户心中Linux就是界面不友好的代名词，厂商考虑到产品形象不会在产品名称中包含Linux字样。

1.2 没有本地窗口系统。这是肯定的，没有带X Window这种在Linux发行版中广泛使用的GUI系统。

1.3 没有glibc支持。废话，这是Linux kernel。

1.4 没有包含标准Linux中一系列工具集。一般的嵌入式Linux都不会包含，都是裁剪后的能满足需求的最小系统。

1.5 提供了内核增强补丁以支持Android。包括Alarm（时钟），Ashmem（匿名共享内存），Binder（IPC驱动），Power Management（电源管理），Logger（日志记录），Low Memory Killer（替代标准Linux中的OOM Killer，在内存不足时有选择性地杀掉非活跃进程）。补充：从Android 3.0开始在kernel的netfilter模块中又增加了xt_qtaguid支持应用程序流量计数，引入xt_quota2支持流量限制告警。

1.5.1 Binder IPC。为什么不用常规的IPC？这里给出了答案：常规IPC会引入过重的处理开销和安全漏洞，并且通过共享内存实现的IPC性能更高。

1.5.2 PM电源管理。Android的电源管理是基于标准的Linux电源管理模块，并提供的更多的策略和不同类型的wake lock。

Layer2: Native Libraries

本地库，对应架构图中绿色部分。大量使用了开源软件，主要用C/C++编写。

2.1 Bionic Libc库。为什么要使用Bionic Libc库而不是标准的Libc库，这里提到了几个优点：Bionic库是专为CPU和内存受限的嵌入式系统而实现的libc库，其代码短小运行速度很快，而且有很精简的pthread多线程库实现。另外其License不是GPL而是BSD，以此规避了GPL License的感染性。其缺点是：不支持某些POSIX标准功能，并不完全兼容glibc。

2.2 Function Libraries。Android所需要的各种功能库，如Webkit提供浏览器所需的各种基本功能，Media Framework提供音频视频的各种编解码，SQLite提供轻量级的关系型数据库。

2.3 Native Servers。本地服务器。如Surface Manager负责图像显示管理，Audio Manager负责音频管理。

2.4 Hardware Abstraction Libraries。这一层就是所谓的硬件抽象层，是用C/C++编写的动态库文件。这一层相当于是用户态程序和底层驱动交互的一个中间层，本质上还是在用户空间。其目的主要是为了规避GPL License，保护硬件设备商的知识产权。

Layer3: Android Runtime

Android运行时库，对应架构图中黄色部分。主要用C/C++编写。

3.1 Dalvik Virtual Machine。Java世界的基础Dalvik虚拟机，Java代码所编写的.class/.jar文件最终都在编译时转换为.dex文件格式。专为嵌入式环境设计的设计，支持每个应用进程一个虚拟机实例，高度优化的字节码解释器，能更高效地使用运行时内存。在我看来，实际上每个Java应用在启动后都会动态链接到libdvm.so这个动态库文件，然后由这个动态库文件对.dex文件进行解释执行Java字节码。

3.2 Core Libraries。Java的基本核心库，提供Java常用的一些基本类，如标准I/O，文件访问，网络访问，图形界面等。

Layer4: Application Framework

应用层框架，对应架构图从上到下的第二层蓝色部分。

这一层为最上层的Java应用提供一些公共的服务和框架，主要用Java和C/C++混合编码。

其中公共服务主要分成两大类：核心平台服务和硬件服务。

4.1 核心平台服务包括Activity Manager（Java应用程序激活管理），Package Manager（Java应用程序安装卸载管理），Window Manager（图形界面窗口管理），Resource Manager（资源管理），Content Provider（数据共享服务），View System（也和图形界面管理有关）。

4.2 硬件服务包括Telephony Service（电话相关服务，如拨号，短信，彩信，GPRS等），Location Service（GPS定位服务），Bluetooth Service（蓝牙服务），WiFi Service（WiFi服务），USB Service（USB服务），Sensor Service（传感器服务，如重力感应，温度计等）。更多介绍请参考Google I/O的另一次演讲“Inside the Android Application Framework”。

前面部分是从软件系统架构上剖析Android的静态组成，下面是从运行时入手，剖析Android的系统的启动过程和各层间的交互。

Part1: Start-up Walkthrough

1.1  和常见的嵌入式Linux一样Kernel启动完成后会调用/sbin/init作为第一个启动的进程（进程pid为1）。此后init进程会解析/etc/init.rc文件启动一些daemon服务如usbd，adbd，debuggerd，rild。

service servicemanager /system/bin/servicemanager     user system     critical     onrestart restart zygote     onrestart restart media service vold /system/bin/vold     socket vold stream 0660 rootmount     ioprio be 2 service netd /system/bin/netd     socket netd stream 0660 rootsystem service debuggerd /system/bin/debuggerd service ril-daemon /system/bin/rild     socket rild stream 660 rootradio     socket rild-debug stream 660radio system     user root     group radio cache inet miscaudio sdcard_rw service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server     socket zygote stream 666     onrestart write/sys/android_power/request_state wake     onrestart write /sys/power/stateon     onrestart restart media     onrestart restart netd

1.2  启动Service Manager这个服务管理进程，此进程会打开Binder驱动，负责Service的注册和查找。

注意：在这篇演讲稿中Zygote的启动在Service Manager之前，但根据我对Android 2.3源码中init.rc的分析，Service Manager的启动是在Zygote之前，甚至于1.1提到的一些daemon如debuggerd，rild都在ServiceManager之后。这篇演讲稿应该是基于比较老的Android版本，以下分析都是以Android 2.3源码为准。

1.3  启动Zygote进程，这个进程主要做哪些事情呢：

-       初始化Java虚拟机环境

-       预加载公共的Java类并在一个unix socket上监听

-       若收到请求则为指定的Java应用程序fork出一个新的虚拟机实例

-       通过fork调用加快了虚拟机实例的创建速度，并利用copy-on-write最大化利用有限的内存资源

这意味着所有的Java应用程序都是通过Zygote这个受精卵快速创建出新的Java应用，并且fork出来后Java的runtime环境以及公共的Java类已经初始化完毕了。不得不说在这里fork被应用得相当的精妙。

1.4  Runtime进程发送请求到Zygote启动System Service。（原文：Runtime process sends request for Zygote to start System Server）注意：在Android 2.3中System Server并不是这样启动的，并不是Runtime进程通过socket发送请求到Zygote要求fork出System Server，而是Zygote进程在启动后主动通过fork调用分裂出System Server。

 

1.5  启动到了System Server，现在看看System Server做了哪些事。

首先启动两个Native Service：Surface Flinger和Audio Flinger。在Android 2.3中实际上先启动的是Surface Flinger和Sensor Service。这两个Service都要通过Binder向Service Manager注册（下图中虚线部分表示注册Service）。

然后，System Server继续启动其他各种各样的Service，并且这些Service都要向Service Manager注册。

1.6  至此，系统环境准备完毕。下图中的RUNTIME代表Service Manager。

1.7  当系统准备完毕后，最终会启动HOME程序，这就是大家看到的手机桌面。可以看出，HOME也是一个独立的Linux进程，有自己的Dalvik虚拟机实例。

 

Part2: Layer Interaction

层间交互方式主要有三种：

·        App -> Runtime Service -> lib

·        App -> Runtime Service -> Native Service-> lib

·        App -> Runtime Service -> Native Daemon ->lib

看起来很抽象吧，下面逐个分解:

2.1 第一种交互方式：App ->Runtime Service -> lib

在这里Runtime Service是一个独立的服务进程，这个服务进程会通过JNI直接调用Native Library中提供的服务接口函数并动态加载HAL Library（硬件抽象层的动态库）。这个硬件抽象层的动态库可能是厂商提供的闭源的.so文件，也可能需要调用底层的Kernel Driver完成其功能。由于Runtime Service是独立的进程，Application想要后这个进程交互就要用Binder IPC完成进程间通讯。

上图以位置定位服务作为例子：如果某个Java应用需要使用定位服务器，比如说xx地图需要知道当前的地理位置（经纬度），首先需要通过Binder IPC向Service Manager查询定位服务获取定位服务的Handle，然后再通过Binder IPC发送请求到Location Manager Service，这个Service会通知GpsLocationProvider并通过JNI调用GpsLocationProvider库，这个库会动态加载HAL层的libgps.so，并调用相关的函数接口去获取经纬度，当然这个函数接口可能还需要调用kernel driver中函数最终控制GPS硬件去获取位置信息。

2.2 第二种交互方式：App ->Runtime Service -> Native Service -> lib

在这种交互方式中，Runtime Service应该是一个Java类库而不是一个独立的进程。当然这个类库封装了一些JNI接口，这些接口(Native Service Binding)实际上通过Binder驱动获取Native Service的Handle，并通过Binder IPC与Native Service进行通信。Native Service是用C/C++写的服务进程，其最终会调用HAL Library甚至Kernel Driver来完成Application的请求。

MediaPlayer的交互方式就是这样的，具体可以查看原文档。

2.3 第三种交互方式：App ->Runtime Service -> Native Daemon -> lib

这种交互方式和第二种交互方式非常相似，区别是第二种方式中服务进程是Native Service，而这种方式的服务进程是Daemon；第二种方式是通过Binder IPC和服务进程通信，而现在是用socket。

后面用Telephony Manager为例描述了这种带socket的交互方式，具体请查看原文档。

小结：层间交互涉及到几个部分：

1.     Applications和 Application Framework的交互。

        1.1   在同一个Dalvik虚拟机进程中，Application可以直接调用Framework提供的公共类库。

        1.2   在不同的Dalvik虚拟机进程中，Application通过Binder IPC调用Framework提供的类库。

2.     Application Framework和Libraries的交互。

本质上就是Dalvik虚拟机和其他Native Library的交互，这里Dalvik虚拟机提供了JNI接口（Java Native Interface）实现这两层的双向通信。

3.     Libraries和Linux Kernel的交互。

涉及到Linux系统知识，用户空间和内核空间之间的通信。

 结语：

 在研究这篇Google I/O文档的过程中，结合了 Android2.3的源码进行阅读，并根据自己的理解写下了这篇学习笔记。由于笔者并没从事Android相关的开发工作，认识上难免狭隘，如有错误之处，欢迎指正。