framework | Android系统架构

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framework | Android系统架构

前言

在学习Android系统之前,我们必须要大体上对Android系统架构有个明确的认识,理解其中每一块的职责。

正文

这里我们从Android系统分层和源码目录这俩个方面来分析。

Android系统架构

关于Android系统架构,有如下一张非常经典的图可以表示:

image.png

这是一张静态图,只能描述Android系统架构的分层,一共5层,从上到下依次是应用层、应用框架层、系统运行库层、硬件抽象层和Linux内核层

我们先简单介绍一下这几层的作用,然后再从进程角度从新来看。

应用层(System Apps)

系统内置的应用程序以及非系统级的应用程序都属于应用层,负责与用户进行交互,一般使用Java或者Kotlin开发,也就是我们所说的应用层开发。

应用框架层(Java API Framework)

这一层为应用层开发提供所需要的Java API,也就是我们常说的Android系统的Java源码,这一层由Java代码编写,所以叫做Java Framework。

从图中可以看出,这里主要有View System(视图系统,即基本组件)、内容提供器,和各种管理器,部分功能大致描述如下:

名称功能描述
Activity Manager管理应用的生命周期,以及常用的导航回退功能
Location Manager提供地理位置和定位服务
Package Manager管理应用程序的安装
Notification Manager管理状态栏的通知
Resource Manager提供应用程序使用的各种非代码资源,比如本地字符串、图片、布局文件、颜色文件等
Window Manager管理应用程序的窗口

系统运行库层(Native)

从图中可以看出这里分为了俩个部分,分别是C/C++程序库和Android运行时库。

C/C++库

这些C/C++库程序可以被应用框架层所使用,至于为什么Android系统要使用C/C++库,而不都用Java库,原因主要是C/C++代码执行效率更高,而且很多功能有成熟的C++代码,不用重新写,主要C/C++程序库:

名称功能描述
OpenGL ES3D绘图函数库
Libc标准C系统函数库,专门为嵌入式Linux的设备定制
Media Framework多媒体库
WebkitWebView使用
OpenMAX AL一个多媒体应用程序的标准框架
SQLite轻量级的关系型数据库引擎

Android运行时库

这个部分非常容易被忽略,这里又分为了核心库和ART。其中核心库提供了Java语言核心库的大多数功能,这样开发者可以使用Java语言来编写Android应用

ART则是专门为移动设备定制的Java虚拟机,在之前还有被淘汰的Dalvik虚拟机,关于虚拟机的知识我们后面细说。这里要明白一点就是ART和JVM还是有很大的区别,它是由C++编写,用来运行Java程序,所以非常关键。而且Android系统还允许同时允许多个ART实例,这也就是我们常说的:在Android系统中,每个进程都有一个虚拟机,一个APP发生崩溃不会影响其他APP。

硬件抽象层(HAL)

硬件抽象层位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层,目的就是将硬件抽象化,这样各种硬件就可以根据接口进行开发和适配。

Linux内核层(Linux Kernel)

Android的核心服务是基于Linux内核,同时在该基础上添加了Android专用的驱动,比如Binder。由于Linux系统的优秀性,基于Linux在安全性、内存管理、进程管理等都有了很大优势。

Android系统架构(进程角度)

前面所说的Android系统架构固然经典,但是却无法直观地看出系统的运行,因为代码是死的,而系统是活的。所以这里使用gityuan博客一张非常经典的图来让系统动起来:

image.png

这张图从进程的角度重新来审视Android系统架构,从上电开机到显示出APP页面的整个过程中涉及了哪些服务,创建了哪些进程,这样可以更让我们容易理解Android系统,下面简单说说每个流程。

Loader层

首先就是Boot ROM,当手机处于关机状态时,长按电源键开机,引导芯片从固化在ROM里的预设代码开始执行,然后机制引导程序到RAM中

而Boot Loader就是引导程序,主要是检查RAM,初始化硬件参数等功能

Linux内核层

前面我们知道Android系统是基于Linux内核,而这时会启动Linux内核的俩个主要进程:

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

Native层

上面所说的都是Linux内核进程,而到Native层会创建init进程(pid=1),该进程是用户进程,也是所有用户进程的鼻祖

init进程的主要作用:

  • init进程会孵化出ueventd、logd、installd、adbd等用户守护进程(系统必需的一些服务)。
  • init进程还会启动servicemanager(binder服务管家)、bootanim开机动画等重要服务。
  • init进程还会孵化出用来管理C++ Framework库的Media Server进程
  • init进程会孵化出Zygote进程,Zygote进程是Android系统第一个Java进程(虚拟机进程),所以Zygote是所有Java进程的父进程

而这里Native层和Linux内核层的通信是利用系统调用,关于系统调用简单来说就是Linux内核为了防止用户态的程序随意调用内核代码导致内核挂掉,所有想使用内核的服务都必须通过系统调用。

这里有一些同学之前认为C++层的代码就是内核层,其实不是的,真正内核层的只有Linux内核层,Native层是用户态的C/C++实现部分。

Java Framework层

Zygote进程是由init进程通过解析init.rc后fork而来,由Zygote进程开启Java世界,主要包括:

  • 加载ZygoteInit类,注册Zygote Socket服务端套接字,这个是为了响应后面fork新进程的需求。
  • 加载虚拟机,即创建ART虚拟机
  • 预加载类preloadClass。
  • 预加载资源preloadResources。

然后Zygote进程还会孵化出System Server进程,该进程同时也是Zygote孵化的第一个进程,该进程非常熟悉了,它管理着Java framework,包括AMS、WMS等各种服务。

这里有个非常重要的点,就说JNI技术,通过JNI技术打通了Java世界和C/C++世界

应用层

Zygote进程会孵化出第一个APP进程就是Launcher了,即桌面APP,每个APP至少运行在一个进程上,而这些进程都是由Zygote进程孵化而来。

经过上面的流程梳理,我们更可以发现Android系统设计的巧妙,每一层都有对应的作用,都由相应的进程来管理,我们可以通过Linux的ps命令来简单查看当前系统的所有进程。

Android系统源码目录

不想下载源码的,可以直接在该在线网址查看:aospxref.com/android-12.…

这里我们来看看Android系统源码的目录结构,有一个大致了解,在后面对找源码有帮助。整个目录如下,我这是android 12的源码:

Android源码跟目录描述
artART运行环境
bionicC库
bootable启动引导相关代码
build存放编译规则以及基础开发包配置
cts兼容性测试套件
dalvikDalvik虚拟机
developers开发者目录
development与应用程序开发相关
device设备相关配置
external开源模组相关文件
frameworks应用程序框架,Android系统核心部分,由Java和C++编写
hardware硬件抽象层代码
kernelLinux内核代码和配置
libcore核心库
libnativehelper动态库,实现JNI库的基础
packages应用程序包
pdk本地开发套件
platform_testing平台测试
prebuiltsX86和ARM架构下预编译的一些资源
sdkSDK和模拟器
system底层文件系统库
toolchain工具链文件

对上面几个常用的目录,再做一下说明:

packages目录描述
apps系统应用程序目录
inputmethods输入法目录
modules一些模块组件程序
providers内容提供者目录
screensavers屏幕保护程序
services通信服务程序
wallpapers壁纸程序

然后就是应用框架部分,着部分是我们开发所涉及的核心部分,一方面给应用层开发提供API,另一方面与native库进行衔接,而主要目录就是在frameworks下的base和av目录:

frameworks/base目录描述
core核心库
include头文件
libs
media多媒体相关
opengl图形相关API
cmdsam等命令
data字体和声音数据文件
native本地库

上面只是列出了一部分,还有很多知识,我们在使用到时再具体分析。

总结

本篇作为Android系统架构的概述,必须要清晰地理解Android系统的分层,以及每一层的作用。其次就是Android系统中涉及的重要进程,比如init、Zygote进程等,理解这些进程的运行,可以更好地从动态角度理解Android系统,在后面文章中,会对这些进程都仔细分析。

笔者水平有限,文章有错欢迎指正。最后记录一下Flag。# 一个Android开发的学习Flag记录贴

分类:
Android
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