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Android 系统

Android 是一个基于 Linux 核心与其他开源软件的开放原始码的移动操作系统，由 Google 成立的开放手持设备联盟持续领导与开发。由于主流的应用开发基于 Java，门槛较低，社区开放且活跃，拥有超过 超高的市场占有率，目前主要应用于智能手机、平板、手表以及 VR 设备等

系统架构​

Andorid 系统架构从上到下分别有应用层、应用框架层、系统运行时库层、硬件抽象层、Linux 内核层

Android Architecture

其每层的大致职能如下:

  • 应用层：包括系统应用比如闹钟、日历等这些在内的以及非系统级别的应用都属于应用层, 负责用户交互
  • 应用框架层：提供应用程序的 API，比如一些 ActivityManager 管理应用生命周期、locationManager 地理位置服务、还有就是 NotificationManager 消息通知管理等等
  • 系统运行库层：主要分为两部分，分别是 Native 和 Android Runtime
    • Native 库(C/C++)：主要是能被 Andorid 系统不同组件所使用，并通过应用程序框架为开发者提供服务， 通常相较于 Java 实现会有着更好的性能表现。它主要功能有 openggl 绘图方法库，多媒体库支持常用的音频 视频格式录制回访 ，还有我们常用会用到的一个轻量级的数据库 sqlLite 等还有 ssl 网络协议等等
    • Android 运行时：它主要又分为核心库和虚拟机 ART，核心库主要包含 Java 核心库的大部分功能。
JVM, dalvik 和 ART

Android 5.0 系统之前使用的是DVM(Dalvik 虚拟机)，相对于 JVM 来说，DVM 可以在有限的内存中同时运行多个虚拟机实例，是专门为弱性能的移动设备而生的：

  • 每一个 Dalvik 虚拟机就是一个独立的 Linux 进程，拥有自己的进程空间, 这样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
  • DVM 拥有共享机制， 即不同应用运行时可以共享相同的类，拥有更高的效率
  • 相较于 JVM，DVM 基于寄存器架构，提高对访存问速度；整合.class 文件，减少 I/O 操作

ART(Android Runtime)是 Android 4.4 发布来替换DVM的, 在 Android 5.0 时默认采用 ART，至此 DVM 正式退出历史舞台。

DVM 中的应用每次运行时，字节码都需要通过即时编译器(JIT, just in time)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(AOT, ahead of time) ,将字节码预先编译成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，运行效率也大大提升。

更为详细的对比可以参考Android 内存管理(JVM 、DVM(dalvik) 、ART 简单介绍)

  • 硬件抽象层：它是位于操作系统内核和硬件电路之间的接口层，主要目的在于将硬件抽象化，隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可在多平台上进行移植
HAL 层

如下是Android官方关于HAL的描述:

HAL 是一个抽象层，具有供硬件供应商实现的标准接口。 HAL 允许 Android 不了解较低级别的驱动程序实现。使用 HAL 可以让您在不影响或修改更高级别系统的情况下实现功能。

HAL简单来说就是对Linux内核驱动程序的封装，向上提供接口，屏蔽低层的实现细节；具体实现上是把对硬件的支持分成了两层，硬件抽象层运行在用户空间，而Linux内核驱动程序运行在内核空间，从商业的角度来看这么做为了保护硬件厂家的利益。因为Linux内核源代码版权遵循GPLv2 License，而Android源代码版权遵循Apache License version 2.0，前者在发布产品时，必须公布源代码，而后者无须发布源代码。如果把对硬件支持的所有代码都放在Linux驱动层，那就意味着发布时要公开驱动程序的源代码，而公开源代码就意味着把硬件的相关参数和实现都公开了，在手机市场竞争激烈的今天，这对厂家来说无疑损害是非常大的。

因此，Android才会想到把对硬件的支持分成硬件抽象层和内核驱动层，内核驱动层只提供简单的访问硬件逻辑，例如读写硬件寄存器的通道，至于从硬件中读到了什么值或者写了什么值到硬件中的逻辑，都放在硬件抽象层中去了，这样就可以把商业秘密隐藏起来了。也正是由于这个分层的原因，Android被踢出了Linux内核主线代码树中, 因为Android放在内核空间的驱动程序对硬件的支持是不完整的，把其Linux内核移植到别的机器上去时，由于缺乏HAL层的支持，硬件就完全不能用了。这也是为什么说Android是开放系统而不是开源系统的原因。

  • Linux 内核层：Android 的核心系统服务(安全管理、内存管理、进程管理、网络协议等)基于 Linux 内核，在此基础上添加了部分 Android 专用的驱动

启动流程​

以下图为例，我们自下而上的分层了解 Android 的启动流程

Android Boot Process

Loader 层​

当按下电源按钮后，引导芯片会从固化在 ROM 中的预设代码开始执行，然后加载引导程序也就是BootLoader到 RAM 中。所以第一步开启电源后，做的操作就是运行预设代码，加载引导程序到 RAM 进行短时间存储

引导程序Bootloader被加载后，就开始拉起 Linux 内核并运行。这个过程会检查 RAM，初始化一些硬件参数等功能

Kernel 层​

在这一层 Linux 内核被启动了，设置缓存、被保护存储器、计划列表，加载设备驱动；此时内核中主要启动了两个进程:

  • swapper(pid=0)，又称为 idle 进程, 是系统初始化过程中 kernel 的第一个进程,也是init进程和kthreadd进程的父进程，用于初始化内核数据结构、进程管理、内存管理，加载 Binder Driver、Display、Camera Driver, 连接 HAL 层

HAL 层: 在系统启动过程中，主要就是根据内核的 API 去给硬件加载模块，启动相应的硬件设备

  • kthreadd(pid=2)，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 (你或许在这里见过它)

当内核完成系统设置，和其他的 Linux 内核一样, 它会在系统文件中寻找init.rc文件，并启动 init 进程

Native 层​

这一层主要分为两部分：

  • C/C++程序库，主要包括 OpenGL ES、Media Framework、SQLite 等等。
  • Android 运行时库，其中包括核心库和虚拟机。核心库就是提供 Java 语言的一些核心库功能。虚拟机开始是 Dalvik，后面 5.0 被替换为 ART。

入口在system/core/init/init.cpp文件中，具体代码就不细说了，init进程中主要做了这些事：

  • 孵化出用户守护进程。守护进程就是运行在后台的特殊进程，它不存在控制终端，会周期性处理一些任务。比如logd进程，就是用来进行日志的读写操作
  • 启动了一些重要服务, 比如开机动画
  • 创建AndroidRuntime并调用其 start 方法启动 Zygote (孵化器)进程, 而 Zygote 需要从 Native 层向 Framework 层过渡
    • 创建 Java 虚拟机并为 Java 虚拟机注册 JNI 方法
    • 通过 JNI 调用 ZygoteInit 的 main 函数进入 Zygote 的 Java Framework 层
  • 启动Media Server进程，用来启动和管理整个 C++ framework，比如相机服务（Camera Service）
  • 启动ServiceManager，它是 Binder 服务管理器，管理所有 Android 系统服务
JNI

JNI（Java Native Interface）是 Java SDK 1.1 时正式推出的，目的是为不同 JVM 实现间提供一个标准双向接口，从而使 Java 应用可以使用本地二进制共享库，扩充了原有 JVM 的能力，同时 Java 程序仍然无需再次编译就可以运行在其他平台上，即保持了平台独立性又能使用平台相关的本地共享库提升性能。在 Java 开发中的位置如下图所示。JNI 作为连接平台独立的 Java 层(以下简称 Java 层)与与平台相关的本地环境(以下简称 Native 层)之间的桥梁。Android 内部就大量的使用了 JNI 技术，尤其是在 Libraries 层和 Framework 层。

JNI

在有些情况下我们需要引入 JNI

  • 我们在编程中需要用到某个功能，这个功能之前已经用 C/C++等本地语言进行编写了，这时候为了避免重复造轮子，所以使用 JNI 在 Java 层调用这些已经封装好的方法
  • 有些功能需要非常严格的时效性，或者某些方法需要和特定的硬件进行交互，比如某些缓存的操作等。这种情况下就需要使用到 JNI 了
  • 为了应用的安全性，会将一些复杂的逻辑和算法通过本地代码来实现，然后封装成 so 动态库文件，并提供 Java 接口供应用层调用，从而防止被反编译

Java Framework 层​

Framework 层主要提供应用程序所需要的 API。在这一层里，Zygote进程需要:

  • 创建服务端 Socket，为后续创建进程通信做准备; 同时预加载类和资源
  • 加载虚拟机。以 Dalvik 为例，Zygote 是一个 DVM 进程，同时也用来创建和初始化其他 DVM 进程。每当系统需要一个应用程序进程的时候，Zygote 就会 fork 自身，快速地创建和初始化一个 DVM 实例，用于程序运行。对于一些只读的系统库，所有的 DVM 实例都会和 Zygote 共享一块内存区域，节省内存开销。
  • fork 了第一个进程——SystemServer，负责启动和管理系统服务ActivityManagerService，PackageManagerService，WindowManagerService、Binder线程池等
    • ActivityManagerService: 负责四大组件的启动，切换，调度工作
    • PackageManagerService: 负责 APK 的安装，解析，卸载工作
    • WindowManagerService: 负责窗口启动，添加，删除等工作
    • Binder线程池: 位于服务端，它的主要作用就是将每个业务模块的 Binder 请求统一转发到远程 Servie 中去执行，从而避免了重复创建 Service 的过程。也就是服务端只有一个，但是可以处理多个不同客户端的 Binder 请求
  • fork 了第一个应用进程——Launcher来使得用户可以启动应用程序，以及后续的一些系统应用进程

此时Zygote作为孵化器进程，它的 main 函数会创建好自己的环境准备孵化子进程，并开始等待 AMS 请求创建新的应用程序进程。

APP 层​

当系统里面的zygote进程运行之后，后续启动新应用，就相当于开启一个新的进程；而 Android 为了实现资源共用和更快的启动速度，子进程都是通过zygote进程 fork 出来的。所以说，除了init进程 fork 出来的第一个进程zygote，其他应用进程都是zygote的子进程