Android剖析和运行机制

翻译之《Android Anatomy and Physiology》，下载地址：http://download.csdn.net/detail/wuxiaoer717/6839427

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大纲：

1. Android剖析

• Linux内核
• 本地库（Native Libraries）
• Android运行时（Android Runtime）
• 应用框架

2. Android运行机制

• 启动流程
• 层间交互（Layer Interaction）

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一、 Android剖析

如下图所示为Android的架构图

1. Linux内核

• Android系统基于Linux内核，但是Android不是Linux。
• 没有本地的窗口系统。
• 没有glibc库的支持。
• 不包括完整的标准Linux工具集。
• 标准的Linux 2.6.24内核。
• 内核增强补丁来支持Android。

 

1） 为什么选择Linux内核？

• 强大的内核和进程管理。
• 基于权限的安全模型。
• 可靠的驱动模型。
• 支持共享库。
• 已经是开源的。

 

2）内核增强

• Alarm
• Ashmem
• Binder
• Power Management
• Low Memory Killer
• Kernel Debugger
• Logger

Binder介绍

问题：

应用和服务会运行在各自的进程当中，而进程之间必须要通信和共享数据。而IPC（进程间通信）会引入巨大的处理开销和安全漏洞。

 

解决方法：

• 使用驱动来协助进程间通信（IPC）。
• 通过共享内存来获得高性能。
• 对于处理请求，每个进程一个线程池。
• 引用计数，对象的引用是跨进程映射的。
• 进程之间是同步调用。

 

Binder的实现机制如下图所示：

Android的接口定义语言（AIDL）见：http://developer.android.com/guide/components/aidl.html

 

PM介绍

问题：

移动设备是依赖电池供电来运行的，电池只有有限的容量。

 

解决方法：

• 基于Linux的功率管理（PM）构建
• 更加强大的功率管理策略
• 通过“wake locks”来进行功率管理
• 支持不同类型的wake locks

Android中的PM实现：

如下图中所示

 

Android内核源码可以通过如下http://git.android.com获取

 

2 本地库

本地库包括：

• Bionic Libc
• Function Libraries
• Native Servers
• Hardware Abstraction Libraries

 

什么是Bionic？

定制的libc实现，优化用于嵌入式。

 

为什么选用Bionic？

为什么要构建一个定制的libc库呢？主要从如下方面考虑：

• 许可证：从用户角度，保持GPL许可。
• 大小：由于将加载到各个进程，所以需要比较小。
• 速率：有限的CPU能力意味着我们需要足够的快。

对于Bionic libc：

• BSD许可
• 小而快的代码路径
• 非常快和小的定制的pthread实现
• 内置支持重要的特定Androud服务，像1）系统属性，getprop("my.system.property", buff, default); 2）log能力，LOGI("Logging a message with priority 'Info' ");
• 不支持某些POSIX特性。
• 与GNU Libc（glibc）不兼容。
• 由于Native代码必须依赖bionic来进行编译。

 

功能库（Function Libraries）

WebKit

• 基于开源的WebKit浏览器：http://www.webkit.org
• 在全视图渲染页
• 完全支持CSS，Javascript，DOM，AJAX
• 支持单列和自适应的视图渲染

Media Framework

• 基于PacketVideo OpenCORE平台
• 支持标准的video，audio，still-frame格式
• 支持硬件/软件编码器插件

 

SQLite

• 轻量级事务性数据存储
• 大多数平台的后端数据存储

 

Native Servers

 

主要有两大类Surface Flinger和Audio Flinger

对于Surface Flinger

• 提供系统范围的外观“组合器”，处理所有的外观渲染到帧buffer设备中。
• 可以结合2D与3D外观和多个应用的外观。
• Surfaces传递是作为Buffer来通过Binder IPC调用。
• 可以使用OpenGL ES和2D硬件加速器作为其组成部分。
• 使用page-flip的双buffer机制。

如下图展示所示

 

对于Audio Flinger

• 管理所有的audio输出设备。
• 处理多个audio流到PCM audio 输出路径。
• 处理audio路由到各个输出。

如下图示意

 

硬件抽象层（HAL）

硬件抽象层在Android系统层次结构中的位置如下图所示。

硬件抽象层具有如下特点：

• 用户空间C/C++库层。
• 定义了接口，以便让Android请求硬件“驱动”来实现。
• 分离了Android平台逻辑和硬件接口。

 

那么为什么在Android中需要一个用户空间的HAL呢？主要有如下原因：

• 不是所有的组件具有标准的内核驱动接口；
• 内核驱动是GPL的，其将暴露了所有的知识产权；
• Android对于硬件驱动具有特定的要求。

 

HAL Header例子：

// must be provided by each Acme hardware implementation
typedef struct {
int (*foo)( void );
char (*bar)( void );
…
} AcmeFunctions;
const AcmeFunctions *Acme_Init(const struct Env *env, int argc, char
**argv);

库在runtime时按需动态加载

dlHandle = dlopen(“/system/lib/libacme.so”, RTLD_NOW);
...
acmeInit = (const AcmeFunctions *(*)(const struct Env *,
int, char **))dlsym(dlHandle, ”Acme_Init");
...
acmeFuncs = acmeInit(&env, argc, argv);

3.Android Runtime

 

Dalvik虚拟机

是Android中定制的净化实现的虚拟机，由于如下特点：

• 提供了应用程序的可移植性和运行时的一致性
• 运行优化的文件格式（.dex）和Dalvik字节
• Java .class/ .jar文件在构建时转换为.dex格式

Dalvik设计用于嵌入式环境

• 在每个设备上支持多个虚拟机进程；
• 高度优化CPU的字节码解释器；
• 高效的使用runtime内存。

 

核心库（Core Libraries）

Java语言的Core APIs提供了功能强大的，同时简单和熟悉的开发平台。

• 数据结构（Data Structure）
• 工具（Utilities）
• 文件访问（File Access）
• 网络访问（Network Access）
• 图形（Graphics）
• ...

 

4. 应用框架（Application Frameworks）

 

核心平台服务（Core Platform Services），具有如下特性：

• 对于Android平台来说，服务（Services）是必需的。
• 在幕后 —— 应用不会直接访问它们。

主要有如下的服务：

• Activity Manager
• Package Manager
• Window Manager
• Resource Manager
• Content Provider
• View System

 

硬件服务（Hardware Services）

• 提供访问底层的硬件APIs。
• 典型地通过局部的Manager对象来访问。例如：

LocationManager lm = (LocationManager）Context.getSystemService(Context.LOCATION_SERVICE);

主要有如下的硬件服务：

• Telephony Service
• Location Service
• Bluetooth Service
• WIFI Service
• USB Service
• Sensor Service

更多的关于应用框架的信息参考：

• Google I/O ：“Inside the Androoid Application Framework”
• Online ：http://code.google.com/android

 

 

二、Android运行机制

1. 启动流程

所有从init开始...

 

与大多数的基于Linux系统在启动阶段类似，bootLoader加载Linux内核，然后开始init进程。

 

init启动Linux守护进程，包括：

• USB守护进程（usbd）来管理USB连接
• Android调试桥守护进程（adbd）来管理ADB连接
• 调试器守护进程（debuggerd）来管理调试进程请求（dump memory等等）
• 射频接口层守护进程（rild）来管理与射频的通信

 

Init进程启动zygote进程：

• 一个新生的进程初始化一个Dalvik VM实例
• 加载类，并监听socket端口用于请求创建VMs实例
• Forks请求创建VM实例用于管理进程
• 写时复制（Copy-on-write）来最大化重用和最小化覆盖

 

 

init进程启动runtime进程：

• 初始化Service Manager——上下文管理器用于binder来处理service注册和查询
• 注册Service Manager作为缺省的上下文管理用于Binder

 

Runtime进程发送请求给Zygote来启动System Service

 

接着Zygote进程fork一个新的VM实例用于System Service进程，然后启动该service。

 

 

System Service启动本地系统服务器，包括：

• Surface Flinger
• Audio Flinger

 

本地system servers注册Servicee Manager作为IPC service目标：

 

System Service启动Android管理服务：

 

Android管理服务注册到Service Manager中：

 

到此，整个Android系统的启动后：

 

System Server加载完所有的services后， 系统准备...

 

 

 

 

 

2. 层间交互（Layer Interaction）

主要有如下三种类型的交互：

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

 

Android Runtime Services:

 

举例：Location Manager

 

Android Native Services：

 

举例：

 

 

 

Daemon Connection：

 

举例：RILD