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  • 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

    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）

    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：
    [cpp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
     
    1. // must be provided by each Acme hardware implementation  
    2. typedef struct {  
    3. int (*foo)( void );  
    4. char (*bar)( void );  
    5. …  
    6. } AcmeFunctions;  
    7. const AcmeFunctions *Acme_Init(const struct Env *env, int argc, char   
    8. **argv);  


    库在runtime时按需动态加载
    [cpp] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
     
    1. dlHandle = dlopen(“/system/lib/libacme.so”, RTLD_NOW);  
    2. ...  
    3. acmeInit = (const AcmeFunctions *(*)(const struct Env *,   
    4. int, char **))dlsym(dlHandle, ”Acme_Init");  
    5. ...  
    6. 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：
    [java] view plaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
     
    1. 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
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