Android OS体系结构详解

Posted 2022-11-30 JonsonWei

Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。

架构详解

　　下面自底向上分析各层：
1、Linux Kernel

　　android基于Linux 2.6提供核心系统服务，例如：安全、内存管理、进程管理、网络堆栈、驱动模型。Linux Kernel也作为硬件和软件之间的抽象层，它隐藏具体硬件细节而为上层提供统一的服务。

　　如果你学过计算机网络知道OSI/RM，就会知道分层的好处就是使用下层提供的服务而为上层提供统一的服务，屏蔽本层及以下层的差异，当本层及以下层发生了变化不会影响到上层。也就是说各层各司其职，各层提供固定的SAP（Service Access Point），专业点可以说是高内聚、低耦合。

　　如果你只是做应用开发，就不需要深入了解Linux Kernel层。
2、Android Runtime

　　Android包含一个核心库的集合，提供大部分在Java编程语言核心类库中可用的功能。每一个Android应用程序是Dalvik虚拟机中的实例，运行在他们自己的进程中。Dalvik虚拟机设计成，在一个设备可以高效地运行多个虚拟机。Dalvik虚拟机可执行文件格式是.dex，dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。

　　大多数虚拟机包括JVM都是基于栈的，而Dalvik虚拟机则是基于寄存器的。 两种架构各有优劣，一般而言，基于栈的机器需要更多指令，而基于寄存器的机器指令更大。dx 是一套工具，可以将 Java .class 转换成 .dex 格式。一个dex文件通常会有多个.class。由于dex有时必须进行最佳化，会使文件大小增加1-4倍，以ODEX结尾。

　　Dalvik虚拟机依赖于Linux 内核提供基本功能，如线程和底层内存管理。
3、Libraries

　　Android包含一个C/C++库的集合，供Android系统的各个组件使用。这些功能通过Android的应用程序框架（application framework）暴露给开发者。下面列出一些核心库：

　　系统C库——标准C系统库（libc）的BSD衍生，调整为基于嵌入式Linux设备

　　媒体库——基于PacketVideo的OpenCORE。这些库支持播放和录制许多流行的音频和视频格式，以及静态图像文件，包括MPEG4、 H.264、 MP3、 AAC、 AMR、JPG、 PNG

　　界面管理——管理访问显示子系统和无缝组合多个应用程序的二维和三维图形层

　　LibWebCore——新式的Web浏览器引擎,驱动Android 浏览器和内嵌的web视图

　　SGL——基本的2D图形引擎

　　3D库——基于OpenGL ES 1.0 APIs的实现。库使用硬件3D加速或包含高度优化的3D软件光栅

　　FreeType ——位图和矢量字体渲染

　　SQLite ——所有应用程序都可以使用的强大而轻量级的关系数据库引擎
4、Application Framework

　　通过提供开放的开发平台，Android使开发者能够编制极其丰富和新颖的应用程序。开发者可以自由地利用设备硬件优势、访问位置信息、运行后台服务、设置闹钟、向状态栏添加通知等等，很多很多。

　　开发者可以完全使用核心应用程序所使用的框架APIs。应用程序的体系结构旨在简化组件的重用，任何应用程序都能发布他的功能且任何其他应用程序可以使用这些功能（需要服从框架执行的安全限制）。这一机制允许用户替换组件。

　　所有的应用程序其实是一组服务和系统，包括：

　　视图（View）——丰富的、可扩展的视图集合，可用于构建一个应用程序。包括包括列表、网格、文本框、按钮，甚至是内嵌的网页浏览器

　　内容提供者（Content Providers）——使应用程序能访问其他应用程序（如通讯录）的数据，或共享自己的数据

　　资源管理器（Resource Manager）——提供访问非代码资源，如本地化字符串、图形和布局文件

　　通知管理器（Notification Manager）——使所有的应用程序能够在状态栏显示自定义警告

　　活动管理器（Activity Manager）——管理应用程序生命周期,提供通用的导航回退功能
5、Applications

　　Android装配一个核心应用程序集合，包括电子邮件客户端、SMS程序、日历、地图、浏览器、联系人和其他设置。所有应用程序都是用Java编程语言写的。更加丰富的应用程序有待我们去开发！

　　从上面我们知道Android的架构是分层的，非常清晰，分工很明确。Android本身是一套软件堆叠(Software Stack)，或称为「软件叠层架构」，叠层主要分成三层：操作系统、中间件、应用程序。

Android核心模块及相关技术

Android作为一个移动设备的平台，其软件层次结构包括了一个操作系统（OS），中间件（MiddleWare）和应用程序（Application）。根据Android的软件框图，其软件层次结构自下而上分为以下几个层次：

　　第一、操作系统层（OS）

　　第二、各种库（Libraries）和Android 运行环境（RunTime）

　　第三、应用程序框架（Application Framework）

　　第四、应用程序（Application）

　　以下分别介绍Andoid各个层次的软件的重点及其相关技术：

　　操作系统层（OS）

　　Android使用Linux2.6作为操作系统，Linux2.6是一种标准的技术，Linux也是一个开放的操作系统。Android对操作系统的使用包括核心和驱动程序两部分，Android的Linux核心为标准的Linux2.6内核，Android更多的是需要一些与移动设备相关的驱动程序。主要的驱动如下所示：

　　显示驱动（Display Driver）：常用基于Linux的帧缓冲（Frame. Buffer）驱动。

　　Flash内存驱动（Flash Memory Driver）

　　照相机驱动（Camera Driver）：常用基于Linux的v4l（Video for ）驱动。

　　音频驱动（Audio Driver）：常用基于ALSA（Advanced Linux Sound Architecture，高级Linux声音体系）驱动。

　　WiFi驱动（Camera Driver）：基于IEEE 802.11标准的驱动程序

　　键盘驱动（KeyBoard Driver）

　　蓝牙驱动（Bluetooth Driver）

　　Binder IPC驱动： Andoid一个特殊的驱动程序，具有单独的设备节点，提供进程间通讯的功能。

　　Power Management（能源管理）

　　各种库（Libraries）和Android 运行环境（RunTime）

　　本层次对应一般嵌入式系统，相当于中间件层次。Android的本层次分成两个部分一个是各种库，另一个是Android 运行环境。本层的内容大多是使用C++实现的。

　　在其中，各种库包括：

　　▅ C库 ：C语言的标准库，这也是系统中一个最为底层的库，C库是通过Linux的系统调用来实现。

　　▅ 多媒体框架（MediaFrameword）：这部分内容是Android多媒体的核心部分，基于PacketVideo（即PV）的OpenCORE，从功能上本库一共分为两大部分，一个部分是音频、视频的回放（PlayBack），另一部分是则是音视频的纪录（Recorder）。

　　▅ SGL：2D图像引擎。

　　▅ SSL：即Secure Socket Layer位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间,为数据通讯提供安全支持。

　　▅ OpenGL ES 1.0 ：本部分提供了对3D的支持。

　　▅ 界面管理工具（Surface Management）：本部分提供了对管理显示子系统等功能。

　　▅ SQLite：一个通用的嵌入式数据库

　　▅ WebKit：网络浏览器的核心

　　▅ FreeType：位图和矢量字体的功能。

　　Android 的各种库一般是以系统中间件的形式提供的，它们均有的一个显著特点就是与移动设备的平台的应用密切相关。

　　Android 运行环境主要指的虚拟机技术——Dalvik。 Dalvik虚拟机和一般JAVA虚拟机（Java VM）不同，它执行的不是JAVA标准的字节码（bytecode）而是Dalvik可执行格式（.dex）中执行文件。在执行的过程中，每一个应用程序 即一个进程（Linux的一个Process）。二者最大的区别在于Java VM是以基于栈的虚拟机（Stack-based），而Dalvik是基于寄存器的虚拟机（Register-based）。显然，后者最大的好处在于可以根据硬件实现更大的优化，这更适合移动设备的特点。

　　应用程序框架（Application Framework）

　　Android的应用程序框架为应用程序层的开发者提供APIs，它实际上是一个应用程序的框架。由于上层的应用程序是以JAVA构建的，因此本层次提供的首先包含了UI程序中所需要的各种控件：

　　例如：Views (视图组件)包括 lists(列表), grids(栅格), text boxes(文本框), buttons(按钮)等。甚至一个嵌入式的Web浏览器。

　　一个Andoid的应用程序可以利用应用程序框架中的以下几个部分：

　　Activity （活动）

　　Broadcast Intent Receiver （广播意图接收者）

　　Service （服务）

　　Content Provider （内容提供者）

　　应用程序（Application）

　　Android的应用程序主要是用户界面（User Interface）方面的，通常以JAVA程序编 写，其中还可以包含各种资源文件（放置在res目录中）JAVA程序及相关资源经过编译后，将生成一个APK包。Android本身提供了主屏幕 （Home），联系人（Contact），电话（Phone），浏览器（Browers）等众多的核心应用。同时应用程序的开发者还可以使用应用程序框架 层的API实现自己的程序。这也是Android开源的巨大潜力的体现。