Android 深入系统完全讲解

Posted 2023-01-09 程序员入门进阶

系统调用

操作系统提供了一些方法，让用户层可以调用，而为了安全起见，这些方法调用，都是在内核空间。于是，用户调用的时候，就会有个动作，叫做陷入内核。

当用户调用系统方法的时候，系统方法每一个都有一个具体的编号，调用的时候，会约定放在具体的一个寄存器里面，然后调用 TRAP 指令，陷入内核。

内核会从寄存器中读取编号，然后获知具体的调用方法，跳到对应位置执行，执行完后返回结果。

对我们使用者来说，系统调用跟普通的调用函数没差别，我们用户层是感知不到这个部分，这块是由操作系统帮我们完成的。

线程

前面描述了进程，操作系统把程序加载起来，加载到内存，操作系统把这个称之为进程，然后默认情况下，进程会运行 main 方法，开始执行起来。

但是，因为我们的程序开发起来，大多时候都不是单一的任务，需要多个任务执行，所以如果进程里面只有一个运行流，则在开发过程中，会让多个任务混淆在一起，没办法优雅的实现。

于是，操作系统便在进程里面，再细化了一个概念，叫做线程。而把默认进程起来运行的main 这个运行流，就喊成了主线程。（实际就是进程起来后，它运行的这个主流程）

然后我们在进程里面，创建一些线程，让每个线程完成自己的任务，通过线程之间的配合，最终实现我们想要的功能。

线程之间共享进程的数据，线程更加轻量，方便。所以我们默认不会启动子进程的方式去做配合。

如果我们开发过 DOS 系统，就知道它的流程是一个大循环，然后如果说这时候我们有按键发生，我们是需要执行到获取按键事件的地方，才能真正获取按键信息。

但是如果我们是多线程的系统，当我们按键发生的时候，这时候会直接进入中断处理函数，将按键信息获取，同时还能更快的让程序响应。

下面这个图可以简单的看下，进程和线程的关系。

我们的学习技巧，一直是遵循提供引子，细节化的东西，看相关的书籍，然后有任何疑问，提问这边答疑。

知识的掌握，一定是有主观性的。当我们理解不了的时候，可以来语音解惑，帮助大家打通串联起来，能够快速的厘清线索。

在操作系统的这个体系里面，核心掌握的是什么？

进程管理
进程间通信机制
内存管理
文件系统
CPU 调度切换机制
网络
驱动开发
当我们在看到这些内容的时候，为什么需要这个？它在解决什么问题。以及依据我们之前讲的，每个模块都是由几部分组成的。

数据结构，算法。

具体到进程管理就是：如何描述一个进程，操作系统如何对进程管理的，如何切换的。
这两部分就是，设计和实现。

每个模块都可以这样子去思考。同时每个模块都可以用示例来进行初步体验，理解。进程管理，深入到操作系统里面，我们该如何学习？

如果上来就是 Linux 系统，大家一定学的吃力，又担心学不会。所以这里我们会先给大家推荐的是，小型操作系统。

比如 ucos2，比如 freertos，小型操作系统，掌握了之后，我们学习什么是启动代码，uBoot，以及复杂的嵌入式操作系统 ucLinux。

这些掌握了，进入安卓就非常容易。

中断
中断的理解很简单，比如一个老师在讲课，突然校长喊话让去下办公室，这时候老师就要中断讲课，去处理事情。处理完后回来要继续接着讲。

这里就是中断。

在程序世界里面，就是当我们程序正在运行的时候，突然有外部消息进来，系统要去处理，这时候当前的进程就需要中断，等待中断事情处理完，再继续运行。

这里面因为 CPU 内部的寄存器只有一份，于是当我们进程被打断的时候，为了等会回来从正确的位置运行，所以需要保存这些寄存器。

这个就是由操作系统实现，叫做现场保护。

而大家一直不明白的是，中断是在什么时间监测的？

这里来说一下，CPU 执行的是一条一条指令，在每条指令执行完后，CPU 都会检测是否有外部中断发生，如果有就会切换，保存线程，进入对应的中断函数。

这里把所有的中断跳转函数，系统称之为中断向量表，而每个中断信号上来，都有一个中断号，依据这个会跳转到对应的中断函数上去。

当我们知道了，中断是在每一条指令完成后会发生，那么我们就能知道，一条指令在执行过程中不会被打断。

于是，我们在开发多线程项目的时候，对于全局变量如果要多个线程操作的时候，要做一个加锁操作。

也就是线程间的同步处理。

为什么要加锁，核心逻辑就是，对于全局多个线程要去访问的数据，一条指令执行不完，在这个访问的过程中，不能中断，于是需要加锁进行保护。

只有理解到，加锁是为了全局变量在操作的时候不被中断，理解了中断发生在一条指令完成后，这时候我们就能知道，如果我们设计一条指令，这条指令就是做一个变量检测，用于加锁操作，就是没问题的。

在这里说下，大家学习进程线程开发，一般建议大家使用 ubuntu Linux 桌面，然后使用默认的 GCC 编译器，同时在学习的时候可以多了解下 MakeFile 的编写，以及编译的整个过程。

编译整个过程，这块后面我们会再讲，如果感兴趣，直接找我就好了。我们简单聊下这块该如何开展。

对于互斥信号量，管道，socket 通信，以及消息传输，大家可以参考《Unix 系统编程》，来进行掌握。

一切皆文件的逻辑
在 Linux 里面，将一切的事物都当成文件来理解，那么这个具体指的什么呢？为什么可以当成文件。
这里其实我们从一个朴素的逻辑来讲。

对于每一个外设，或者是驱动，或者是一套 SDK。我们常规的动作就几个：

1 找到它
2 使用它

所以统一的都可以归类了。
默认情况下，找到它就是 open ，默认的使用它，就是 write，如果发现使用它的业务很多，系统做了一个 ioctl 来完善补充。

所以，我们的外设，驱动，都可以通过这些方法来进行操作。而这些方法常规上我们理解是打开文件，写入数据，操作数据的。

所以，就有一切都是文件的概念了。

而这里面，我们再说个更加普遍的概念，我们拿到一堆数据，必须有对应的解析格式，否则这堆数据具体的含义我们是不知道的。

举例，电报的加密数据，如果说我们没有对应的解密字典，这个加密数据就不晓得什么意思。

还有不加密的，摩斯密码，这个也是约定好的，俗称查字典。

所以，一切皆是文件。可以说是，一切都是数据和解析组成，这两个我们对应的就是 Linux中文件的通用接口，和对应的接口实现方法（解析）。

android 操作系统

在我们的《Android 深入系统完全讲解》第一册里面，有一张图，完整的画出来了安卓操作系统的概况。

这里怎么来学习，一个是掌握启动流程，init 进程初始化过程，以及系统服务启动过程，这
些在我们的第一册里面做了详解。
那么，我们这里补充一些知识。就是 ps 命令里面，我们查找进程之间的关系链，用的是 ps
查看。
root 1433 1 54936 4696 ffffffff b7f1e875 S /system/bin/surfaceflinger
第三个值 1 就是父类进程，是由谁创建的。
通过开机后，adb shell 命令使用这个 ps 命令，查看进程 id 和父进程 pid，通过这个可以快速的梳理出来，进程的关系网。

能够让我们对系统有了一个完整的理解。

同时再一个就是查看每个进程的 maps 信息，从这个里面可以看到每个进程的内存映射，通过这个，可以获取的就是进程中存在的一些 jar，so 库。对于我们理解调用系统库，方法的时候，有很大的帮助。

像深入下去的 Hook，还有注入编程这些，大家可以关注，这类使用场景比较特殊，但是像patch 这种功能，其实市场需求很大，于是我们可以研究下它的实现原理。
在这里给出一个引子，就是 odex 的加载器。

我们实际运行的时候，就是 odex 里面找到对应的函数，去执行。那么如果说我们自己设计一个机制，在调用之前，我们判断一下，是不是我们要篡改的函数。

如果是，那么改掉它，替换成我们的函数，是不是就等于是动态的 patch 修复了？
这块知识点，后续我们从进程的格式开始讲起，把安卓里面的这些注入技巧，串一遍。

在学习操作系统的时候，一定记得要去看计算机组成原理，这个是硬性要求。大家在不懂得地方，及时找我沟通，了解。