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Android系统架构ABC

1)      Android的历史

2)      Android系统框架一览

a)应用程序层

b)应用程序框架层

c)系统库和Android运行时

Dalvik模式的缺点

ART模式(Android Runtime)的优点

d)Linux内核

Android开源框架

Android标准库

3)     通信基石 – Binder模式

IPC机制种类

Binder通信机制简介

为啥新发明一个Binider通信机制

Binder通信模型

Binder通信机制原理图

J2EE和Android两种RPC的比较：

4)     消息队列(MessageQueue, Looper, Handler)

5)      Framework启动过程: zygote进程和system进程

6)     包管理服务PackageManagerService

7)     第一个应用程序进程的启动过程

8)      AMS活动管理, WMS窗口管理, View系统的工作原理

android内核三大核心成员介绍

整个Android生态系统工作原理概述

9)     总结

 

1)    Android的历史

了解一个事物，往往要从其出身开始，这样才能完整地明白它到底是什么东西。Android的历史渊源要追溯到90年代初，Andriod之父 Andy Rubin还在苹果子公司开发第一代手机OS “MagicCap”开始。

 

我用一段话简短概述iPhone和Android，苹果和谷歌之间的争端的历史缘由：

 

IOS产生的历史：

Steve Jobs于1976年创建了苹果公司,后于1985年离开苹果，创立了“NeXTComputer”这家公司，创建了一款用Object-C语言编写的叫“NeXTSTEP”的OS,之后在”NeXTSTEP”基础上创造了“Mac OSX”系统，这就是iPhone OS的基础，简称IOS。后来1996年底，苹果公司又收购NeXT公司，这样Jobs又回到了苹果公司。

 

Android产生的历史：

1990年，苹果公司的手持设备部门独立，特地成立了”GeneralMagic”的子公司，研究手机操作系统。”Android之父”，89年刚进苹果公司的26岁的年轻人——Andy Rubin，认定手机OS发展前景良好，也加入了这个部门,参与了”MagicCap” OS的开发，后于95年离开了苹果公司。2003年，Andy Rubin创建了Android公司，仅仅22个月之后，2005年被谷歌收购！然后，谷歌Android部门立马投入展开了短信、手机检索等业务，同时基于Linux的通用平台也进入了开发。经过2年的研究，2007年11月5日， Android第一代系统 1.0 beta发布，不过只作为一个面向开发者的软件开发包（SDK）进行发布。之后经过1年的不断优化,于2008年9月23日,发布Android操作系统中的第一个正式版本：Android 1.0，代号为铁臂阿童木(Astro)。仅仅1年之后，便开始了Android打败诺基亚的Symbian，与IPhone两分天下的辉煌时代！

 

总而言之，无论Android还是 iPhone,都是苹果的员工辞职之后，搞出来的。这就是Android和iPhone与苹果公司的渊源！！！这也是苹果一直将安卓列为侵权产品的缘由。苹果方面表示，Android系统创始人Andy Rubin有关Android系统的理念之一诞生于他供职苹果期间。

 

具体iPhone和Android产生的历史渊源可以查看链接：

http://tech.163.com/14/0426/11/9QOMTFMT00094ODU.html

 

具体Android各个历史版本可以查看链接：

http://zh.wikipedia.org/zh-cn/Android%E6%AD%B7%E5%8F%B2%E7%89%88%E6%9C%AC

2)    Android系统框架一览

 

a)应用程序层

      该层提供一些核心应用程序包，例如电子邮件、短信、日历、地图、浏览器和联系人管理等。同时，开发者可以利用Java语言设计和编写属于自己的应用程序，而这些程序与那些核心应用程序彼此平等、友好共处。

b) 应用程序框架层

    该层是Android应用开发的基础，开发人员大部分情况是在和她打交道。应用程序框架层包括活动管理器、窗口管理器、内容提供者、视图系统、包管理器、电话管理器、资源管理器、位置管理器、通知管理器和XMPP服务十个部分。在Android平台上，开发人员可以完全访问核心应用程序所使用的API框架。并且，任何一个应用程序都可以发布自身的功能模块，而其他应用程序则可以使用这些已发布的功能模块。基于这样的重用机制，用户就可以方便地替换平台本身的各种应用程序组件。

c)系统库和Android运行时

    系统库包括九个子系统，分别是图层管理、媒体库、SQLite、OpenGLEState、FreeType、WebKit、SGL、SSL和libc。Android运行时包括核心库和Dalvik虚拟机，前者既兼容了大多数Java语言所需要调用的功能函数，又包括了Android的核心库，比如android.os、android.net、android.media等等。后者是一种基于寄存器的java虚拟机，Dalvik虚拟机主要是完成对生命周期的管理、堆栈的管理、线程的管理、安全和异常的管理以及垃圾回收等重要功能。不过，最新的AndroidL 5.0将彻底抛弃Dalvik虚拟机，改用ART模式。

Dalvik模式的缺点：

在Dalvik虚拟机中，因此应用程序每次运行的时候，一部分代码都需要重新进行编译，这过程需要消耗一定的时间和降低应用的执行效率，最明显的便是拖延了应用的启动时间和降低运行速度。

ART模式(Android Runtime)的优点：

通过在安装应用程序时，自动对程序进行代码预读取编译(可能比较耗时，占用更多ROM内存)，让程序直接编译成机器语言，免去了Dalvik模式要时时转换代码，实现高效率、省电、占用更低的系统内存、手机运行流畅。

d) Linux内核

    Android核心系统服务依赖于Linux2.6内核，如安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型。Linux内核也是作为硬件与软件栈的抽象层。驱动：显示驱动、摄像头驱动、键盘驱动、WiFi驱动、Audio驱动、flash内存驱动、Binder（IPC）驱动、电源管理等。

 

Android 开源框架

在下面的图中，绿色的大部分组件是基于Apache许可证开源，其余基于GPL、LGPL和BSD。

 

Android 标准库

3)    通信基石 – Binder模式

在Linux中，是以进程为单位分配和管理资源的。出于保护机制，一个进程不能直接访问另一个进程的资源，也就是说，进程之间互相封闭

IPC机制种类：

1-采用命名管道（named  pipe）

2-消息队列（message queue）

3-信号（signal）                

4-共享内存（share memory）

5 - Socket

 

在Android终端上的应用软件的通信几乎看不到这些IPC通信方式，取而代之的是Binder方式。

 

Binder通信机制简介

Binder使用Client-Server通信方式：一个进程作为Server提供诸如视频/音频解码，视频捕获，地址本查询，网络连接等服务；多个进程作为Client向Server发起服务请求，获得所需要的服务。要想实现Client-Server通信据必须实现以下两点:

 

一,是server必须有确定的访问接入点或者说地址来接受Client的请求，并且Client可以通过某种途径获知Server的地址

二,是制定Command- Reply协议来传输数据。例如在网络通信中Server的访问接入点就是Server主机的IP地址+端口号，传输协议为TCP协议。对Binder而言，Binder可以看成Server提供的实现某个特定服务的访问接入点， Client通过这个‘地址’向Server发送请求来使用该服务；对Client而言，Binder可以看成是通向Server的管道入口，要想和某个 Server通信首先必须建立这个管道并获得管道入口

 

为啥新发明一个Binider通信机制

1，复杂度

 也可以在这些底层机制上架设一套协议来实现Client-Server通信，但这样增加了系统的复杂性，在手机这种条件复杂，资源稀缺的环境下可靠性也难以保证。

2，传输性能

socket作为一款通用接口，其传输效率低，开销大，主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。

消息队列和管道采用存储-转发方式，即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中，然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区，至少有两次拷贝过程。

共享内存虽然无需拷贝，但控制复杂，难以使用

 

数据拷贝次数比较图：

IPC进程间通信类型	数据拷贝次数
共享内存	0
Binder	1
Socket/管道/消息队列	2

3，安全性考虑

Android作为一个开放式，拥有众多开发者的的平台，应用程序的来源广泛，确保智能终端的安全是非常重要的。终端用户不希望从网上下载的程序在不知情的情况下偷窥隐私数据，连接无线网络，长期操作底层设备导致电池很快耗尽等等。传统IPC没有任何安全措施，完全依赖上层协议来确保。

 

首先传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID（用户ID/进程ID），从而无法鉴别对方身份。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID/PID，但这样不可靠，容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。

 

其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。比如命名管道的名称，system V的键值，socket的ip地址或文件名都是开放的，只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接，不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接

Binder通信模型

• Binder框架定义了四个角色：Server，Client，ServiceManager（以后简称SMgr）以及驱动。

• 其中 Server，Client，SMgr运行于用户空间，驱动运行于内核空间。这四个角色的关系和互联网类似：Server是服务器，Client是客户终端，SMgr是域名服务器（DNS），驱动是路由器。

   

  Android进程间通信的底层，都是靠binder驱动传输信息， 如图：

第一步，Server给Binder实体登记

• 和DNS类似，SMgr的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用，使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。注册了名字的Binder叫实名Binder，就象每个网站除了有IP地址外都有自己的网址

• 。 Server创建了Binder实体，为其取一个字符形式，可读易记的名字，将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给 SMgr，通知SMgr注册一个名叫张三的Binder，它位于某个Server中。驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于内核中的实体节点以及 SMgr对实体的引用，将名字及新建的引用传递给SMgr。SMgr收数据包后，从中取出名字和引用填入一张查找表中。

•  

第二步，Client获取Binder实体

• Server向SMgr注册了Binder实体及其名字后，Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Client也利用保留的0号引用向SMgr请求访问某个Binder：我申请获得名字叫张三的Binder的引用。

• SMgr收到这个连接请求，从请求数据包里获得Binder的名字，在查找表里找到该名字对应的条目，从条目中取出Binder的引用，将该引用作为回复发送给发起请求的Client。从面向对象的角度，这个Binder对象现在有了两个引用：一个位于SMgr中，一个位于发起请求的Client中。

• 如果接下来有更多的Client请求该Binder，系统中就会有更多的引用指向该Binder，就象java里一个对象存在多个引用一样。而且类似的这些指向Binder的引用是强类型，从而确保只要有引用 Binder实体就不会被释放掉。。

Binder通信机制原理图

J2EE和Android两种RPC的比较：

4)    消息队列(MessageQueue,Looper, Handler)

• 处理多线程的时候，Android继承了java的消息队列机制。

• Android系统的消息队列和消息循环都是针对具体线程的，一个线程可以存在（当然也可以不存在）一个消息队列和一个消息循环（Looper），特定线程的消息只能分发给本线程，不能进行跨线程，跨进程通讯。但是创建的工作线程默认是没有消息循环和消息队列的，如果想让该线程具有消息队列和消息循环，需要在线程中首先调用Looper.prepare()来创建消息队列，然后调用Looper.loop()进入消息循环。

   

   

消息队列里对象的数量对比图

Android消息队列运行机制原理图

5)    Framework启动过程: zygote进程和system进程

在android中，大部分的应用程序进程都是由zygote来创建的，为什么用大部分，因为还有一些进程比如系统引导进程、init进程等不是有zygote创建的。相反，zygote还是在init进程之后才被创建的。

注：init进程是盘古开天地级别的进程。

zygote在android中主要有两个作用：

建立运行时环境并启动虚拟机，

为应用程序创建DVM进程。

1. 1. 启动SystemServer：

   2. 启动应用进程：

       

Zygote进程运行示意图

 

1，SystemService的启动是在Zygote进程创建好后进行的，并且由Zygote进程建立好DVM运行环境，加载ZygoteInit的main函数，最终调用Zygote的本地方法forkSystemServer，并执行linux的fork方法创建SystemServer进程。

 

2，应用程序的进程也是由Zygote创建的，在ActivityManagerService中的startProcessLocked中调用了Process.start()方法。并通过连接调用Zygote的native方法forkAndSpecialize，执行fork任务

 

 ActivityThread启动过程简要序列图

6)    包管理服务PackageManagerService

PackagemanagerService主要管理apk，其实就是管理其中的组件等,如Activiey、Service，从apk中解析其中的组件，保存到相关结构中，以使得后面可以通过相关的接口可以查询系统安装组件，apk的安装，卸载，删除都是由PackageManagerService负责的。

简言之：PMS掌管APK的生死，手里有本生死簿，类于阎王。

7)    第一个应用程序进程的启动过程

启动过程简要序列图

8)    AMS活动管理, WMS窗口管理, View系统的工作原理

android内核三大核心成员介绍：

（1）WMS：WindowManager Service.Android上发生的事件，例如，触屏，按钮什么的都是由WMS获取的。并且WMS负责了窗口的显示和控制。

（2）AMS：ActivityManager Service.总共有三部分的功能。
      1.activity的管理调度，但是只是在全局负责activity的管理和组织，任何activty的启动，都需要提前通知AMS，并由其进行调度但是不干涉activity内部的东西
      2.内存管理，有的时候，activity过多，可能会导致内存不够，AMS会根据内存情况，决定杀死某个 activity。
     3.进程管理，AMS会提供API供用户查询当前activity的进程信息。

另外包括了两个消息处理的类KeyQ和InputDispatcherThread,前者是WMS的内部类，当它有一个对象建立的时候，将会监听UI上所有的用户操作，包括触屏,按键等，并且把消息放到队列当中，等待应用的调用。后者的话主要负责从前者放入的消息队列（QueueEvent）当中获取相应的消息并且以一定规则予以消息的过滤，并且发放到相应的应用程序当中，类的作用可以顾名思义。

 

(3)View
View是什么了，每个人都有自己的理解。在Android的官方文档中是这样描述的：这个类表示了用户界面的基本构建模块。一个View占用了屏幕上的一个矩形区域并且负责界面绘制和事件处理。View是用来构建用户界面组件（Button，Textfields等等）的基类。ViewGroup子类是各种布局的基类，它是个包含其他View（或其他ViewGroups）和定义这些View布局参数的容器。

 

整个Android生态系统工作原理概述

• 客户端中的线程

• 包含有Activity的客户端程序至少包含3个线程，（每个Binder对应一个线程）

• 1、UI主线程

• 2、ApplicationThread对象（继承自Binder）（负责AmS的IPC调用）

• 3、ViewRoot.W对象（继承自Binder）        （负责WmS的IPC调用）

Android生态系统工作原理图：

分三步讲解整个过程：

apk程序的运行过程 (一)前期准备

• (看上面大图的中上角，或者看下面的局部截图) 

• 首先，ActivityThread从main（）函数开始执行，调用prepareMainLooper()为UI线程创建一个消息队列（MessageQueue）。

•  然后创建一个ActivityThread对象，在ActivityThread的初始化代码中会创建一个H（Handler）对象和一个ApplicationThread（Binder）对象。其中Binder负责接收远程AmS的IPC调用，接收到调用后，则通过Handler把消息发送到消息队列中，UI主线程会异步的从消息队列中取出消息并执行相应的操作，比如start stop pause等。

• 接着UI主线程调用Looper.loop()方法进入消息循环体，进入后就会不断的从消息队列中读取并处理消息。

apk程序的运行过程 (二)启动Activity

• (看上面大图的中间部分，或者看下面的局部截图)

• 当ActivityThread接收到AmS发送start某个Activity后，就会创建指定的Activity对象，Activity又会创建PhoneWindow类——>DecorView类——>创建相应的View或者ViewGroup。

• 创建完成后，Activity需要把创建好的界面显示到屏幕上，于是调用WindowManager类，后者于是创建一个ViewRoot对象，该对象实际上创建了ViewRoot类和W类，创建ViewRoot对象以后，WindowManager再调用WmS提供的远程调用接口完成添加一个窗口并显示到屏幕上。

apk程序的运行过程(三)响应用户屏幕操作

•  (看上面大图最左侧，或者看下面的局部截图)

• 接下来，用户开始在程序界面上操作，KeyQ线程不多把用户消息存储到QueueEvent队列中，InputDispatcherThread线程逐个取出消息，然后调用WmS中的相关函数处理该消息，当WmS发现该消息属于客户端某个窗口时，就会调用相应的窗口W接口。

•  W类是一个Binder，负责接收WmS的IPC调用，并把调用消息传递给ViewRoot，ViewRoot再把消息传递给UI主线程ActivityThread，ActivityThread解析该消息并作相应的处理，在客户端程序中，首先处理消息的是DecorView，如果DecorView不想处理该消息，则可以把该消息传递给其内部包含的子View或者ViewGroup，如果还没有处理，则传递给PhoneWindow，最后在传递给Activity。

   

   

9)    总结

本文仅从总体概念和基本原理上，介绍了Android系统的基本架构、核心功能组件和工作原理，由于篇幅所限，不可能就每章每点都详细讲解，只是蜻蜓点水，一掠而过，只希望能激发初学者的好奇心，通过本文所撕开的Android外衣的一角，让你窥到一点秘密，激起你对Android的兴趣。如果想继续深入了解Android的深层原理，还需要大家一起研究学习讨论。让我们一起，继续向Android的最高殿堂前进！

 

—— 空谷幽兰 2014-7-7

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文章起源：http://azwzsj.com/article/jhdede.html