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Android剖析和运行机制

2024-07-11 17:17:53   231人阅读

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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