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Android平台架构学习笔记

平台架构

https://developer.android.com/guide/platform?hl=zh-cn

从下到上依次分为:

  • Linux内核层
  • 硬件抽象层 HAL
  • 系统运行库层
  • Java API 框架
  • 系统应用

每一层都包含大量的子模块或子系统。

Linux内核层 (Linux Kernel)

Android 平台的基础是 Linux 内核。例如,Android Runtime (ART) 依靠 Linux 内核来执行底层功能,例如线程和低层内存管理。

使用 Linux 内核可让 Android 利用主要安全功能,并且允许设备制造商为著名的内核开发硬件驱动程序。

Android平台以Linux内核为基础,避开了直接与硬件打交道,为驱动开发提供了高度扩展性和易用性,大大降低了 Android 系统移植工作的难度。

硬件抽象层 (Hardware Abstract Layer,HAL)

硬件抽象层 (HAL) 提供标准界面,向更高级别的 Java API 框架显示设备硬件功能。HAL 包含多个库模块,其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一个界面,例如相机蓝牙模块。当框架 API 要求访问设备硬件时,Android 系统将为该硬件组件加载库模块。

Linux内核层与HAL层共同实现了对硬件的支持。其中HAL层运行在用户空间(User Space),而Linux内核驱动程序运行在内核空间(Kernel Space)。为什么不把它们整合起来放到内核空间呢?技术角度是可以实现的,然而商业角度上会损害硬件厂商的利益。Linux内核源代码版权遵循GNU License(发布产品时必须公布源代码),而Android源代码版权遵循Apache License(发布产品时无须公布源代码)。

也就是说,Android放在内核空间的驱动程序对硬件的支持是不完整的,因此被踢出Linux内核主线代码树。

系统运行库层

这一层中包含了支撑整个系统正常运行的基础库,由系统类库和Android运行时组成。由于这些库多数由C/C++实现,因此也被一些开发人员称为“C库层”,以区别应用程序框架层。

原生 C/C++ 库 (Native C/C++ Libraries)

许多核心 Android 系统组件和服务(例如 ART 和 HAL)构建自原生代码,需要以 C 和 C++ 编写的原生库。Android 平台提供 Java 框架 API 以向应用显示其中部分原生库的功能。例如,您可以通过 Android 框架的 Java OpenGL API 访问 OpenGL ES,以支持在应用中绘制和操作 2D 和 3D 图形。

如果开发的是需要 C 或 C++ 代码的应用,可以使用 Android NDK 直接从原生代码访问某些原生平台库

名称 简介
Webkit 一个开源的Web浏览器引擎
OpenMAX AL 一个不需要授权、跨平台的软件抽象层,以C语言实现的软件接口,用来处理多媒体。
Libc Linux下的ANSI C的函数库
Media Framework 基于PacketVideo的OpenCORE的多媒体库,支持多种常见音视频格式的录制和播放
OpenGL ES 免授权费的,跨平台的,功能完善的2D和3D图形应用程序接口API,主要针对多种嵌入式系统专门设计

Android运行时 (Android Runtime)

对于运行 Android 5.0(API 级别 21)或更高版本的设备,每个应用都在其自己的进程中运行,并且有其自己的 Android Runtime (ART) 实例。ART 编写为通过执行 DEX 文件在低内存设备上运行多个虚拟机,DEX 文件是一种专为 Android 设计的字节码格式,经过优化,使用的内存很少。编译工具链(例如 Jack)将 Java 源代码编译为 DEX 字节码,使其可在 Android 平台上运行。

ART 的部分主要功能包括:

  • 预先 (AOT) 和即时 (JIT) 编译

  • 优化的垃圾回收 (GC)

  • 在 Android 9(API 级别 28)及更高版本的系统中,支持将应用软件包中的 Dalvik Executable 格式 (DEX) 文件转换为更紧凑的机器代码

  • 更好的调试支持,包括专用采样分析器、详细的诊断异常和崩溃报告,并且能够设置观察点以监控特定字段

    在 Android 版本 5.0(API 级别 21)之前,Dalvik 是 Android Runtime。如果您的应用在 ART 上运行效果很好,那么它应该也可在 Dalvik 上运行,但反过来不一定

    Android 还包含一套核心运行时库,可提供 Java API 框架所使用的 Java 编程语言中的大部分功能,包括一些 Java 8 语言功能

Java API 框架 (Java API Framework)

您可通过以 Java 语言编写的 API 使用 Android OS 的整个功能集。这些 API 形成创建 Android 应用所需的构建块,它们可简化核心模块化系统组件和服务的重复使用,包括以下组件和服务:

  • 丰富、可扩展的视图系统,可用以构建应用的 UI,包括列表、网格、文本框、按钮甚至可嵌入的网络浏览器
  • 资源管理器,用于访问非代码资源,例如本地化的字符串、图形和布局文件
  • 通知管理器,可让所有应用在状态栏中显示自定义提醒
  • Activity 管理器,用于管理应用的生命周期,提供常见的导航返回栈
  • 内容提供程序,可让应用访问其他应用(例如“联系人”应用)中的数据或者共享其自己的数据

开发者可以完全访问 Android 系统应用使用的框架 API

与"C库层"对应,这一层往往被称作“Java库层”。一方面为上层应用层提供API接口,另一方面也是不少系统级服务进程的实现,是与Android应用开发者关系最直接的一层。提供了开发Android应用程序所需的一系列类库,高度封装直接调用。应用框架层的主要实现代码在frameworks/base和frameworks/av目录下。

系统应用 (System Apps)

Android 随附一套用于电子邮件、短信、日历、互联网浏览和联系人等的核心应用。平台随附的应用与用户可以选择安装的应用一样,没有特殊状态。因此第三方应用可成为用户的默认网络浏览器、短信 Messenger 甚至默认键盘(有一些例外,例如系统的“设置”应用)。

系统应用可用作用户的应用,以及提供开发者可从其自己的应用访问的主要功能。例如,如果您的应用要发短信,您无需自己构建该功能,可以改为调用已安装的短信应用向您指定的接收者发送消息。

源码根目录中的packages目录对应着系统应用,其中:

  • apps 核心应用程序
  • experimental 第三方应用程序
  • inputmethods 输入法目录
  • providers 内容提供者目录
  • screensavers 屏幕保护
  • services 通信服务
  • wallpaper 墙纸
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