Android独特的架构：HAL与Dalvik虚拟机

在 从Android架构图看开发所需的知识点里，我们贴了Android的架构图，很笼统的一个图，安卓细节方面和传统Linux差别很大，我们这里还要再展开说明。Android的底层使用的是Linux内核。在用户空间中，每个应用也会运行为一个进程。

我们现在来看看安卓的架构。

HAL

安卓驱动硬件的方式与Linux不尽相同。传统Linux的驱动完全存活于内核空间。而Android则在内核外部增加了硬件抽象层(HAL,
Hardware Abstraction Layer)，把一部分驱动功能放到HAL层中。

你或许会奇怪，安卓为什么费尽麻烦增加一个HAL呢？答案很简单，为了保护源代码。Linux内核采用了GPL协议，所以硬件生产商想要支持Linux系统，必须遵照GPL协议公开硬件驱动的源代码。但这些源代码中包含有许多硬件的设计信息，牵涉到硬件生产商的核心利益。而增加了HAL层之后，硬件厂商就不需要开放所有的驱动代码了。

我们来看看HAL的具体工作方式。

安卓的HAL存活在用户空间，它与内核驱动通信。但HAL是个“空壳”，安卓会根据需要，加载不同的动态库，比如调用计算机时，载入libprinter.so。这个动态库是由硬件厂商提供的。比如上面的打印机，硬件厂商可以把读写功能做成驱动。而“指令写入位置A、数据写入位置B”这样的高层逻辑，则编译成库文件(.so)。当我们使用打印机打印时，我们将打印需求和数据发送给HAL。HAL加载对应的动态库，通过内核驱动的读写功能，将指令写入打印机的内存位置A，数据写入位置B。打印机预装的程序从位置A读到打印指令，就会从位置B读取数据，实现打印。这样，HAL实际上把部分驱动功能放入到动态库中，内核中的驱动只保留最基本的读写操作功能。部分驱动功能从内核空间转移到了用户空间。由于高层逻辑是编译好的.so文件，打印机厂商不用担心如指令位置A、数据位置B这样的信息泄露。



左为Linux，右为安卓HAL

安卓的HAL模块是从Linux内核导出的，所以源代码公开。HAL是Apache协议，并不要求它的配套程序，如硬件驱动的源码公开。由于这些库函数没有直接调用内核，所以不需要释放源代码。通过HAL层，安卓保护了硬件厂商的商业利益，鼓励了硬件厂商对安卓系统的支持。

当然，Linux开发小组对此很不高兴，把安卓的开发分支从Linux内核中删除。

Dalvik虚拟机

安卓的应用是由Java编写的，而包括HAL在内的Linux的库都是由C/C++编写的，这个落差由Dalvik虚拟机衔接的。当一个应用运行时，进程空间内将包含一个Dalvik虚拟机。Java程序编译为字节码文件，运行在Dalvik虚拟机中。根据Java代码中的要求，Dalvik通过JNI(Java
Native Interface)调用底层的C/C++编写的功能。JNI是从Java中调用C/C++模块的接口。由于上层接口的标准化，字节码可以畅通无阻的跨平台运行。



Dalvik VM

Dalvik虚拟机内部是一个“虚拟”进程空间，有自己的栈和堆，管理代码的运行流程。如果这以“虚拟”进程空间不足，Dalvik内建的垃圾回收(garbage collection)机制会自动清空堆上不再使用的对象。自动的垃圾回收简化了程序员的工作，但速度较慢。手动内存管理效率高，但需要更多的编程，且容易犯错。

当然，Oracle不高兴，认为Dalvik是对JVM赤裸裸的抄袭。

Core Library和Android Framework

Android程序员的主要工作是编写Dalvik上运行的Java程序。Google提供了核心类库(Java core library)，它包括Java的常用类库，如:

java.lang

java.util

java.math

java.net

...

这些类库的API，与Oracle的官方API相同，所以你可以按照同样的方法调用。

核心类库中还包括Dalvik虚拟机的调用接口：

dalvik.annotation

dalvik.bytecode

dalvik.system

…

安卓程序员还可以调用一些针对安卓的类库，即安卓框架(Android Framework)。这些类库对应安卓的特定功能。通过它们，我们可以操纵安卓上的各个功能模块，从触屏到GPS，从视图元素到数据库。如：

android.database

android.bluetooth

android.gesture

...

安卓相关的类库列表

核心类库和安卓框架是安卓程序员的左膀右臂。再加上Java语言本身的逻辑，这就是安卓程序员战斗着的世界了。我会在以后的文章中，继续深入这个战场。