Android系统架构和内核及虚拟机

一、Android 体系结构

Android其本质就是在标准的Linux系统上增加了Java虚拟机Dalvik，并在Dalvik虚拟机上搭建了一个JAVA的application framework，所有的应用程序都是基于JAVA的application framework之上。

Android主要应用于ARM平台，但不仅限于ARM，通过编译控制，在X86、MAC等体系结构的机器上同样可以运行。



android分为四个层，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和linux核心层。

蓝色的代表java程序，黄色的代码为运行JAVA程序而实现的虚拟机，绿色部分为C/C++语言编写的程序库，红色的代码内核(linux内核+driver)。在Application Framework之下，由C/C++的程序库组成，通过JNI完成从JAVA到C的调用。

1) 应用程序

所有的应用程序都是使用JAVA语言编写的，每一个应用程序由一个或者多个活动组成，活动必须以Activity类为超类，活动类似于操作系统上的进程，但是活动比操作系统的进程要更为灵活，与进程类似的是，活动在多种状态之间进行切换。

利用JAVA的跨平台性质，基于Android框架开发的应用程序可以不用编译运行于任何一台安装有android系统的平台，这点正是Android的精髓所在。

2) 应用程序框架

应用程序的架构设计简化了组件的重用；任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块（不过得遵循框架的安全性限制）。帮助程序员快速的开发程序，并且该应用程序重用机制也使用户可以方便的替换程序组件。

隐藏在每个应用后面的是一系列的服务和系统, 其中包括；

a.丰富而又可扩展的视图（Views），可以用来构建应用程序， 它包括列表（lists），网格（grids），文本框（text boxes），按钮（buttons）， 甚至可嵌入的web浏览器。

b.内容提供器（Content Providers）使得应用程序可以访问另一个应用程序的数据（如联系人数据库）， 或者共享它们自己的数据。

c.资源管理器（Resource Manager）提供非代码资源的访问，如本地字符串，图形，和布局文件（layout files）。

d.通知管理器（Notification Manager）使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息。

e.活动管理器（Activity Manager）用来管理应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能。

3) 系统运行库

a)程序库

Android包含一些C/C++库，这些库能被Android系统中不同的组件使用。它们通过Android应用程序框架为开发者提供服务。

以下是一些核心库：

主要包括基本的C库、以及多媒体库以支持各种多媒体格式、位图和矢量字体、2D和3D图形引擎、浏览器、数据库支持。

1.Bionic系统C库。

2.媒体库，基于PacketVideo OpenCORE。

3.Surface Manager 顾名思义，用于管理Surface。

4.Webkit,LibWebCore 浏览器，基于Webkit引擎。

5.SGL 底层的2D图形引擎

6.3D libraries 基于OpenGL ES 1.0 APIs实现

7.FreeType 位图（bitmap）和矢量（vector）字体显示。

8.SQLite 一个对于所有应用程序可用，功能强劲的轻型关系型数据库引擎。

另外这里还有一个硬件抽象层。其实Android并非所有的设备驱动都放在linux内核里面，有一部分实现在用户空间，

这么做的主要原因是可以避开Linux所遵循的GPL协议，一般情况下如果要将Android移植到其他硬件去运行，

只需要实现这部分代码即可。包括：显示器驱动，声音，相机，GPS，GSM等等。

b)Android 运行库

Android 包括了一个核心库，该核心库提供了JAVA编程语言核心库的大多数功能。

每一个 Android应用程序都在它自己的进程中运行，都拥有一个独立的Dalvik虚拟机实例。

Dalvik被设计成一个设备可以同时高效地运行多个虚拟系统。

Dalvik虚拟机执行（.dex）的Dalvik可执行文件，该格式文件针对小内存使用做了优化。

同时虚拟机是基于寄存器的，所有的类都经由JAVA编译器编译，然后通过SDK中的 "dx" 工具转化成.dex格式由虚拟机执行。

Dalvik虚拟机依赖于linux内核的一些功能，比如线程机制和底层内存管理机制。

4) Linux 内核

Android 的核心系统服务依赖于 Linux 2.6 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 内核也同时作为硬件和软件栈之间的抽象层。其外还对其做了部分修改，主要涉及两部分修改：

a)Binder

(IPC)：提供有效的进程间通信，虽然linux内核本身已经提供了这些功能，但Android系统很多服务都需要用到该功能，为了某种原因

其实现了自己的一套。

b)电源管理：为手持设备节省能耗。

二、Dalvik VM 和 JVM 的比较

Dalvik虚拟机是Google等厂商合作开发的Android移动设备平台的核心组成部分之一。它可以支持已转换为.dex（即Dalvik Executable）格式的Java应用程序的运行，.dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。（dx 是一套工具，可以将 Java .class
转换成 .dex 格式. 一个dex档通常会有多个.class。由于dex有时必须进行最佳化，会使档案大小增加1-4倍，以ODEX结尾。） 　　
1、Dalvik 和标准 Java 虚拟机(JVM)首要差别
Dalvik 基于寄存器，而 JVM 基于栈。基于寄存器的虚拟机对于更大的程序来说，在它们编译的时候，花费的时间更短。 　
2、Dalvik 和 Java 字节码的区别
Dalvik执行.dex格式的字节码，而JVM执行.class格式的字节码；
3、Dalvik 和 Java SDK的SDK不同；
4、Dalvik 和 Java 运行环境的区别 　 　
Dalvik 经过优化，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。
Dalvik虚拟机在android2.2之后使用JIT （Just-In-Time）技术，与传统JVM的JIT并不完全相同，　
Dalvik虚拟机有自己的 bytecode, 并非使用 Java bytecode.

还有以下几点


1：Dalvik主要是完成对象生命周期管理，堆栈管理，线程管理，安全和异常管理，以及垃圾回收等等重要功能。 　　
2：Dalvik负责进程隔离和线程管理，每一个Android应用在底层都会对应一个独立的Dalvik虚拟机实例，其代码在虚拟机的解释下得以执行。 　　
3：不同于Java虚拟机运行java字节码，Dalvik虚拟机运行的是其专有的文件格式Dex 　　
4:dex文件格式可以减少整体文件尺寸，提高I/o操作的类查找速度。 　　
5:odex是为了在运行过程中进一步提高性能，对dex文件的进一步优化。 　　
6：所有的Android应用的线程都对应一个Linux线程，虚拟机因而可以更多的依赖操作系统的线程调度和管理机制 　　
7：有一个特殊的虚拟机进程Zygote，他是虚拟机实例的孵化器。它在系统启动的时候就会产生，它会完成虚拟机的初始化，库的加载，预制类库和初 始化的操作。如果系统需要一个新的虚拟机实例，它会迅速复制自身，以最快的诉据提供给系统。对于一些只读的系统库，所有虚拟机实例都和Zygote共享一 块内存区域

三、Dalvik VM 和ART的比较

什么是Dalvik:

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的Java虚拟机。Dalvik虚拟机是Google等厂商合作开发的Android移动设备平台的核心组成部分之一。它可以支持已转换为 .dex（即Dalvik Executable）格式的Java应用程序的运行，.dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。Dalvik 经过优化，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。

什么是ART:

Android操作系统已经成熟，Google的Android团队开始将注意力转向一些底层组件，其中之一是负责应用程序运行的Dalvik运行时。Google开发者已经花了两年时间开发更快执行效率更高更省电的替代ART运行时。 ART代表Android Runtime，其处理应用程序执行的方式完全不同于Dalvik，Dalvik是依靠一个Just-In-Time (JIT)编译器去解释字节码。开发者编译后的应用代码需要通过一个解释器在用户的设备上运行，这一机制并不高效，但让应用能更容易在不同硬件和架构上运
行。ART则完全改变了这套做法，在应用安装时就预编译字节码到机器语言，这一机制叫Ahead-Of-Time (AOT）编译。在移除解释代码这一过程后，应用程序执行将更有效率，启动更快。

ART优点：

1、系统性能的显著提升。

2、应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。

3、更长的电池续航能力。
4、支持更低的硬件。
ART缺点：

1、更大的存储空间占用，可能会增加10%-20%。

2、更长的应用安装时间。
总的来说ART的功效就是“空间换时间”。