《Android开发精要》读书笔记——Android的系统架构

1. 概况

1.1 按照功能结构和面向人群进行划分

应用部分：包含在Android设备上运行的所有应用，它们是Android系统中直接面向用户的部分。

核心部分：Android系统中核心的功能实现，包括应用框架、核心类库等，每个Android应用的开发者，都是在此基础上进行应用开发的。

底层部分：主要指Android寄宿的linux操作系统及相关驱动。通常来说，只有硬件厂商和从事Android移植的开发者，才会基于此来进行开发。

1.2 实际架构模型层次

应用层

Android的应用都是基于java语言来开发的。但在很多应用（尤其是游戏）中，需要进行大规模的运算和图形处理，以及使用开源c/c++类库。因此在Android开发中，开发者可以使用c/c++来实现底层模块，并添加JNI(Java Native Interface)接口与上层java实现交互，然后利用Android提供的交叉编译工具生成类库并添加到应用中。

但在Android上，开发者通常只能使用c/c++编写功能类库，而不是整个应用。这是因为，诸如界面绘制、进程调度等核心机制是部署在框架层并通过java来实现的，应用只有按照它们规定的模式去编写特定的java模块和配置信息，才能被识别、加载和执行。

框架层

框架层由多个系统服务（System Service）共同组成，包括组件管理服务、窗口管理服务、地理信息服务、电源管理服务、通话管理服务，等等。所有服务都寄宿在系统核心进程（System Core Process）中，在运行时，每个服务都占据一个独立的线程，彼此通过进程间的通信机制（IPC）发送消息和传递数据。

应用层中的应用，时刻都在于这些系统服务打交道。每一次构造窗口、处理用户交互事件、绘制界面、获得当前地理信息、了解设备信息等操作，都是在各个系统服务的支持下实现的。

对于开发者而言，框架层最直观的体现就是SDK，它通过一系列的java功能模块，来实现应用所需的功能。

从系统设计的角度来看，Android期望框架层是所有应用运行的核心，参与到应用层的每一次操作中，并进行全局统筹。Android应用的最大特征是基于组件的设计方式。每个应用都由若干个组件构成，组件和组件之间并不会建立通信信道，而是通过框架层的系统服务，集中地调度和传递消息。这样的设计方式相当于增加了一个中间层，该层了解所有组件的状况，可以更只能地进行协调，从而提升了整个系统的灵活性。

运行时

和所有的Java程序运行平台一样，为了实现Java程序在运行阶段的二次编译，Android为它们提供了运行时（Runtime）的支撑。

Android的运行时由java核心类库和Java虚拟机Dalvik共同构成。

Java核心类库涵盖了Android框架层和应用程序所要用到的基础Java库，包括Java对象库、文件管理库、网络通信库，等等。

Dalvik是为Android量身打造的Java虚拟机，负责动态解析执行应用、分配空间、管理对象生命周期等工作。

如果说框架层是整个Android的大脑，决定了Android应用的设计特征，那么Dalvik就是Android的心脏，为Android的应用提供动力，决定了它们的执行效率。

核心类库

对于框架层而言，核心类库就是它的“贤内助”。每一次Android系统升级，能看到的都是框架层SDK的变迁，增加了新的功能，提供了新的接口。而在这些新功能的背后，核心类库都是居功至伟。

核心类库由一系列的二进制动态库共同构成，通常使用c/c++进行开发，与框架层的系统服务相比，核心类库不能独立运行于线程中，而需要被系统服务加载到其进程空间里，通过类库提供的JNI接口进行调用。

核心类库的来源主要有两种，一种是系统原生类库，Android为了提高框架层的执行效率，使用C/C++来实现它的一些性能关键模块，如：资源文件管理模块，基础算法库，等等。而另一种则是第三方类库，大部分都是对优秀开源项目的移植，它们是Android能够提供丰富功能的重要保障，如：Android的多媒体处理，依赖于开源项目OpenCORE的支持；浏览器空间的核心实现，是从Webkit移植而来；而数据库功能，则是得益于Sqlite。Android会为所有移植的第三方类库封装一层JNI接口，以供框架层调用。

为了帮助游戏和图形图像处理等领域的开发者搭建更高效的应用，Android将数学函数库、OpenGL库等核心类库以NDK的形式提供给开发者，开发者可以基于NDK更高效地构建算法，进行图形图像绘制。

硬件抽象层和linux内核

Android系统并不是从零开始设计的，而是搭建在Linux内核之上。

狭义的Android系统，主要指的是Linux内核以上的各层，从运行的角度来看，它们只是运行在linux系统上的一些进程，并不是完整的系统，离开了linux的支撑，就像鱼儿离开了水一样，无法运行。

Linux至于Android最大的价值，便是其强大的可移植性。Linux可以运行在各式各样的芯片架构和硬件环境下，而依托于它的Android系统，也便有了强大的可移植性。

2. Android的核心功能模块

了解Android的核心功能模块，可以帮助我们对它的能力有整体上的认识，进而在应用开发之前可以更好地评估技术上的可能性和风险性。

界面框架

数据本地存储

Android本地数据存储的最大特点是数据的私有化。

每个应用的配置信息和数据库文件等数据，都是其私有的，其他应用没有权限进行读写，从而保证了应用数据的安全性。

而对于如何将其数据分享给其他应用，一个策略是构造一个数据源组件，其他应用的组件可以通过数据源组件的接口访问它所提供的数据；而另一个常用的策略是将数据放入扩展存储设备（通常是SD卡等扩展存储卡）中，在该存储设备中的数据，可以被所有应用共同访问。

网络通信

在Android中，系统会负责底层网络的连接和管理，开发者可以直接通过HTTP或Socket与远端服务器建立连接，而不需要关心是通过GPRS/EDGE/3G/wifi建立的。

Android不仅支持点到端的连接，同样还支持点到点的蓝牙连接、NFC连接等。

地理信息

Android对于地理信息获取的支持十分强大，不仅可以基于GPS定位，还可以通过网络利用基站信息进行定位。

基站定位的精度要比GPS低一些，通常在数十米到数百米之间，但它的适应能力更强，只要有移动信号和网络连接，便可以进行定位，而不像GPS那样会受到周围建筑的影响。

图形和多媒体处理

Android的音视频处理主要依托于开源的OpenCORE项目，这是一个基于C/C++实现的音视频处理库，放在Android的核心类库层，可以进行多种格式文件的编解码及流媒体处理。

对于大多数图形处理的开发者而言，图形学知识和OpenGL的使用才是重点，具体的开发平台并不会成为他们的桎梏。

3. Android的架构特征和设计思想

平台的设计思想决定了整个平台的架构和功能设计。

平台开放性

在底层，Android假设在Linux之上。

在上层，Android为应用提供了很多能够增强兼容性的机制，比如：基于资源目录的应用资源体系，用于适配不同的屏幕。

基于组件的应用设计

Android的应用是高度组件化的，就像搭建积木，开发者需要依照Android规范，编写一个个独立的组件，然后通过配置文件对每个组件的需求和能力进行描述，Android系统会统一调度这些组件。

这就意味着，应用中的某一项功能，可能是由来自很多应用的若干组件共同完成的，各个Android应用，只有明确的组件边界，而不再有明确的进程边界和应用边界。

正是这种组件化的设计思想，衍生出了很多相关的设计，比如基于意图（Intent）的通信模式、进程托管、组件的生命周期，等等。

将这些设计单独独立出来看会让人感觉有些莫名其妙，但站在组件化的角度来思考，却都是合情合理。

对于开发者而言，需要充分理解基于组件化的应用设计模式，根据Android的机制，合理地管理应用中的数据，控制好对象的生命周期，并充分利用组件化带来的灵活性和可复用性。

参考：《Android开发精要》