android系统架构解析

Linux内核层

Android以Linux操作系统内核为基础，借助Linux内核服务实现硬件设备驱动，进程和内存管理，网络协议栈，电源管理，无线通信等核心功能。Android4.0版本之前基于Linux2.6系列内核，4.0及之后的版本使用更新的Linux3.X内核，并且两个开源项目开始有了互通。Linux3.3内核中正式包括一些Android代码，可以直接引导进入Android。Linux3.4增添了电源管理等更多功能，以增加与Android的硬件兼容性，使Android在更多设备上得到支持。直到现在最新的android6.0仍然继续延用着linux3.4.0，而linux最新的版本已经到了4.3系列，那么为什么android没有继续去更新Linux kernel的版本也是一个值得探讨的课题。

Android内核 对Linux内核进行了增强，增加了一些面向移动计算的特有功能。例如，低内存管理器LMK（Low Memory Keller），匿名共享内存（Ashmem）,以及轻量级的进程间通信Binder机制等。这些内核的增强使Android在继承Linux内核安全机制的同时，进一步提升了内存管理，进程间通信等方面的安全性。下表列举了Android内核的主要驱动模块：

驱动名称	说明
Android电源管理（Power Management）	针对嵌入式设备的，基于标准Linux电源管理系统的，轻量级的电源管理驱动
低内存管理器（Low Memory Keller）	低内存管理器（Low Memory Keller） 可以根据需要杀死进程来释放需要的内存。扩展了Linux的OOM机制，形成独特的LMK机制
匿名共享内存（Ashmem）	为进程之间提供共享内存资源，同时为内核提供回收和管理内存的机制
日志（Android Logger）	一个轻量级的日志设备
定时器（Anroid Alarm）	提供了一个定时器用于把设备从睡眠状态唤醒
物理内存映射管理（Android PMEM）	DSP及其他设备只能工作在连续的物理内存上，PMEM用于向用户空间提供 连续的物理内存区域映射
Android定时设备（Android Timed device）	可以执行对设备的定时控制功能
Yaffs2文件系统	Android采用大容量的NAND闪存作为存储设备，使用Yaffs2作为文件系统管理大容量MTD NAND Flash；Yaffs2占用内存小，垃圾回收简洁迅速。
Android Paranoid网络	对Linux内核的网络代码进行了改动，增加了网络认证机制。可在IPV4，IPV6和蓝牙中设置，由ANDROID_PARANOID_NETWORK宏来启用此特性。

硬件抽象层

内核驱动和用户软件之间还存在所谓的硬件抽象层（Hardware Abstract Layer,HAL），它是对硬件设备的具体实现加以抽象。HAL没有在Android官方系统架构图中标明，下图标出了硬件抽象层在android系统中的位置：



鉴于许多硬件设备厂商不希望公开其设备驱动的源代码，如果能将android的应用框架层与linux系统内核的设备驱动隔离，使应用程序框架的开发尽量独立于具体的驱动程序，则android将减少对Linux内核的依赖。HAL由此而生，它是对Linux内核驱动程序进行的封装，将硬件抽象化，屏蔽掉了底层的实现细节。HAL规定了一套应用层对硬件层读写和配置的统一接口，本质上就是将硬件的驱动分为用户空间和内核空间两个层面；Linux内核驱动程序运行于内核空间，硬件抽象层运行于用户空间。

系统运行库层

官方的系统架构图中，位于Linux内核层之上的系统运行库层是应用程序框架的支撑，为Android系统中的各个组件提供服务。系统运行库层由系统类库和Android运行时构成。

系统类库

系统类库大部分由C/C++编写，所提供的功能通过Android应用程序框架为开发者所使用。主要的系统类库及说明如下表：

系统类库名称	说明
Surface Manager	执行多个应用程序时，管理子系统的显示，另外也对2D和3D图形提供支持
Media Framework	基于PacketVideoOpenCore的多媒体库，支持多种常用的音频和视频格式的录制和回放，所支持的编码格式包括MPEG4，MP3，H264，AAC，ARM
SQLite	本地小型关系数据库，Android提供了一些新的SQLite数据库API，以替代传统的耗费资源的JDBC API
OpenGL|ES	基于OpenGL ES 1.0API标准实现的3D跨平台图形库
FreeType	用于显示位图和矢量字体
WebKit	Web浏览器的软件引擎
SGL	底层的2D图形引擎
Libc（bionic l ibc）	继承自BSD的C函数库bionic libc，更适合基于嵌入式Linux的移动设备
SSL	安全套接层，是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议

以上的很多类库，例如SQlite,WebKit,SSL都在会在日常开发中有用到。（todo:之后楼主会对于其中常用的几个类库去专门做研究和学习，并且输出对应的博客）

除上表列举的主要系统类库之外，Android NDK（Native Development Kit），即Android原生库，也十分重要。NDK为开发者提供了直接使用Android系统资源，并采用C或C++语言编写程序的接口。因此，第三方应用程序可以不依赖于Dalvik虚拟机进行开发。实际上，NDK提供了一系列从C或C++生成原生代码所需要的工具，为开发者快速开发C或C++的动态库提供方便，并能自动将生成的动态库和Java应用程序一起打包成应用程序包文件，即.apk文件。

注意，使用原生库无法访问应用框架层API，兼容性可能无法保障。而且从安全性角度考虑，Android原生库用非类型安全的程序语言C,C++编写，更容易产生安全漏洞，原生库的缺陷（bug）也可能更容易直接影响应用程序的安全性。

运行时

Android运行时包含核心库和Dalvik虚拟机两部分。

核心库：核心库提供了Java5 se API的多数功能，并提供Android的核心API，如android.os，android.net，android.media等。

Dalvik虚拟机：Dalvik虚拟机是基于apache的java虚拟机，并被改进以适应低内存，低处理器速度的移动设备环境。Dalvik虚拟机依赖于Linux内核，实现进程隔离与线程调试管理，安全和异常管理，垃圾回收等重要功能。

本质而言，Dalvik虚拟机并非传统意义上的java虚拟机（JVM）。Dalvik虚拟机不仅不按照Java虚拟机的规范来实现，而且两者不兼容。

Dalvik和标准Java虚拟机有以下主要区别：

Dalvik基于寄存器，而JVM基于栈。一般认为，基于寄存器的实现虽然更多依赖于具体的CPU结构，硬件通用性稍差，但其使用等长指令，在效率速度上较传统JVM更有优势。

Dalvik经过优化，允许在有限的内存中同时高效地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，都拥有一个独立的Dalvik虚拟机实例。Android这种基于Linux的进程“沙箱”机制，是整个安全设计的基础之一。

Dalvik虚拟机从DEX（Dalvik Executable）格式的文件中读取指令与数据，进行解释运行。DEX文件由传统的，编译产生的CLASS文件，经dx工具软件处理后生成。

Dalvik的DEX文件还可以进一步优化，提高运行性能。通常，OEM的应用程序可以在系统编译后，直接生成优化文件（.ODEX）； 第三方的应用程序则可在运行时在缓存中优化与保存，优化后的格式为DEY（.dey文件）。

这部分内容，即从android4.4开始就出现了ART（android
runtime），但是这个ART并不是指这一节的主题，而是一种用来代替Dalvik的新型运行环境。当然在4.4的正式环境中用的还是Dalvik，真正开始用ART取代Dalvik是从android5.0开始的。（todo:针对这个改动，楼主会专门另开一个篇幅的文章去探究ART和Dalvik之间的区别）

另外这一节中有提到NDK,相信对于开发者而言SDK和NDK都是必要要接触和了解的东西，那么先从下图来看看sdk和ndk的关系。



很显然地，ndk可以通过native code跨过使用dalvik runtime,直接调用到android内核资源，而sdk则需要在dalvik runtime环境下才能调用到内核资源。然而两者并不是各司其职，各不相关。android提供了JNI(java native interface)使两者可以进行相互调用和通信。

应用程序框架层

应用程序框架层提供开发Android应用程序所需的一系列类库，使开发人员可以进行快速的应用程序开发，方便重用组件，也可以通过继承实现个性化的扩展。具体包括的模块如表：

应用程序框架层类库名称	功能
活动管理器（Activity Mananger）	管理各个应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能，为所有程序的窗口提供交互的接口
窗口管理器（Window Manager）	对所有开启的窗口程序进行管理
内容提供器（Content Provider）	提供一个应用程序访问另一个应用程序数据的功能，或者实现应用程序之间的数据共享
视图系统（View System）	创建应用程序的基本组件，包括列表（lists），网格（grids），文本框（text boxes），按钮（buttons），还有可嵌入的web浏览器。
通知管理器（Notification Manager）	使应用程序可以在状态栏中显示自定义的客户提示信息
包管理器（Package Manager）	对应用程序进行管理，提供的功能诸如安装应用程序，卸载应用程序，查询相关权限信息等。
资源管理器（Resource Manager）	提供各种非代码资源供应用程序使用，如本地化字符串，图片，音频等
位置管理器（Location Manager）	提供位置服务
电话管理器（Telephony Manager）	管理所有的移动设备功能
XMPP服务	是Google在线即时交流软件中一个通用的进程，提供后台推送服务

应用层

Android平台的应用层上包括各类与用户直接交互的应用程序，或由java语言编写的运行于后台的服务程序。例如，智能手机上实现的常见基本功能 程序，诸如SMS短信，电话拨号，图片浏览器，日历，游戏，地图，web浏览器等程序，以及开发人员开发的其他应用程序。