学习笔记1-深入理解Android内核设计思想

4.1 计算机体系结构（Computer Architecture）

4.1.1 冯·诺依曼结构

两个深远影响的观点：

• 采用二进制，抛弃十进制

• 程序存储（stored-program）

4.1.2 哈佛结构

对冯诺依曼结构的改进与完善，区别在指令与数据并不保存在同一个存储器。

这意味着：

• 指令与数据可以有不同的的数据宽度；

• 执行速度更快。

计算机结构的基本元素：

• 中央处理器（CPU）

• 内存储器

• I/O设备

4.2 什么是操作系统

定义：

计算机操作系统是负责管理系统硬件，并为上层应用提供稳定编程接口和人机交互界面的软件集合。

最核心的工作：硬件管理与抽象。

肩负两大重任：

• 面向下层：管理硬件（CPU、内存、Flash、各种IO设备）

• 面向上层：一方面，为用户提供可用的人机交互界面；另一方面，负责为第三方程序的研发提供便捷、可靠、高效的API。

操作系统的难点：进程和内存管理、硬件驱动的支持等，这正是Linux的长处所在。

4.3 进程间通信的经典实现

进程间的通信（Inter-process communication，IPC）是指运行在不同进程（不论是否在同一台机器）中的若干线程间的数据交换。

实现方式：消息传递、管道、文件共享、操作系统提供的公共信息机制等等。

4.3.1 共享内存（Shared Memory）

一种常用的IPC机制，优势：共享内存区域，减少数据的复制操作，速度快。

实现步骤：

• 创建内存共享区

• 映射内存共享区

• 访问内存共享区

• 进程间通信

• 撤销内存映射区

• 删除内存共享区

4.3.2 管道（Pipe）

一种常见的IPC方式

• 分立管道的两边，进行数据的传输通信

• 管道是单向的

• 一根管道同时具有“读取”端（read end）和“写入”端（write end）

• 管道有容量限制

4.3.3 UNIX Domain Socket(UDS)

专门针对单机内的进程间通信，有时称为IPC Socket。

Network Socket是以TCP/IP协议栈为基础，UDS因为是本地内的“安全可靠操作”，实现机制上并不依赖于这些协议。

典型流程：

UDS的基本流程与传统Socket一致，只是在参数上有区分：

• 服务器端监听IPC请求；

• 客户端发起IPC申请；

• 双方成功建立起IPC连接；

• 客户端向服务端发送数据，证明IPC通信是有效的

4.3.4 Remote Procedure Calls(RPC)

涉及的通信双方通常运行于两台不同的机器中。

4.4 同步机制的经典实现

同步：如果多个进程间存在时序关系，需要协同工作以完成一项任务

互斥：如果多个进程并不满足协同的条件，而只是因为共享具有排他性的资源时所产生的关系。

4.4.1 信号量(Semaphore)

涉及的元素：信号量（S）、PV原语操作（有时称wait()、signal()）。

S：共享资源的可用数量

P: 减少S的计数（进入共享区的操作）

V：增加S的计数（退出共享区的操作）

4.4.2 Mutex

是Mutual Exclusion的缩写，即互斥体

4.4.3 管程（Monitor）

一种控制更为简单的同步手段。

可以被多个进程/线程安全访问的对象（object）或模块（module)。

具备安全性、互斥性、共享性。

4.4.4 Linux Futex

核心优势是Fast。

4.4.5 同步范例

生产者与消费者问题：

两个进程共享一块大小为N的缓冲区，其中一个进程负责填充数据（生产者），另一个进程负责读取数据（消费者）。

问题的核心有两点：

• 当缓冲区满时，禁止生产者继续添加数据，直到消费者读取了部分数据；

• 当缓冲区空时，消费者应等待对方继续生产后再执行操作。

解决方式：信用量，用到3个Semaphore，功能如下：

• S_emptyCount: 用于生产者获取可用的的缓冲空间大小，初始N

• S_fillCount: 用于消费者获取可用的数据大小，初始为0

• S_mutex: 用于操作缓冲区，初始为1

生产者的执行步骤：

• 循环开始；

• Produce_item;

• P(S_emptyCount)

• P(S_mutex)

• Put_item_to_buffer

• V(S_mutex)

• V(S_fillCount)

• 继续循环

消费者的执行步骤：

• 循环开始

• P(S_fillCount)

• P(S_mutex)

• Read_item_from_buffer

• V(S_mutex)

• V(S_emptyCount)

• Consume

• 继续循环

4.5 Android中的同步机制

4.5.1 进程间同步 - Mutex

头文件：frameworks/native/include/utils/Mutex.h

既可以处理进程内同步、又可以解决进程间同步。

4.5.2 条件判断 - Condition

头文件：frameworks/native/include/utils/Condition.h

核心思想：判断“条件是否已经满足”，如果满足则马上返回，继续执行未完成的动作，否则就进行休眠等待，直到条件满足时有人唤醒它。

4.5.3 “栅栏、障碍” - Barrier

头文件：frameworks/native/services/surfaceflinger/Barrier.h

Barrier是填充了“具体条件”的Condition，专门为SurfaceFlinger而设计。

通常被用于对某线程是否初始化完成进行判断，这种场景具有不可逆性。

4.5.4 加解锁的自动化操作 - Autolock

在Mutex类内部的嵌套类Autolock，实现加、解锁的自动化操作。

当Auto构造时，会主动调用内部成员变量mLock的lock()方法获取一个锁。

而析构时正好相反，调用它的unlock()方法释放锁。

4.5.5 读写锁 - ReaderWriterMutex

基础仍是mutex，特点是 允许有多个对象共享Read锁，但同时却只能有唯一一个对象拥有Write锁。

4.6 操作系统内存管理基础

内存管理是操作系统的重点和难点

内存管理重点理解几个核心：虚拟内存、内存分配与回收、内存保存。

4.6.1 虚拟内存（Virtual Memory）

虚拟内存：为大体积程序的运行提供了可能。

基本思想：

• 将外存储器的部分空间作为内存的扩展

• 当内存资源不足时，系统将按照一定算法自动挑选优先级低的数据块，并把它们存储到硬盘中。

• 后续如果需要用到硬盘中的这些数据块，系统将产生“缺页”指令，然后把它们交换回内存中。

• 这些操作是由操作系统内部内核自动完成，对上层应用“完全透明”。

涉及3种不同的地址空间：

1、逻辑地址

是程序编译后所产生的地址，Segment Selector(段选择子， 16bit) + Offset (偏移值，32bit)

2、线性地址

是逻辑地址经过分段机制转换后形成的

3、物理地址

是指机器真实的物理内存所能表示的地址空间范围，64KB内存的物理地址范围是 0x0000 - 0xFFFF

4.6.2 内存保护（Memory Protection）

4.6.3 内存分配与回收

分Native层（C/C++）、Java层

4.6.4 进程间通信 - mmap

IPC方式: 通过映射同一块物理内存来共享内存，减少数据复制次数，提高效率。

mmap可以将某个设备或者文件映射到应用进程的内存空间中，这样访问这块内存就相当于对设备/文件进行读写，而不需要通过read()、write()。

4.6.5 写时拷贝技术（Copy on Write）

基本思想：多个对象在起始时共享某些资源（如代码段、数据段），直到某个对象需要修改该资源才拥有自己的一份拷贝。

4.7 Android中的Low Memory Killer

Linux底层内核的内存监控机制：OOMKiller，核心思想：按照优先级顺序，从低到高逐步杀掉进程，回收内存。

优先级的设定策略需综合以下几个因素：

• 进程消耗的内存

• 进程占用的CPU时间

• oom_adj(OOM权重)

Android扩展出自己的内存监控体系，Linux的“内存杀手”要等到系统资源“濒临绝境”的情况下才产生效果，而Android则实现了“不同梯级”的Killer（Low Memory Killer（LMK））。

LMK的源码在内核工程的driver/staging/android/Lowmemorykiller.c中。

4.8 Android匿名共享内存（Anonymous Shared Memory）

Anonymous Shared Memory(简称Ashmem)是Android特有的内存共享机制，可以将制定的物理内存分别映射到各个进程自己的虚拟地址空间中，从而便捷地实现进程间的内存共享。

应用实例：基于ashmem设备来实现跨进程内存共享，如MemoryDealer。

匿名共享内存涉及设备驱动、Binder原理等一系列技术，比较难理解，等学习相关基础知识，再来攻克。

4.9 JNI

JNI(Java Native Interface)是一种允许运行于JVM的Java程序去调用（反向亦然）本地代码的编程框架。

有3种情况需要用到JNI：

• 应用程序需要一些平台相关的feature的支持，而Java无法满足

• 兼容以前的用其他语言书写的代码库

• 应用程序的某些关键操作对运行速度要求较高。

JNI涉及以下两方面：

• Java Code -> Native Code

• Native Code -> Java Code

4.9.1 Java函数的本地实现

创建一个可供Java代码调用的本地函数步骤：

• 将需要本地实现的Java方法加上native声明；

• 使用javac命令编译Java类

• 使用javah生成.h头文件

• 在本地代码中实现native方法

• 编译上述的本地方法，生成动态链接库

• 在Java类中加载这一动态链接库

• Java代码中其他地方可以正常调用这个native方法

4.9.2 本地代码访问JVM

上节内容的“逆向”操作，本地层（C/C++）访问JVM空间（Java）。

4.10 Java中的反射机制

4.11 学习Android系统的两条线索

主线：操作系统的体系结构、硬件组成

辅线：在主线的基础上，以Android系统的5层框架为辅，逐一解析各层框架中的重要元素，或拾级而上，或深入浅出，直到问题的最根源处。