Android 系统架构_android系统架构

1 Android 系统架构
Android 是谷歌开发的一款基于 Linux 内核的操作系统。系统架构分为五层，从下到上依次是Linux内核层、硬件抽象层、系统运行库层、应用框架层和应用层。

1.1 Linux 内核层（Linux Kernel）
Android 系统的核心系统服务基于 Linux 内核的，程序的安全性、网络协议、内存管理、进程管理、驱动程序都由 Linux 内核所提供。另外，Android Runtime（ART）就是依靠 Linux 内核来执行底层功能的，其中包括线程和低层内存管理。

Linux 内核层包括以下组件：

音频驱动（Audio Driver）：基于 ALSA（Advanced Linux sound architecture）的高级 Linux 声音体系驱动；
蓝牙驱动（Bluetooth Driver）：基于 IEEE802151 标准的无限传输技术；
Binder（IPC）Driver：Android 的一个特殊的驱动程序，具有单独的设备节点，提供进程间通信的功能；
照相机驱动（Camera Dirver）：常用的基于 Linux 的 V412（Video for Linux）驱动；
显示驱动（Display Driver）：基于 Linux 的帧缓冲（Frame Buffer）驱动；
Flash 内存驱动（Flash Memory Driver）：基于MTD 的 Flash 驱动程序区；
键盘驱动程序（KeyBoard Driver）：为输入设备提供支持；
电源管理（Power management）：对电池电量的监控；
USB 驱动（USB Driver）：提供 USB 设备的连接支持；
WIFI 驱动（WIFI Driver）：基于 IEEE802.|1 标准的驱动程序，可以链接无线网络；
1.2 硬件抽象层（HAL）
HAL（Hardware Abstract Layer）硬件抽象层，是 Google 开发的 Android 系统上层应用对底层硬件操作屏蔽的一个层次结构，简单来说就是，上层应用不需要关心底层硬件是如何工作的，只需要调用底层提供的统一接口即可。

其实，Android 系统完全可以没有 HAL 层，访问硬件可以通过调用 Linux 内核的标准函数来实现，但是，如何访问 Linux 内核就涉及到了技术专利和商业机密，厂商不想公开源代码，只愿提供二进制代码。而 Linux 内核采用了 GPL 协议，任何人都可以获取或者修改其源代码，因此 Google 在 Android 系统架构中增加了一个 HAL 层，不想公开的代码可以放在这个位置。

另外，HAL 提供标准界面，向更高级别的 Java API 框架显示设备硬件功能。 HAL 包含多个库模块，其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一个界面，例如，相机或蓝牙模块。当框架 API 要求访问设备硬件时，Android 系统将为该硬件组件加载库模块。

Hardware /ˈhɑːrdwer/（ 计算机）硬件；五金制品；装备，设备

abstract /ˈæbstrækt/ 抽象的，纯概念的；

layer /ˈleɪər/ 层；层次，等级；

GPL：GNU（操作系统）通用公共许可证，GPL 授权有以下特点：任何软件挂上 GPL 授权之后，即为自由软件，任何人可以获取、修改其源代码，经过修改后的源代码也要公开。

严格来说，Linux 只是一个操作系统内核，大部分 Linux 发行版都是由操作系统内核加上 GNU 的软件或者工具形成的完整的操作系统，也就是 GNU/Linux。GNU/Linux 是一种 Unix Like 操作系统。

1.3 Android Runtime
运行时库又分为核心库和ART（Android5.0 系统之后，Dalvik虚拟机被ART取代）。 核心库提供了Java语言核心库的大多数功能，包括 Java 8 语言功能，这样开发者可以使用Java语言来编写Android应用。

与JVM相比，Dalvik虚拟机（DVM）是专门为移动设备定制的，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。而替代DVM的ART的机制与DVM不同，DVM中的应用每次运行时，字节码都需要通过即时编译器（Just In Time，JIT）转换为机器码，这会使得应用的运行效率降低。而在ART中，系统在安装应用时会进行一次预编译（Ahead Of Time，AOT），将字节码预先编译程机器码并存储在本地，这样应用每次运行时就不需要执行编译了，运行效率也大大提高。

ART 执行的是 DEX文件。DEX 文件是专门为 Android 设计的字节码文件格式，使用的内存很少。

ART 主要的功能包括：

预先（AOT Ahead-of-time compiler）和即时（JIT Just-In-Time compiler）编译；
优化的垃圾回收（GC）；
在 Android 9（API 级别 28）以及更高的系统版本中，支持将应用软件包中的 Dalvik Executable格式（DEX）文件转换为更紧凑的机器代码；
更好的调试支持，包括专用采样分析器、详细的诊断异常和崩溃报告，并且能够设置观察点以监控特定字段；
compiler /kəmˈpaɪlər/ 编译器；[计] 编译程序；编辑者，汇编者

如果一个应用可以在 ART 中运行的效果很好，那么，它在 Dalvik 上运行的也很好，但反过来不一定。

1.4 原生 C/C++ 库
许多核心的 Android 系统组件和服务（例如 ART 和 HAL）构建自原生代码，需要用 C/C++ 编写的原生库。 Android 平台提供 Java 框架 API 向应用显示部分原生库的功能。例如，我们可以通过 Andorid 框架的 Java OpenGL API 访问 OpenGL ES，以支持在应用中绘制和操作 2D 和 3D 图形。

如果开发的是需要 C/C++ 代码的应用，可以使用 Andorid NDK 直接从原生代码访问某些原生平台库。

以下是主要的C/C++程序库：

OpenGL ES：3D绘图函数库
Libc： 从BSD继承来的标准C系统函数库，专门为基于嵌入式Linux的设备定制
Media Framework： 多媒体库，支持多种常用的音频、视频格式录制和回放
SQLite： 轻型的关系行数据库引擎
SGL： 底层的2D图形渲染引擎
SSL： 安全套阶层，是一种为网络通信提供安全以及数据完整的安全协议
FreeType： 可移植的字体引擎，它提供统一的接口来访问多种字体格式文件
1.5 应用框架层（Java API Framework）
应用框架层是为开发人员提供了开发应用程序所需要的 API， 我们平时开发应用程序都是调用着一层所提供的 API ，当然也包括系统应用。这一层是由Java代码编写的，可以称为Java Framework。

这些 API 是创建 Android 应用所需的构建块，它们可以简化核心、模块化系统组件和服务的重复使用，包括以下组件和服务：

丰富、可扩展的视图系统，可用于构建应用的 UI，包括列表、网格、文本框、按钮甚至可嵌入网络浏览器；
资源管理器，用于访问非代码资源，例如本地化的字符串、图形和布局文件；
通知管理器：可让所有应用在状态栏中显示自定义提醒；
Activity 管理器：用于管理应用的生命周期，提供常见的导航返回栈；
内容提供程序：可让应用访问其他应用（如，“联系人”应用）中的数据或者共享自己的数据；
以下是具体的系统功能：

Package Manager（包管理器）： 管理所有安装在Android系统中的应用程序
Activity Manager（活动管理器）： 管理各个应用程序生命周期，以及常用的导航回退功能
View System（视图系统）： 构建应用程序的基本组件
Window Manager（窗口管理器）： 管理所有开启的窗口程序
Resource Manager（资源管理器）： 提供应用程序使用的各种非代码资源，如本地化字符串、图片、布局文件、颜色文件等
Content Provider（内容提供器）： 使得不同应用程序之间可以共享数据
Location Manager（位置管理器）： 提供地理位置及定位功能服务
Notification Manager（资源管理器）： 使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息
Telephony Manager（电话管理器）： 管理所有移动设备功能
1.6 应用层（System Apps）
Android 随附一套用于电子邮件、短信、日历、互联网浏览和联系人等核心应用。平台随附的应用与用户选择安装的应用一样，没有特殊的状态。因此，第三方应用可成为用户的默认网络浏览器、短信 Messenger 甚至默认键盘（也有一些例外，例如系统的“设置”应用）。

系统内置的应用程序以及非系统级别的应用程序都属于应用层，负责与用户进行直接交互，通常都是用Java进行开发的。

系统应用可作为用户的应用，开发者也可以在自己的应用中访问其中的功能。例如，如果我们的应用要发送短信，我们无需构建该功能，直接就可以调用已经安装饿短信应用向制定的接收者发送消息。

2 计算机硬件系统和软件系统
一个计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成：

ROM（Read-Only Memory）：只读存储器，以非破坏性读出方式工作，只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM 所存的数据通常是装入整机前写入的， 整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM 所存的数据稳定，断电后所存的数据也不回改变，并且结构较简单，使用方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。

RAM（Random Access Memory）：随机存取存储器，也叫主存，是与 CPU 直接交换数据的内部存储器。它可以随时写入（刷新时除外），而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM 工作时可以随时从任何一个指定的地址写入（存入）或读出（读取）信息。它与 ROM 的最大区别是数据的易失性，即一旦断电所存储的数据将随之丢失。RAM 在计算机和数字系统中用来暂时存储程序、数据和中间结果。

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