Android的系统框架的深入认识
Android采用层次化系统架构,官方公布的标准架构如下图所示。Android由底层往上分为4个主要功能层,分别是linux内核层(Linux Kernel),系统运行时库层(Libraries和Android Runtime),应用程序架构层(Application Framework)和应用程序层(Applications)。
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将会增添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。
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 Ma nagement) | 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) | 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。
1. 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 |
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。
2. 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)。
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。
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