iOS 操作系统架构

Mac OS 和 iOS 操作系统架构

做iOS开发已经半年多了，但是感觉对iOS开发的理解却还只停留在表面，昨天刚把两个项目结了，今天打算学了一下iOS系统的架构，以便于更好的理解和开发。

首先看一下Mac OS 和 iOS 系统架构的对比图：

从图上可以看出Mac OS和iOS的系统架构层次只有最上面一层不同，Mac是Cocoa框架，而iOS是Cocoa Touch框架，因此Mac OS开发和iOS开发是相似的。这里我只分析iOS的系统架构：

一、核心操作系统层（Core OS layer）:

Core OS是用FreeBSD和Mach所改写的Darwin, 是开源、符合POSIX标准的一个Unix核心。这一层包含或者说是提供了整个iPhone OS的一些基础功能，比如：硬件驱动, 内存管理，程序管理，线程管理（POSIX），文件系统，网络（BSD Socket）,以及标准输入输出等等，所有这些功能都会通过C语言的API来提供。另外，值得一题的是，这一层最具有UNIX色彩，如果你需要把 UNIX上所开发的程序移植到iPhone上，多半都会使用到Core OS的API.
     核心OS层的驱动也提供了硬件和系统框架之间的接口。然而，由于安全的考虑，只有有限的系统框架类能访问内核和驱动。
     iPhone OS提供了许多访问操作系统低层功能的接口集，iPhone 应用通过LibSystem库来访问这些功能，这些接口集如下所示：

线程（POSIX线程）；

网络（BSD sockets）；

文件系统访问；

标准I/O；

Bonjour和DNS服务；

现场信息（Locale Information）；

内存分配；

数学计算。

许多Core OS技术的头文件位于目录<iPhoneSDK>/usr/include/，iPhoneSDK是SDK的安装目录。

二、核心服务层（Core Services layer）：

Core Services在Core OS基础上提供了更为丰富的功能， 它包含了Foundation.Framework和Core Foundation.Framework,
之所以叫Foundation
,就是因为它提供了一系列处理字串，排列，组合，日历，时间等等的基本功能。Foundation是属于Objective-C的API，Core
Fundation是属于C的API。另外Core servieces还提供了其他的功能，比如：
    Security,
Core Location, SQLite, 和Address Book. 其中Security是用来处理认证，密码管理，按安全性管理的；
Core
Location是用来处理GPS定位的；SQLLite是轻量级的数据库，而AddressBook则用来处理电话薄资料的。下面是具体介绍: 
    （1）电话本
         电
话本框架（AddressBook.framework）提供了保存在手机设备中的电话本编程接口。开发者能使用该框架访问和修改存储在用户联系
人数据库里的记录。例如，一个聊天程序可以使用该框架获得可能的联系人列表，启动聊天的进程（Process），并在视图上显示这些联系人信息等。

    （2）核心基础框架

核心基础框架（CoreFoundation.framework）是基于C语言的接口集，提供iPhone应用的基本数据管理和服务功能。该框架 支持如下功能：

Collection数据类型（Arrays、 Sets等）；

Bundles；

字符串管理；

日期和时间管理；

原始数据块管理；

首选项管理；

URL和Stream操作；

线程和运行循环（Run Loops）；

端口和Socket通信。

核心基础框架与基础框架是紧密相关的，它们为相同的基本功能提供了Objective-C接口。如果开发者混合使用
Foundation Objects 和Core Foundation类型，就能充分利用存在两个框架中的"toll-free
bridging"。toll-free
bridging意味着开发者能使用这两个框架中的任何一个的核心基础和基础类型，例如Collection和字符串类型等。每个框架中的类和数据类型的
描述注明该对象是否支持toll-free bridged。如果是，它与哪个对象桥接（toll-free bridged）。

    （3）CFNetwork

CFNetwork框架（CFNetwork.framework）是一组高性能的C语言接口集，提供网络协议的面向对象的
抽象。开发者可以使用 CFNetwork框架操作协议栈，并且可以访问低层的结构如BSD
Sockets等。同时，开发者也能简化与FTP和HTTP服务器的通信，或解析DNS等任务。使用CFNetwork框架实现的任务如下所示：

BSD Sockets；

利用SSL或TLS创建加密连接；

解析DNS Hosts；

解析HTTP协议，鉴别HTTP和HTTPS服务器；

在FTP服务器工作；

发布、解析和浏览Bonjour服务。

    （4）核心位置框架（Core Location Framework）

核心位置框架（CoreLocation.framework）主要获得手机设备当前的经纬度，核心位置框架利用附近
的GPS、蜂窝基站或Wi-
Fi信号信息测量用户的当前位置。iPhone地图应用使用这个功能在地图上显示用户的当前位置。开发者能融合这个技术到自己的应用中，给用户提供一些位
置信息服务。例如可以提供一个服务：基于用户的当前位置，查找附近的餐馆、商店或设备等。

    （5）安全框架（Security Framework）

iPhone
OS除了内置的安全特性外，还提供了外部安全框架（Security.framework），从而确保应用数据的安全性。该框架提供了管理证书、公钥/私
钥对和信任策略等的接口。它支持产生加密安全的伪随机数，也支持保存在密钥链的证书和密钥。对于用户敏感的数据，它是安全的知识库（Secure
Repository）。CommonCrypto接口也支持对称加密、HMAC和数据摘要。在iPhone
OS里没有OpenSSL库，但是数据摘要提供的功能在本质上与OpenSSL库提供的功能是一致的。

    （6）SQLite

iPhone应用中可以嵌入一个小型SQL数据库SQLite，而不需要在远端运行另一个数据库服务器。开发者可以创建
本地数据库文件，并管理这些
文件中的表格和记录。数据库SQLite为通用的目的而设计，但仍可以优化为快速访问数据库记录。访问数据库SQLite的头文件位
于<iPhoneSDK>/usr/include/sqlite3.h，其中<iPhoneSDK>是SDK安装的目标路径。

    （7）支持XML

基础框架提供NSXMLParser类，解析XML文档元素。libXML2库提供操作XML内容的功能，这个开放源代
码的库可以快速解析和编辑
XML数据，并且转换XML内容到HTML。访问libXML2库的头文件位于目录<iPhoneSDK>/usr/include
/libxml2/，其中<iPhoneSDK>是SDK安装的目标目录。

三、媒体层（Media layer）:

如同其名，Media层提供了图片，音乐，影片等多媒体功能。图像分为2D图像和3D图像，
前者由Quartz2D来支持，后者则是用OpenglES.与音乐对应的模组是Core Audio和OpenAL, Media Player
实现了影片的播放， 而最后还提供了Core Animation来对强大动画的支持。具体介绍如下:

（1）图像技术（Graphics Technologies）

高质量图像是所有iPhone应用的一个重要的组成部分。任何时候，开发者可以采用UIKit
框架中已有的视图和功能以及预定义的图像来开发iPhone应用。然而，当UIKit
框架中的视图和功能不能满足需求时，开发者可以应用下面描述的技术和方法来制作视图。

① Quartz。核心图像框架（CoreGraphics.framework）包含了Quartz
2D画图API，Quartz与在Mac
OS中采用的矢量图画引擎是一样先进的。Quartz支持基于路径（Path-based）画图、抗混淆（Anti-aliased）重载、梯度
（Gradients）、图像（Images）、颜色（Colors）、坐标空间转换（Coordinate-space
Transformations）、pdf文档创建、显示和解析。虽然API是基于C语言的，它采用基于对象的抽象表征基础画图对象，使得图像内容易于保
存和复用。

② 核心动画（Core
Animation）。Quartz核心框架（QuartzCore.framework）包含CoreAnimation接口，Core
Animation是一种高级动画和合成技术，它用优化的重载路径（Rendering
Path）实现复杂的动画和虚拟效果。它用一种高层的Objective-C接口配置动画和效果，然后重载在硬件上获得较好的性能。Core
Animation集成到iPhone OS
的许多部分，包括UIKit类如UIView，提供许多标准系统行为的动画。开发者也能利用这个框架中的Objective-C接口创建客户化的动画。

③ OpenGL ES。OpenGL ES框架（OpenGLES.framework）符合OpenGL ES
v1.1规范，它提供了一种绘画2D和3D内容的工具。OpenGL ES
框架是基于Ｃ语言的框架，与硬件设备紧密相关，为全屏游戏类应用提供高帧率（high frame
rates）。开发者总是要使用OpenGL框架的EAGL接口，EAGL接口是OpenGL ES框架的一部分，它提供了应用的OpenGL
ES画图代码和本地窗口对象的接口。

      （2）音频技术（Audio Technologies）

iPhone OS的音频技术为用户提供了丰富的音频体验。它包括音频回放，高质量的录音和触发设备的振动功能等。

iPhone OS的音频技术支持如下音频格式：AAC、Apple Lossless（ALAC）、A-law、IMA/ADPCM（IMA4）、Linear PCM、μ-law和Core Audio等。

① 核心音频（Core Audio Family）。核心音频框架家族（Core Audio family of
frameworks）提供了音频的本地支持，如表16-1所示。Core Audio是一个基于C语言的接口，并支持立体声（Stereo
Audio）。开发能采用iPhone OS 的Core Audio框架在iPhone
应用中产生、录制、混合和播放音频。开发者也能通过核心音频访问手机设备的振动功能。

核心音频框架:

框架（Framework）	服务（Service）
CoreAudio.framework	定义核心音频的音频数据类型
AudioUnit.framework	提供音频和流媒体文件的 回放和录制，并且管理音 频文件和播放提示声音
AudioToolbox.framework	提供使用内置音频单元服务， 音频处理模块

② OpenAL。iPhone OS 也支持开放音频库（Open Audio Library，
OpenAL）。OpenAL是一个跨平台的标准，它能传递位置音频（Positional
Audio）。开发者能应用OpenAL在需要位置音频输出的游戏或其他应用中实现高性能、高质量的音频。

由于OpenAL是一个跨平台的标准，采用OpenAL的代码模块可以平滑地移植到其他平台。

       （3）视频技术（Video Technologies）

iPhone OS通过媒体播放框架（MediaPlayer.framework）支持全屏视频回放。媒体播放框架支持的视频文件格式包括.mov, .mp4,.m4v和.3gp，并应用如下压缩标准：

① H.264 Baseline Profile Level 3.0 video，在30 f/s 的情况下分辨率达到640×480像素。注意：不支持B frames；

② MPEG4规范的视频部分；

③ 众多的音频格式，包含在音频技术的列表里，如AAC、Apple Lossless （ALAC）、A-law、IMA/ADPCM（IMA4）、线性PCM、μ-law和Core Audio等。

四、可触摸层（Cocoa Touch layer）：

最上面一层是Cocoa Touch，它是Objective-C的API,
其中最核心的部分是UIKit.Framework,应用程序界面上的各种组件，全是由它来提供呈现的，除此之外它还负责处理屏幕上的多点触摸事件，文字
的输出，图片,网页的显示，相机或文件的存取，以及加速感应的部分等。具体介绍如下:

（1）UIKit框架

UIKit框架（UIKit.framework）包含Objective-C程序接口，提供实现图形，事件驱动的iPhone应用的关键架构。 iPhone OS中的每一个应用采用这个框架实现如下核心功能：

应用管理；

支持图形和窗口；

支持触摸事件处理；

用户接口管理；

提供用来表征标准系统视图和控件的对象；

支持文本和Web内容；

通过URL scheme与其他应用的集成。

为提供基础性代码建立应用，UIKit也支持一些与设备相关的特殊功能，如下所示：

加速计数据；

内建Camera；

用户图片库；

设备名称和模式信息。

      （2）基础框架（Foundation Framework）

基础框架（Foundation.framework）支持如下功能：

Collection数据类型（包括Arrays、Sets）；

Bundles；

字符串管理；

日期和时间管理；

原始数据块管理；

首选项管理；

线程和循环；

URL和Stream处理；

Bonjour；

通信端口管理；

国际化。

      （3）电话本UI框架（Address Book UI Framework）

电
话本UI框架（AddressBookUI.framework）是一个Objective-C标准程序接口，主要用来创建新联系人，编辑和选择
电话本中存在的联系人。它简化了在iPhone应用中显示联系人信息，并确保所有应用使用相同的程序接口，保证应用在不同平台的一致性。

总结:

当我们要开发iPhone程序的时候，首先要现从上层入手，优先使用Objective-C封装后的库，也就是通过
UIKit.framework搭配Foundation.framework来进行开发，而当面对一些比较复杂的功能时，像是多媒体的处理或是绘图，再
往下层去找寻相关的framwork开完成。

1.iOS基于UNIX系统，因此从系统的稳定性上来说它要比其他操作系统的产品好很多

2.iOS的系统架构分为四层，由上到下一次为：可触摸层（Cocoa Touch layer）、媒体层（Media layer）、核心服务层（Core Services layer）、核心操作系统层（Core OS layer）如图：

(1)触摸层：为应用程序开发提供了各种常用的框架并且大部分框架与界面有关，本质上来说它负责用户在iOS设备上的触摸交互操作。它包括以下这些组件：

Multi-Touch Events  Core Motion   Camera

View Hierarchy   Localization   Alerts

Web Views     Image Picker   Multi-Touch Controls

(2)媒体层：通过它我们可以在应用程序中使用各种媒体文件，进行音频与视频的录制，图形的绘制，以及制作基础的动画效果。它包括以下这些组件：

Core Audio     OpenGL    Audio Mixing

Audio Recording   Video Playback   JPG，PNG，TIFF

PDF     Quartz    Core Animation 

OpenGL ES

(3)核心服务层：我们可以通过它来访问iOS的一些服务。它包括以下这些组件：

Collections     Address Book   Networking

File Access     SQLite    Core Location

Net Services    Threading    Preferences

URL Utilities

(4)核心操作系统层包括：内存管理、文件系统、电源管理以及一些其他的操作系统任务。它可以直接和硬件设备进行交互。核心操作系统层包括以下这些组件：

OS X Kernel    Mach 3.0    BSD

Sockets     Power Mgmt  File System

Keychain     Certificates   Security

Bonjour

3.Cocoa Touch简介

(1)在最上层Cocoa Touch层中的很多技术都是基于Objective-C语言的。Objective-C语言为iOS提供了集合、文件管理、网络操作等支持。比如UIKit框架，它为应用程序提供了各种可视化组件，比如像窗口（Window）、视图（View）和按钮组件（UIButton）。Cocoa Touch层中的其他框架，对我们在应用程序中的开发来说也是非常有用的，如访问用户通信录功能框架、获取照片信息功能的框架、负责加速感应器和三维陀螺仪等硬件支持的框架。

4.应用程序的框架

应用程序项目都是从Cocoa Touch层开始的，具体来说就是从UIKit Framework开始的。当在编写程序的过程中需要用到一些特殊功能的时候，我们应该从框架的最顶端技术开始寻找相应的框架，只有在上层结构无法解决 时，才能使用其下层的技术。其实，顶层的框架已经涵盖了我们绝大多数需要的功能。

　　　　　　　　　　　　          常用的iOS SDK框架：

框架名称	功    能
AddressBook.framework	提供访问存储核心数据库中用户联系人信息的功能
AddressBookUI.framework	提供一个用户界面，用于显示存储在地址簿中的联系人信息
AudioToolbox.framework	提供音频录制和回放的底层API，同时也负责管理音频硬件
AudioUnit.framework	提供一个接口，让我们的应用程序可以对音频进行处理
AVFoundation.framework	提供音频录制和回放的底层API，同时也负责管理音频硬件
CFNetwork.framework	访问和配置网络，像HTTP、FTP和Bonjour Services
CoreFoundation.framework	提供抽象的常用数据类型，如 Unicode strings、XML、URL等
CoreGraphics.framework	提供2D绘制的基于C的API

　　　　　　　　　　　　　　　　 续表：

框架名称	功    能
CoreLocation.framework	使用GPS和Wi-Fi获取位置信息
Foundation.framework	提供Object-C的基础类（像NSObject）、 基本数据类型和操作系统服务等
GameKit.framework	为游戏提供网络功能；点对点互联和游戏中的语音交流
MapKit.framework	为应用程序提供内嵌地图的接口
MediaPlayer.framework	提供播放视频和音频的功能
MessageUI.framework	提供视图控制接口用以处理E-mail和短信
OpenGLES.framework	提供简洁而高效的绘制2D和3D图形的OpenGL API子集
QuartzCore.framework	提供动画特效以及通过硬件进行渲染的能力
StoreKit.framework	为应用程序提供在程序运行中消费的支持
SystemConfiguration.framework	检测当前网络是否可用和硬件设备状态的能力
UIKit.framework	创建和管理应用程序的用户界面