Android开篇(转)
转自:http://gityuan.com/android/
一、简述
Android系统非常庞大、错中复杂,其底层是采用Linux作为基底,上层采用包含虚拟机的Java层以及Native层,通过系统调用(Syscall)连通系统的内核空间与用户空间。用户空间主要采用C++和Java代码,通过JNI技术打通用户空间的Java层和Native层(C++/C),从而融为一体。
Google官方提供了一张经典的四层架构图,从下往上依次分为Linux内核、系统库和Android运行时环境、框架层以及应用层这4层架构,其中每一层都包含大量的子模块或子系统。这只是如垒砖般地分层,并没有表达Android整个系统的内部架构、运行机理,以及各个模块之间是如何衔接与配合工作的。为了更深入地掌握Android整个架构思想以及各个模块在Android系统所处的地位与价值,计划以Android系统启动过程为主线,以进程的视角来诠释Android M系统全貌,全方位的深度剖析各个模块功能,争取各个击破。这样才能犹如庖丁解牛,解决、分析问题则能游刃有余。
二、Android架构
Google提供的4层架构图很经典,但为了更进一步透视Android系统架构,本文更多的是以进程的视角,以分层的架构来诠释Android系统的全貌,阐述Android内部的环环相扣的内在联系。
系统启动架构图
点击查看大图
图解: Android系统启动过程由上图从下往上的一个过程:Loader
-> Kernel
-> Native
->Framework
-> App
,接来下简要说说每个过程:
2.1 Loader层
- Boot ROM: 当手机处于关机状态时,长按Power键开机,引导芯片开始从固化在
ROM
里的预设出代码开始执行,然后加载引导程序到RAM
; - Boot Loader:这是启动Android系统之前的引导程序,主要是检查RAM,初始化硬件参数等功能。
2.2 Kernel层
Kernel层是指Android内核层,到这里才刚刚开始进入Android系统。
- 启动Kernel的0号进程:初始化进程管理、内存管理,加载Display,Camera Driver,Binder Driver等相关工作;
- 启动kthreadd进程(pid=2):是Linux系统的内核进程,会创建内核工作线程kworkder,软中断线程ksoftirqd,thermal等内核守护进程。
kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖
。
2.3 Native层
这里的Native层主要包括init孵化来的用户空间的守护进程、HAL层以及开机动画等。启动init进程(pid=1),是Linux系统的用户进程,init进程是所有用户进程的鼻祖
。
- init进程会孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程;
- init进程还启动
servicemanager
(binder服务管家)、bootanim
(开机动画)等重要服务 - init进程孵化出Zygote进程,Zygote进程是Android系统的第一个Java进程,
Zygote是所有Java进程的父进程
,Zygote进程本身是由init进程孵化而来的。
2.4 Framework层
- Zygote进程,是由init进程通过解析init.rc文件后fork生成的,Zygote进程主要包含:
- 加载ZygoteInit类,注册Zygote Socket服务端套接字;
- 加载虚拟机;
- preloadClasses;
- preloadResouces。
- System Server进程,是由Zygote进程fork而来,
System Server是Zygote孵化的第一个进程
,System Server负责启动和管理整个Java framework,包含ActivityManager,PowerManager等服务。 - Media Server进程,是由init进程fork而来,负责启动和管理整个C++ framework,包含AudioFlinger,Camera Service,等服务。
2.5 App层
- Zygote进程孵化出的第一个App进程是Launcher,这是用户看到的桌面App;
- Zygote进程还会创建Browser,Phone,Email等App进程,每个App至少运行在一个进程上。
- 所有的App进程都是由Zygote进程fork生成的。
2.6 Syscall && JNI
- Native与Kernel之间有一层系统调用(SysCall)层,见Linux系统调用(Syscall)原理;
- Java层与Native(C/C++)层之间的纽带JNI,见Android JNI原理分析。
另外,对于Android整个系统架构,关于学习和研究Android的经验之谈,可以查看 如何自学Android
三、通信方式
无论是Android系统,还是各种Linux衍生系统,各个组件、模块往往运行在各种不同的进程和线程内,这里就必然涉及进程/线程之间的通信。对于IPC(Inter-Process Communication, 进程间通信),Linux现有管道、消息队列、共享内存、套接字、信号量、信号这些IPC机制,Android额外还有Binder IPC机制,Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket机制,在上层system server、media server以及上层App之间更多的是采用Binder IPC方式来完成跨进程间的通信。对于Android上层架构中,还多时候是在同一个进程的线程之间需要相互通信,例如同一个进程的主线程与工作线程之间的通信,往往采用的Handler消息机制。
想深入理解Android内核层架构,必须先深入理解Linux现有的IPC机制;对于Android上层架构,则最常用的通信方式是Binder、Socket、Handler,当然也有少量其他的IPC方式,比如杀进程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面说说Binder、Socket、Handler:
3.1 Binder
Binder作为Android系统提供的一种IPC机制,无论从系统开发还是应用开发,都是Android系统中最重要的组成,也是最难理解的一块知识点,想了解为什么Android要采用Binder作为IPC机制? 可查看我在知乎上的回答。深入了解Binder机制,最好的方法便是阅读源码,借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾说过的一句话:Read The Fucking Source Code。下面简要说说Binder IPC原理。
Binder IPC原理
Binder通信采用c/s架构,从组件视角来说,包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动,其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。
- 想进一步了解Binder,可查看Binder系列—开篇,Binder系列花费了13篇文章的篇幅,从源码角度出发来,讲述驱动、native、framework、app四个层面的整个完整流程。根据有些读者反馈这个系列还是不好理解,这个binder涉及的层次跨度比较大,后续review的时候,计划再从通信的角度写一篇通俗易懂的binder文章,从上之下来串起一遍。
3.2 Socket
Socket通信方式也是C/S架构,比Binder简单很多。在Android系统中采用Socket通信方式的主要:
- zygote:用于孵化进程,系统进程system_server孵化进程时便通过socket向zygote进程发起请求;
- installd:用于安装App的守护进程,上层PackageManagerService很多实现最终都是交给它来完成;
- lmkd:lowmemorykiller的守护进程,Java层的LowMemoryKiller最终都是由lmkd来完成;
- adbd:这个也不用说,用于服务adb;
- logcatd:这个不用说,用于服务logcat;
- vold:即volume Daemon,是存储类的守护进程,用于负责如USB、Sdcard等存储设备的事件处理。
等等还有很多,这里不一一列举,Socket方式更多的用于Android framework层与native层之间的通信。Socket通信方式相对于binder非常简单,所以一直没有写相关文章,为了成一个体系,下次再补上。
3.3 Handler
Binder/Socket用于进程间通信,而Handler消息机制用于同进程的线程间通信,Handler消息机制是由一组MessageQueue、Message、Looper、Handler共同组成的,为了方便且称之为Handler消息机制。
有人可能会疑惑,为何Binder/Socket用于进程间通信,能否用于线程间通信呢?答案是肯定,对于两个具有独立地址空间的进程通信都可以,当然也能用于共享内存空间的两个线程间通信,这就好比杀鸡用牛刀。接着可能还有人会疑惑,那handler消息机制能否用于进程间通信?答案是不能,Handler只能用于共享内存地址空间的两个线程间通信,即同进程的两个线程间通信。很多时候,Handler是工作线程向UI主线程发送消息,即App应用中只有主线程能更新UI,其他工作线程往往是完成相应工作后,通过Handler告知主线程需要做出相应地UI更新操作,Handler分发相应的消息给UI主线程去完成,如下图:
由于工作线程与主线程共享地址空间,即Handler实例对象mHandler
位于线程间共享的内存堆上,工作线程与主线程都能直接使用该对象,只需要注意多线程的同步问题。工作线程通过mHandler
向其成员变量MessageQueue
中添加新Message,主线程一直处于loop()方法内,当收到新的Message时按照一定规则分发给相应的handleMessage
()方法来处理。所以说,而Handler消息机制用于同进程的线程间通信的核心是线程间共享内存空间,而不同进程拥有不同的地址空间,也就不能用handler来实现进程间通信。
上图只是Handler消息机制的一种处理流程,是不是只能工作线程向UI主线程发消息呢,其实不然,可以是UI线程想工作线程发送消息,也可以是多个工作线程之间通过handler发送消息。更多关于Handler消息机制文章:
要理解framework层源码,掌握这3种基本的进程/线程间通信方式是非常有必要,当然Linux还有不少其他的IPC机制,比如共享内存、信号、信号量,在源码中也有体现,如果想全面彻底地掌握Android系统,还是需要对每一种IPCd机制都有所了解。
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