Android 開篇

alleyway 7年前發布 | 7K 次閱讀 安卓開發 Android開發 移動開發

一、引言

Android系統非常龐大、錯中復雜，其底層是采用Linux作為基底，上層采用包含虛擬機的Java層以及Native層，通過系統調用(Syscall)連通系統的內核空間與用戶空間。用戶空間主要采用C++和Java代碼，通過JNI技術打通用戶空間的Java層和Native層(C++/C)，從而融為一體。

Google官方提供了一張經典的四層架構圖，從下往上依次分為Linux內核、系統庫和Android運行時環境、框架層以及應用層這4層架構，其中每一層都包含大量的子模塊或子系統。這只是如壘磚般地分層，并沒有表達Android整個系統的內部架構、運行機理，以及各個模塊之間是如何銜接與配合工作的。 為了更深入地掌握Android整個架構思想以及各個模塊在Android系統所處的地位與價值，計劃以Android系統啟動過程為主線，以進程的視角來詮釋Android M系統全貌 ，全方位的深度剖析各個模塊功能，爭取各個擊破。這樣才能猶如庖丁解牛，解決、分析問題則能游刃有余。

二、Android架構

Google提供的4層架構圖很經典，但為了更進一步透視Android系統架構，本文更多的是以進程的視角，以分層的架構來詮釋Android系統的全貌，闡述Android內部的環環相扣的內在聯系。

系統啟動架構圖

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圖解：Android系統啟動過程由上圖從下往上的一個過程： Loader -> Kernel -> Native -> Framework -> App ，接來下簡要說說每個過程：

2.1 Loader層

  • Boot ROM: 當手機處于關機狀態時，長按Power鍵開機，引導芯片開始從固化在 ROM 里的預設出代碼開始執行，然后加載引導程序到 RAM ；
  • Boot Loader：這是啟動Android系統之前的引導程序，主要是檢查RAM，初始化硬件參數等功能。

2.2 Kernel層

Kernel層是指Android內核層，到這里才剛剛開始進入Android系統。

  • 啟動Kernel的swapper進程(pid=0)：該進程又稱為idle進程, 系統初始化過程Kernel由無到有開創的第一個進程, 用于初始化進程管理、內存管理，加載Display,Camera Driver，Binder Driver等相關工作；
  • 啟動kthreadd進程（pid=2）：是Linux系統的內核進程，會創建內核工作線程kworkder，軟中斷線程ksoftirqd，thermal等內核守護進程。 kthreadd進程是所有內核進程的鼻祖 。

2.3 Native層

這里的Native層主要包括init孵化來的用戶空間的守護進程、HAL層以及開機動畫等。啟動init進程(pid=1),是Linux系統的用戶進程， init進程是所有用戶進程的鼻祖 。

  • init進程會孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用戶守護進程；
  • init進程還啟動 servicemanager (binder服務管家)、 bootanim (開機動畫)等重要服務
  • init進程孵化出Zygote進程，Zygote進程是Android系統的第一個Java進程， Zygote是所有Java進程的父進程 ，Zygote進程本身是由init進程孵化而來的。

2.4 Framework層

  • Zygote進程，是由init進程通過解析init.rc文件后fork生成的，Zygote進程主要包含：
    • 加載ZygoteInit類，注冊Zygote Socket服務端套接字；
    • 加載虛擬機；
    • preloadClasses；
    • preloadResouces。
    </li>
  • System Server進程，是由Zygote進程fork而來， System Server是Zygote孵化的第一個進程 ，System Server負責啟動和管理整個Java framework，包含ActivityManager，PowerManager等服務。
  • Media Server進程，是由init進程fork而來，負責啟動和管理整個C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service，等服務。
    • </ul>

    2.5 App層

    • Zygote進程孵化出的第一個App進程是Launcher，這是用戶看到的桌面App；
    • Zygote進程還會創建Browser，Phone，Email等App進程，每個App至少運行在一個進程上。
    • 所有的App進程都是由Zygote進程fork生成的。

    2.6 Syscall && JNI

    • Native與Kernel之間有一層系統調用(SysCall)層，
    • Java層與Native(C/C++)層之間的紐帶JNI，見Android JNI原理分析。

    三、通信方式

    無論是Android系統，還是各種Linux衍生系統，各個組件、模塊往往運行在各種不同的進程和線程內，這里就必然涉及進程/線程之間的通信。對于IPC(Inter-Process Communication, 進程間通信)，Linux現有管道、消息隊列、共享內存、套接字、信號量、信號這些IPC機制，Android額外還有Binder IPC機制，Android OS中的Zygote進程的IPC采用的是Socket機制，在上層system server、media server以及上層App之間更多的是采用Binder IPC方式來完成跨進程間的通信。對于Android上層架構中，還多時候是在同一個進程的線程之間需要相互通信，例如同一個進程的主線程與工作線程之間的通信，往往采用的Handler消息機制。

    想深入理解Android內核層架構，必須先深入理解Linux現有的IPC機制；對于Android上層架構，則最常用的通信方式是Binder、Socket、Handler，當然也有少量其他的IPC方式，比如殺進程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面說說Binder、Socket、Handler：

    3.1 Binder

    Binder作為Android系統提供的一種IPC機制，無論從系統開發還是應用開發，都是Android系統中最重要的組成，也是最難理解的一塊知識點，想了解 為什么Android要采用Binder作為IPC機制？ 可查看我在知乎上的回答。深入了解Binder機制，最好的方法便是閱讀源碼，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾說過的一句話：Read The Fucking Source Code。下面簡要說說Binder IPC原理。

    Binder IPC原理

    Binder通信采用c/s架構，從組件視角來說，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驅動，其中ServiceManager用于管理系統中的各種服務。

    • 想進一步了解Binder，可查看Binder系列—開篇，Binder系列花費了13篇文章的篇幅，從源碼角度出發來，講述Driver、Native、Framework、App四個層面的整個完整流程。根據有些讀者反饋這個系列還是不好理解，這個binder涉及的層次跨度比較大,知識量比較廣, 建議大家先知道binder是用于進程間通信,有個大致概念就可以.先去學習系統基本知識,等后面有一定功力再進一步深入研究Binder.

    Native層面:

    Driver層面:

    Framework層面:

    App層面

    全棧架構型:從Java framework到Native層,再到Linux層的一條線的串通

    3.2 Socket

    Socket通信方式也是C/S架構，比Binder簡單很多。在Android系統中采用Socket通信方式的主要：

    • zygote：用于孵化進程，系統進程system_server孵化進程時便通過socket向zygote進程發起請求；
    • installd：用于安裝App的守護進程，上層PackageManagerService很多實現最終都是交給它來完成；
    • lmkd：lowmemorykiller的守護進程，Java層的LowMemoryKiller最終都是由lmkd來完成；
    • adbd：這個也不用說，用于服務adb；
    • logcatd:這個不用說，用于服務logcat；
    • vold：即volume Daemon，是存儲類的守護進程，用于負責如USB、Sdcard等存儲設備的事件處理。

    等等還有很多，這里不一一列舉，Socket方式更多的用于Android framework層與native層之間的通信。Socket通信方式相對于binder非常簡單，所以一直沒有寫相關文章，為了成一個體系，下次再補上。

    3.3 Handler

    Binder/Socket用于進程間通信，而Handler消息機制用于同進程的線程間通信，Handler消息機制是由一組MessageQueue、Message、Looper、Handler共同組成的，為了方便且稱之為Handler消息機制。

    有人可能會疑惑，為何Binder/Socket用于進程間通信，能否用于線程間通信呢？答案是肯定，對于兩個具有獨立地址空間的進程通信都可以，當然也能用于共享內存空間的兩個線程間通信，這就好比殺雞用牛刀。接著可能還有人會疑惑，那handler消息機制能否用于進程間通信？答案是不能，Handler只能用于共享內存地址空間的兩個線程間通信，即同進程的兩個線程間通信。很多時候，Handler是工作線程向UI主線程發送消息，即App應用中只有主線程能更新UI，其他工作線程往往是完成相應工作后，通過Handler告知主線程需要做出相應地UI更新操作，Handler分發相應的消息給UI主線程去完成，如下圖：

    由于工作線程與主線程共享地址空間，即Handler實例對象 mHandler 位于線程間共享的內存堆上，工作線程與主線程都能直接使用該對象，只需要注意多線程的同步問題。工作線程通過 mHandler 向其成員變量 MessageQueue 中添加新Message，主線程一直處于loop()方法內，當收到新的Message時按照一定規則分發給相應的 handleMessage ()方法來處理。所以說，而Handler消息機制用于同進程的線程間通信的核心是線程間共享內存空間，而不同進程擁有不同的地址空間，也就不能用handler來實現進程間通信。

    上圖只是Handler消息機制的一種處理流程，是不是只能工作線程向UI主線程發消息呢，其實不然，可以是UI線程想工作線程發送消息，也可以是多個工作線程之間通過handler發送消息。更多關于Handler消息機制文章：

    要理解framework層源碼，掌握這3種基本的進程/線程間通信方式是非常有必要，當然Linux還有不少其他的IPC機制，比如共享內存、信號、信號量，在源碼中也有體現，如果想全面徹底地掌握Android系統，還是需要對每一種IPCd機制都有所了解。

    四、計劃提綱

    2016年新的一年剛開始，首先祝大家、也祝自己在新的一年諸事順心，事業蒸蒸日上。在過去的一年，對于Android從底層一路到上層有不少自己的理解和沉淀，但總體較零散，未成體系。借著今天（元旦假日的最后一天），給自己的新的一年提前做一個計劃，把知識進行歸檔整理與再學習，從而加深對Android架構的理解。通過前面對系統啟動的介紹，相信大家對Android系統有了一個整體觀，接下來需要抓核心、理思路，爭取各個擊破。

    計劃：不少文章還沒來得及進一步加工，大篇章的源碼，有讀者跟我反饋看著發困，先別急，文章還會不斷更新和升級。前期計劃先將系統所有核心技術點的邊整理邊寫博客；后期工作有時間再根據大家的反饋以及自己的校驗，再不斷修正和完善所有文章，爭取給文章，再進一步精簡非核心代碼，增加可視化圖表以及文字的結論性分析。

    博客定位：基于 Android 6.0的源碼 ，專注于分享Android系統原理、架構分析的原創文章。 建議閱讀群體 ： 適合于正從事或者有興趣研究Android系統的工程師或者愛好者，也適合Android app高級工程師； 對于尚未入門或者剛入門的app程序員閱讀可能會困難些，可能不是很適合。

    4.0 學習篇

    看到Android整個系統架構是如此龐大的, 該問如何學習Android系統, 以下是我自己琢磨的Android的學習和研究論,僅供參考:

    4.1 進程篇

    進程對于系統非常之重要，系統運轉，各種服務、組件的載體都依托于進程，對進程理解越深刻，越能掌握系統整體架構。那么先來看看進程相關：

    4.2 系統啟動篇

    Android系統啟動-概述): Android系統啟動過程中，有幾個非常重要的進程： init 、 Zygote 、 system_server 進程:

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