目錄

Android系統(tǒng)架構(gòu)ABC

1)     Android的歷史

2)     Android 系統(tǒng)框架一覽

a)應(yīng)用程序?qū)?/p>

b) 應(yīng)用程序框架層

c)系統(tǒng)庫和Android運行時

Dalvik模式的缺點

ART模式(Android Runtime)的優(yōu)點

d) Linux內(nèi)核

Android 開源框架

Android 標準庫

3)     通信基石 – Binder模式

IPC機制種類

Binder通信機制簡介

為啥新發(fā)明一個Binider通信機制

Binder通信模型

Binder通信機制原理圖

J2EE和Android兩種RPC的比較：

4)     消息隊列(MessageQueue, Looper, Handler)

5)     Framework啟動過程: zygote進程和system進程

6)     包管理服務(wù)PackageManagerService

7)     第一個應(yīng)用程序進程的啟動過程

8)     AMS活動管理, WMS窗口管理, View系統(tǒng)的工作原理

android內(nèi)核三大核心成員介紹

整個Android生態(tài)系統(tǒng)工作原理概述

9)     總結(jié)

1)   Android的歷史

了解一個事物，往往要從其出身開始，這樣才能完整地明白它到底是什么東西。Android的歷史淵源要追溯到90年代初，Andriod之父 Andy Rubin還在蘋果子公司開發(fā)第一代手機OS “MagicCap”開始。

我用一段話簡短概述iPhone和Android，蘋果和谷歌之間的爭端的歷史緣由：

IOS產(chǎn)生的歷史：

Steve Jobs 于1976年創(chuàng)建了蘋果公司, 后于1985年離開蘋果，創(chuàng)立了“NeXTComputer”這家公司，創(chuàng)建了一款用Object-C語言編寫的叫“NeXTSTEP”的OS,之后在”NeXTSTEP”基礎(chǔ)上創(chuàng)造了“Mac OSX”系統(tǒng)，這就是iPhone OS 的基礎(chǔ)，簡稱IOS。后來1996年底，蘋果公司又收購NeXT公司，這樣Jobs又回到了蘋果公司。

Android產(chǎn)生的歷史：

1990年，蘋果公司的手持設(shè)備部門獨立，特地成立了”GeneralMagic” 的子公司，研究手機操作系統(tǒng)?！?strong>Android之父” ，89年剛進蘋果公司的26歲的年輕人——Andy Rubin，認定手機OS發(fā)展前景良好，也加入了這個部門, 參與了”MagicCap” OS的開發(fā)，后于95年離開了蘋果公司。2003年，Andy Rubin創(chuàng)建了Android公司，僅僅22個月之后，2005年被谷歌收購！然后，谷歌Android部門立馬投入展開了短信、手機檢索等業(yè)務(wù)，同時基于Linux的通用平臺也進入了開發(fā)。經(jīng)過2年的研究，2007年11月5日， Android第一代系統(tǒng) 1.0 beta發(fā)布，不過只作為一個面向開發(fā)者的軟件開發(fā)包（SDK）進行發(fā)布。之后經(jīng)過1年的不斷優(yōu)化,于2008年9月23日,發(fā)布Android操作系統(tǒng)中的第一個正式版本：Android 1.0，代號為鐵臂阿童木(Astro)。僅僅1年之后，便開始了Android打敗諾基亞的Symbian，與IPhone兩分天下的輝煌時代！

總而言之，無論Android 還是 iPhone, 都是蘋果的員工辭職之后，搞出來的。這就是Android和iPhone與蘋果公司的淵源?。。?strong>這也是蘋果一直將安卓列為侵權(quán)產(chǎn)品的緣由。蘋果方面表示，Android系統(tǒng)創(chuàng)始人Andy Rubin有關(guān)Android系統(tǒng)的理念之一誕生于他供職蘋果期間。

具體iPhone和Android產(chǎn)生的歷史淵源可以查看鏈接：

http://tech.163.com/14/0426/11/9QOMTFMT00094ODU.html

具體Android各個歷史版本可以查看鏈接：

http://zh.wikipedia.org/zh-cn/Android%E6%AD%B7%E5%8F%B2%E7%89%88%E6%9C%AC

2)   Android 系統(tǒng)框架一覽

a)應(yīng)用程序?qū)?/strong>

      該層提供一些核心應(yīng)用程序包，例如電子郵件、短信、日歷、地圖、瀏覽器和聯(lián)系人管理等。同時，開發(fā)者可以利用Java語言設(shè)計和編寫屬于自己的應(yīng)用程序，而這些程序與那些核心應(yīng)用程序彼此平等、友好共處。

b) 應(yīng)用程序框架層

    該層是Android應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，開發(fā)人員大部分情況是在和她打交道。應(yīng)用程序框架層包括活動管理器、窗口管理器、內(nèi)容提供者、視圖系統(tǒng)、包管理器、電話管理器、資源管理器、位置管理器、通知管理器和XMPP服務(wù)十個部分。在Android平臺上，開發(fā)人員可以完全訪問核心應(yīng)用程序所使用的API框架。并且，任何一個應(yīng)用程序都可以發(fā)布自身的功能模塊，而其他應(yīng)用程序則可以使用這些已發(fā)布的功能模塊?；谶@樣的重用機制，用戶就可以方便地替換平臺本身的各種應(yīng)用程序組件。

c)系統(tǒng)庫和Android運行時

    系統(tǒng)庫包括九個子系統(tǒng)，分別是圖層管理、媒體庫、SQLite、OpenGLEState、FreeType、WebKit、SGL、SSL和libc。Android運行時包括核心庫和Dalvik虛擬機，前者既兼容了大多數(shù)Java語言所需要調(diào)用的功能函數(shù)，又包括了Android的核心庫，比如android.os、android.net、android.media等等。后者是一種基于寄存器的java虛擬機，Dalvik虛擬機主要是完成對生命周期的管理、堆棧的管理、線程的管理、安全和異常的管理以及垃圾回收等重要功能。不過，最新的AndroidL 5.0 將徹底拋棄Dalvik虛擬機，改用ART模式。

Dalvik模式的缺點：

在Dalvik虛擬機中，因此應(yīng)用程序每次運行的時候，一部分代碼都需要重新進行編譯，這過程需要消耗一定的時間和降低應(yīng)用的執(zhí)行效率，最明顯的便是拖延了應(yīng)用的啟動時間和降低運行速度。

ART模式(Android Runtime)的優(yōu)點：

通過在安裝應(yīng)用程序時，自動對程序進行代碼預(yù)讀取編譯(可能比較耗時，占用更多ROM內(nèi)存)，讓程序直接編譯成機器語言，免去了Dalvik模式要時時轉(zhuǎn)換代碼，實現(xiàn)高效率、省電、占用更低的系統(tǒng)內(nèi)存、手機運行流暢。

d) Linux內(nèi)核

    Android核心系統(tǒng)服務(wù)依賴于Linux2.6內(nèi)核，如安全性、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和驅(qū)動模型。Linux內(nèi)核也是作為硬件與軟件棧的抽象層。驅(qū)動：顯示驅(qū)動、攝像頭驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、WiFi驅(qū)動、Audio驅(qū)動、flash內(nèi)存驅(qū)動、Binder（IPC）驅(qū)動、電源管理等。

Android 開源框架

在下面的圖中，綠色的大部分組件是基于Apache許可證開源，其余基于GPL、LGPL和BSD。

Android 標準庫

3)   通信基石 – Binder模式

在Linux中，是以進程為單位分配和管理資源的。出于保護機制，一個進程不能直接訪問另一個進程的資源，也就是說，進程之間互相封閉

IPC機制種類：

1-采用命名管道（named pipe）

2-消息隊列（message queue）

3- 信號（signal）

4-共享內(nèi)存（share memory）

5 - Socket

在Android終端上的應(yīng)用軟件的通信幾乎看不到這些IPC通信方式，取而代之的是Binder方式。

Binder通信機制簡介

Binder使用Client-Server通信方式：一個進程作為Server提供諸如視頻/音頻解碼，視頻捕獲，地址本查詢，網(wǎng)絡(luò)連接等服務(wù)；多個進程作為Client向Server發(fā)起服務(wù)請求，獲得所需要的服務(wù)。要想實現(xiàn)Client-Server通信據(jù)必須實現(xiàn)以下兩點:

一,是server 必須有確定的訪問接入點或者說地址來接受Client的請求，并且Client可以通過某種途徑獲知Server的地址

二,是制定Command- Reply協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。例如在網(wǎng)絡(luò)通信中Server的訪問接入點就是Server主機的IP地址+端口號，傳輸協(xié)議為TCP協(xié)議。對Binder而言，Binder可以看成Server提供的實現(xiàn)某個特定服務(wù)的訪問接入點， Client通過這個‘地址’向Server發(fā)送請求來使用該服務(wù)；對Client而言，Binder可以看成是通向Server的管道入口，要想和某個 Server通信首先必須建立這個管道并獲得管道入口

為啥新發(fā)明一個Binider通信機制

1，復(fù)雜度

 也可以在這些底層機制上架設(shè)一套協(xié)議來實現(xiàn)Client-Server通信，但這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在手機這種條件復(fù)雜，資源稀缺的環(huán)境下可靠性也難以保證。

2，傳輸性能

socket作為一款通用接口，其傳輸效率低，開銷大，主要用在跨網(wǎng)絡(luò)的進程間通信和本機上進程間的低速通信。

消息隊列和管道采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式，即數(shù)據(jù)先從發(fā)送方緩存區(qū)拷貝到內(nèi)核開辟的緩存區(qū)中，然后再從內(nèi)核緩存區(qū)拷貝到接收方緩存區(qū)，至少有兩次拷貝過程。

共享內(nèi)存雖然無需拷貝，但控制復(fù)雜，難以使用

數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)比較圖：

3，安全性考慮

Android作為一個開放式，擁有眾多開發(fā)者的的平臺，應(yīng)用程序的來源廣泛，確保智能終端的安全是非常重要的。終端用戶不希望從網(wǎng)上下載的程序在不知情的情況下偷窺隱私數(shù)據(jù)，連接無線網(wǎng)絡(luò)，長期操作底層設(shè)備導(dǎo)致電池很快耗盡等等。傳統(tǒng)IPC沒有任何安全措施，完全依賴上層協(xié)議來確保。

首先傳統(tǒng)IPC的接收方無法獲得對方進程可靠的UID/PID（用戶ID/進程ID），從而無法鑒別對方身份。Android為每個安裝好的應(yīng)用程序分配了自己的UID，故進程的UID是鑒別進程身份的重要標志。使用傳統(tǒng)IPC只能由用戶在數(shù)據(jù)包里填入UID/PID，但這樣不可靠，容易被惡意程序利用?？煽康纳矸輼擞浿挥杏蒊PC機制本身在內(nèi)核中添加。

其次傳統(tǒng)IPC訪問接入點是開放的，無法建立私有通道。比如命名管道的名稱，system V的鍵值，socket的ip地址或文件名都是開放的，只要知道這些接入點的程序都可以和對端建立連接，不管怎樣都無法阻止惡意程序通過猜測接收方地址獲得連接

Binder通信模型

• Binder框架定義了四個角色：Server，Client，ServiceManager（以后簡稱SMgr）以及驅(qū)動。

• 其中 Server，Client，SMgr運行于用戶空間，驅(qū)動運行于內(nèi)核空間。這四個角色的關(guān)系和互聯(lián)網(wǎng)類似：Server是服務(wù)器，Client是客戶終端，SMgr是域名服務(wù)器（DNS），驅(qū)動是路由器。

  Android進程間通信的底層，都是靠binder驅(qū)動傳輸信息， 如圖：

第一步，Server給Binder實體登記

• 和DNS類似，SMgr的作用是將字符形式的Binder名字轉(zhuǎn)化成Client中對該Binder的引用，使得Client能夠通過Binder名字獲得對Server中Binder實體的引用。注冊了名字的Binder叫實名Binder，就象每個網(wǎng)站除了有IP地址外都有自己的網(wǎng)址

• 。 Server創(chuàng)建了Binder實體，為其取一個字符形式，可讀易記的名字，將這個Binder連同名字以數(shù)據(jù)包的形式通過Binder驅(qū)動發(fā)送給 SMgr，通知SMgr注冊一個名叫張三的Binder，它位于某個Server中。驅(qū)動為這個穿過進程邊界的Binder創(chuàng)建位于內(nèi)核中的實體節(jié)點以及 SMgr對實體的引用，將名字及新建的引用傳遞給SMgr。SMgr收數(shù)據(jù)包后，從中取出名字和引用填入一張查找表中。

第二步，Client獲取Binder實體

• Server向SMgr注冊了Binder實體及其名字后，Client就可以通過名字獲得該Binder的引用了。Client也利用保留的0號引用向SMgr請求訪問某個Binder：我申請獲得名字叫張三的Binder的引用。

• SMgr收到這個連接請求，從請求數(shù)據(jù)包里獲得Binder的名字，在查找表里找到該名字對應(yīng)的條目，從條目中取出Binder的引用，將該引用作為回復(fù)發(fā)送給發(fā)起請求的Client。從面向?qū)ο蟮慕嵌?，這個Binder對象現(xiàn)在有了兩個引用：一個位于SMgr中，一個位于發(fā)起請求的Client中。

• 如果接下來有更多的Client請求該Binder，系統(tǒng)中就會有更多的引用指向該Binder，就象java里一個對象存在多個引用一樣。而且類似的這些指向Binder的引用是強類型，從而確保只要有引用 Binder實體就不會被釋放掉。。

Binder通信機制原理圖

J2EE和Android兩種RPC的比較：

4)   消息隊列(MessageQueue,Looper, Handler)

• 處理多線程的時候，Android繼承了java的消息隊列機制。

• Android系統(tǒng)的消息隊列和消息循環(huán)都是針對具體線程的，一個線程可以存在（當(dāng)然也可以不存在）一個消息隊列和一個消息循環(huán)（Looper），特定線程的消息只能分發(fā)給本線程，不能進行跨線程，跨進程通訊。但是創(chuàng)建的工作線程默認是沒有消息循環(huán)和消息隊列的，如果想讓該線程具有消息隊列和消息循環(huán)，需要在線程中首先調(diào)用Looper.prepare()來創(chuàng)建消息隊列，然后調(diào)用Looper.loop()進入消息循環(huán)。

消息隊列里對象的數(shù)量對比圖

Android消息隊列運行機制原理圖

5)   Framework啟動過程: zygote進程和system進程

在android中，大部分的應(yīng)用程序進程都是由zygote來創(chuàng)建的，為什么用大部分，因為還有一些進程比如系統(tǒng)引導(dǎo)進程、init進程等不是有zygote創(chuàng)建的。相反，zygote還是在init進程之后才被創(chuàng)建的。

注：init進程是盤古開天地級別的進程。

zygote在android中主要有兩個作用：

建立運行時環(huán)境并啟動虛擬機，

為應(yīng)用程序創(chuàng)建DVM進程。

1. 1. 啟動SystemServer：

   2. 啟動應(yīng)用進程：

Zygote進程運行示意圖

1，SystemService的啟動是在Zygote進程創(chuàng)建好后進行的，并且由Zygote進程建立好DVM運行環(huán)境，加載ZygoteInit的main函數(shù)，最終調(diào)用Zygote的本地方法forkSystemServer，并執(zhí)行l(wèi)inux的fork方法創(chuàng)建SystemServer進程。

2，應(yīng)用程序的進程也是由Zygote創(chuàng)建的，在ActivityManagerService中的startProcessLocked中調(diào)用了Process.start()方法。并通過連接調(diào)用Zygote的native方法forkAndSpecialize，執(zhí)行fork任務(wù)

 ActivityThread啟動過程簡要序列圖

6)   包管理服務(wù)PackageManagerService

PackagemanagerService主要管理apk，其實就是管理其中的組件等,如Activiey、Service，從apk中解析其中的組件，保存到相關(guān)結(jié)構(gòu)中，以使得后面可以通過相關(guān)的接口可以查詢系統(tǒng)安裝組件，apk的安裝，卸載，刪除都是由PackageManagerService負責(zé)的。

簡言之：PMS 掌管APK的生死，手里有本生死簿，類于閻王。

7)   第一個應(yīng)用程序進程的啟動過程

啟動過程簡要序列圖

8)   AMS活動管理, WMS窗口管理, View系統(tǒng)的工作原理

android內(nèi)核三大核心成員介紹：

（1）WMS：WindowManager Service.Android上發(fā)生的事件，例如，觸屏，按鈕什么的都是由WMS獲取的。并且WMS負責(zé)了窗口的顯示和控制。

（2）AMS：ActivityManager Service. 總共有三部分的功能。
     1.activity的管理調(diào)度，但是只是在全局負責(zé)activity的管理和組織，任何activty的啟動，都需要提前通知AMS，并由其進行調(diào)度但是不干涉activity內(nèi)部的東西
     2.內(nèi)存管理，有的時候，activity過多，可能會導(dǎo)致內(nèi)存不夠，AMS會根據(jù)內(nèi)存情況，決定殺死某個 activity。
    3.進程管理，AMS會提供API供用戶查詢當(dāng)前activity的進程信息。

另外包括了兩個消息處理的類KeyQ和InputDispatcherThread,前者是WMS的內(nèi)部類，當(dāng)它有一個對象建立的時候，將會監(jiān)聽UI上所有的用戶操作，包括觸屏,按鍵等，并且把消息放到隊列當(dāng)中，等待應(yīng)用的調(diào)用。后者的話主要負責(zé)從前者放入的消息隊列（QueueEvent）當(dāng)中獲取相應(yīng)的消息并且以一定規(guī)則予以消息的過濾，并且發(fā)放到相應(yīng)的應(yīng)用程序當(dāng)中，類的作用可以顧名思義。

(3)View
View是什么了，每個人都有自己的理解。在Android的官方文檔中是這樣描述的：這個類表示了用戶界面的基本構(gòu)建模塊。一個View占用了屏幕上的一個矩形區(qū)域并且負責(zé)界面繪制和事件處理。View是用來構(gòu)建用戶界面組件（Button，Textfields等等）的基類。ViewGroup子類是各種布局的基類，它是個包含其他View（或其他ViewGroups）和定義這些View布局參數(shù)的容器。

整個Android生態(tài)系統(tǒng)工作原理概述

• 客戶端中的線程

• 包含有Activity的客戶端程序至少包含3個線程，（每個Binder對應(yīng)一個線程）

• 1、UI主線程

• 2、ApplicationThread對象（繼承自Binder）（負責(zé)AmS的IPC調(diào)用）

• 3、ViewRoot.W對象（繼承自Binder）     （負責(zé)WmS的IPC調(diào)用）

Android生態(tài)系統(tǒng)工作原理圖：

分三步講解整個過程：

apk程序的運行過程 (一) 前期準備

• (看上面大圖的中上角，或者看下面的局部截圖)

• 首先，ActivityThread從main（）函數(shù)開始執(zhí)行，調(diào)用prepareMainLooper()為UI線程創(chuàng)建一個消息隊列（MessageQueue）。

•  然后創(chuàng)建一個ActivityThread對象，在ActivityThread的初始化代碼中會創(chuàng)建一個H（Handler）對象和一個ApplicationThread（Binder）對象。其中Binder負責(zé)接收遠程AmS的IPC調(diào)用，接收到調(diào)用后，則通過Handler把消息發(fā)送到消息隊列中，UI主線程會異步的從消息隊列中取出消息并執(zhí)行相應(yīng)的操作，比如start stop pause等。

• 接著UI主線程調(diào)用Looper.loop()方法進入消息循環(huán)體，進入后就會不斷的從消息隊列中讀取并處理消息。

apk程序的運行過程 (二)啟動Activity

• (看上面大圖的中間部分，或者看下面的局部截圖)

• 當(dāng)ActivityThread接收到AmS發(fā)送start某個Activity后，就會創(chuàng)建指定的Activity對象，Activity又會創(chuàng)建PhoneWindow類——>DecorView類——>創(chuàng)建相應(yīng)的View或者ViewGroup。

• 創(chuàng)建完成后，Activity需要把創(chuàng)建好的界面顯示到屏幕上，于是調(diào)用WindowManager類，后者于是創(chuàng)建一個ViewRoot對象，該對象實際上創(chuàng)建了ViewRoot類和W類，創(chuàng)建ViewRoot對象以后，WindowManager再調(diào)用WmS提供的遠程調(diào)用接口完成添加一個窗口并顯示到屏幕上。

apk程序的運行過程(三) 響應(yīng)用戶屏幕操作

•  (看上面大圖最左側(cè)，或者看下面的局部截圖)

• 接下來，用戶開始在程序界面上操作，KeyQ線程不多把用戶消息存儲到QueueEvent隊列中，InputDispatcherThread線程逐個取出消息，然后調(diào)用WmS中的相關(guān)函數(shù)處理該消息，當(dāng)WmS發(fā)現(xiàn)該消息屬于客戶端某個窗口時，就會調(diào)用相應(yīng)的窗口W接口。

•  W類是一個Binder，負責(zé)接收WmS的IPC調(diào)用，并把調(diào)用消息傳遞給ViewRoot，ViewRoot再把消息傳遞給UI主線程ActivityThread，ActivityThread解析該消息并作相應(yīng)的處理，在客戶端程序中，首先處理消息的是DecorView，如果DecorView不想處理該消息，則可以把該消息傳遞給其內(nèi)部包含的子View或者ViewGroup，如果還沒有處理，則傳遞給PhoneWindow，最后在傳遞給Activity。

9)   總結(jié)

本文僅從總體概念和基本原理上，介紹了Android系統(tǒng)的基本架構(gòu)、核心功能組件和工作原理，由于篇幅所限，不可能就每章每點都詳細講解，只是蜻蜓點水，一掠而過，只希望能激發(fā)初學(xué)者的好奇心，通過本文所撕開的Android外衣的一角，讓你窺到一點秘密，激起你對Android的興趣。如果想繼續(xù)深入了解Android的深層原理，還需要大家一起研究學(xué)習(xí)討論。讓我們一起，繼續(xù)向Android的最高殿堂前進！

—— 空谷幽蘭 2014-7-7

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