Android系统体系结构详解
Android系统体系结构详解
Android系统是一个由Google公司开发的手机平台，其大部分代码已经开源。该系统采用分层架构设计，从高层到低层依次为应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux核心层。本文将详细介绍Android系统的体系结构及其各个组成部分的功能和实现方式。
Android系统架构概述
Android的系统架构采用了分层的设计理念，从高层到低层依次分为四个层次：
应用程序层：这一层包含了Android系统自带的核心应用程序，如电子邮件客户端、SMS短消息程序、日历、地图、浏览器、联系人管理程序等。所有这些应用程序都是使用Java语言编写的。
应用程序框架层：这一层提供了应用程序开发所需的API框架。其设计允许开发人员完全访问核心应用程序所使用的API，并且支持组件的重用。应用程序可以发布其功能块，其他应用程序也可以使用这些功能块（在遵循框架的安全性限制的前提下）。此外，该架构还支持用户方便地替换程序组件。
系统运行库层：这一层包含了多个C/C++库，为Android系统中的不同组件提供服务。其中包括Bionic系统C库、媒体库、Surface Manager、WebKit、SGL、3D库、FreeType、SQLite等。此外，这一层还包括了硬件抽象层，用于实现设备驱动。
Linux核心层：Android系统的核心系统服务依赖于Linux 2.6内核，包括安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型。Linux内核还作为硬件和软件栈之间的抽象层。
应用程序层
Android系统自带了一系列核心应用程序，包括：
- 电子邮件客户端
- SMS短消息程序
- 日历
- 地图
- 浏览器
- 联系人管理程序
所有这些应用程序都是使用Java语言编写的。
应用程序框架层
应用程序框架层提供了丰富的API，支持应用程序开发。其主要组件包括：
- 丰富且可扩展的视图（Views）：用于构建应用程序，包括列表、网格、文本框、按钮等组件，以及可嵌入的Web浏览器。
- 内容提供器（Content Providers）：允许应用程序访问其他应用程序的数据（如联系人数据库），或共享自己的数据。
- 资源管理器（Resource Manager）：提供对非代码资源的访问，如本地字符串、图形和布局文件。
- 通知管理器（Notification Manager）：允许应用程序在状态栏中显示自定义提示信息。
- 活动管理器（Activity Manager）：管理应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能。
系统运行库层
系统运行库层包含了多个C/C++库，为Android系统中的不同组件提供服务。其中包括：
- Bionic系统C库：基于BSD的C标准函数库，专门为嵌入式Linux设备定制。
- 媒体库：基于PacketVideo OpenCORE，支持多种音频、视频格式的播放和录制，以及静态图像文件的处理。支持的编码格式包括MPEG4、H.264、MP3、AAC、AMR、JPG、PNG等。
- Surface Manager：管理显示子系统，支持多个应用程序的2D和3D图层的无缝融合。
- WebKit：最新的Web浏览器引擎，支持Android浏览器和可嵌入的Web视图。
- SGL：底层的2D图形引擎。
- 3D库：基于OpenGL ES 1.0 APIs实现，支持硬件3D加速（如果可用）或高度优化的3D软加速。
- FreeType：位图和矢量字体显示。
- SQLite：一个轻量级的关系型数据库引擎，对所有应用程序可用。
此外，系统运行库层还包括硬件抽象层，用于实现设备驱动。为了避开GPL协议的限制，Android将部分设备驱动实现为用户空间驱动，而不是直接放在Linux内核中。这样可以避免公开所有源代码，只需要公开与内核交互的“后门”代码即可。
Linux核心层
Android系统的核心系统服务依赖于Linux 2.6内核，包括：
- 安全性
- 内存管理
- 进程管理
- 网络协议栈
- 驱动模型
Linux内核还作为硬件和软件栈之间的抽象层。Android对Linux内核进行了部分修改，主要包括：
- Binder (IPC)：提供有效的进程间通信机制。
- 电源管理：优化电源使用，以延长电池寿命。
Android开发语言
Android应用程序开发使用Java语言，主要包括三个部分：
- Java语言：即其语法，用于编写代码。
- Java虚拟机：为了实现“一次编译，到处运行”的原则，Java在编译连接后产生Java bytecode，需要Java虚拟机来执行。
- 库：提供常用的功能库。
Android使用Dalvik虚拟机，它不是为Java设计的，而是运行Dalvik executable（简称dx）。为此，Android提供了dx工具，用于将Java bytecode转换为dx格式。
Android源代码结构
Google提供的Android源代码包经过解压缩后，第一级别的目录和文件结构如下：
.
|-- Makefile （全局的Makefile）
|-- bionic （基础库源代码）
|-- bootloader （引导加载器）
|-- build （编译和配置脚本）
|-- dalvik （Java虚拟机）
|-- development （程序开发模板和工具）
|-- external （目标机器使用的库）
|-- frameworks （应用程序框架层）
|-- hardware （与硬件相关的库）
|-- kernel （Linux 2.6内核源代码）
|-- packages （Android应用程序）
|-- prebuilt （预置脚本）
|-- recovery （恢复功能相关）
`-- system （底层库）
其中，各个目录的具体内容和功能如下：
- bionic：包含基础库的源代码，如libc、libdl、libm等。
- bootloader：引导加载器相关代码。
- build：包含编译和配置所需的脚本和工具，如Makefile、envsetup.sh等。
- dalvik：Java虚拟机相关代码。
- development：包含应用程序开发所需的模板和工具，如示例程序、仿真环境等。
- external：包含Android目标系统中的各种模块，如多媒体框架、网络协议栈、数据库系统等。
- frameworks：应用程序框架层的代码。
- hardware：与硬件相关的库。
- kernel：Linux 2.6内核源代码。
- packages：包含Android的各种应用程序和内容提供者。
- prebuilt：包含在各种平台下预编译的脚本。
- recovery：与目标设备恢复功能相关的代码。
- system：Android底层库的代码。
通过以上结构，开发者可以方便地理解和修改Android系统的各个组件，进行定制化开发。