Android系统架构详解：从分层到进程视角

Android系统架构详解：从分层到进程视角

Android系统架构是理解Android系统运行机制的基础。本文从静态和动态两个角度，详细介绍了Android系统的分层结构和各个组件的功能，帮助读者全面了解Android系统的架构设计。

前言

在学习Android系统之前，我们必须要大体上对Android系统架构有个明确的认识，理解其中每一块的职责。

正文

这里我们从Android系统分层和源码目录这俩个方面来分析。

Android系统架构

关于Android系统架构，有如下一张非常经典的图可以表示：

这是一张静态图，只能描述Android系统架构的分层，一共5层，从上到下依次是应用层、应用框架层、系统运行库层、硬件抽象层和Linux内核层。

我们先简单介绍一下这几层的作用，然后再从进程角度从新来看。

应用层(System Apps)

系统内置的应用程序以及非系统级的应用程序都属于应用层，负责与用户进行交互，一般使用Java或者Kotlin开发，也就是我们所说的应用层开发。

应用框架层(Java API Framework)

这一层为应用层开发提供所需要的Java API，也就是我们常说的Android系统的Java源码，这一层由Java代码编写，所以叫做Java Framework。

从图中可以看出，这里主要有View System(视图系统，即基本组件)、内容提供器，和各种管理器，部分功能大致描述如下：

系统运行库层(Native)

从图中可以看出这里分为了俩个部分，分别是C/C++程序库和Android运行时库。

C/C++库

这些C/C++库程序可以被应用框架层所使用，至于为什么Android系统要使用C/C++库，而不都用Java库，原因主要是C/C++代码执行效率更高，而且很多功能有成熟的C++代码，不用重新写，主要C/C++程序库：

Android运行时库

这个部分非常容易被忽略，这里又分为了核心库和ART。其中核心库提供了Java语言核心库的大多数功能，这样开发者可以使用Java语言来编写Android应用。

而ART则是专门为移动设备定制的Java虚拟机，在之前还有被淘汰的Dalvik虚拟机，关于虚拟机的知识我们后面细说。这里要明白一点就是ART和JVM还是有很大的区别，它是由C++编写，用来运行Java程序，所以非常关键。而且Android系统还允许同时允许多个ART实例，这也就是我们常说的：在Android系统中，每个进程都有一个虚拟机，一个APP发生崩溃不会影响其他APP。

硬件抽象层(HAL)

硬件抽象层位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，目的就是将硬件抽象化，这样各种硬件就可以根据接口进行开发和适配。

Linux内核层(Linux Kernel)

Android的核心服务是基于Linux内核，同时在该基础上添加了Android专用的驱动，比如Binder。由于Linux系统的优秀性，基于Linux在安全性、内存管理、进程管理等都有了很大优势。

Android系统架构(进程角度)

前面所说的Android系统架构固然经典，但是却无法直观地看出系统的运行，因为代码是死的，而系统是活的。所以这里使用gityuan博客一张非常经典的图来让系统动起来：

这张图从进程的角度重新来审视Android系统架构，从上电开机到显示出APP页面的整个过程中涉及了哪些服务，创建了哪些进程，这样可以更让我们容易理解Android系统，下面简单说说每个流程。

Loader层

首先就是Boot ROM，当手机处于关机状态时，长按电源键开机，引导芯片从固化在ROM里的预设代码开始执行，然后机制引导程序到RAM中。

而Boot Loader就是引导程序，主要是检查RAM，初始化硬件参数等功能。

Linux内核层

前面我们知道Android系统是基于Linux内核，而这时会启动Linux内核的俩个主要进程：

• 启动Kernel的swapper进程(pid=0)，该进程又称为是idle进程，是Kernel由无到有的第一个进程，用于初始化进程管理、内存管理，加载Display、Camera Driver、Binder Driver等工作。
• 启动kthreadd进程(pid=2)，该进程是Linux系统的内核进程，会创建内核工作线程kworkder，软中断线程ksoftirqd等内核守护进程。kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖。

Native层

上面所说的都是Linux内核进程，而到Native层会创建init进程(pid=1)，该进程是用户进程，也是所有用户进程的鼻祖。

init进程的主要作用：

• init进程会孵化出ueventd、logd、installd、adbd等用户守护进程(系统必需的一些服务)。
• init进程还会启动servicemanager(binder服务管家)、bootanim开机动画等重要服务。
• init进程还会孵化出用来管理C++ Framework库的Media Server进程。
• init进程会孵化出Zygote进程，Zygote进程是Android系统第一个Java进程(虚拟机进程)，所以Zygote是所有Java进程的父进程。

而这里Native层和Linux内核层的通信是利用系统调用，关于系统调用简单来说就是Linux内核为了防止用户态的程序随意调用内核代码导致内核挂掉，所有想使用内核的服务都必须通过系统调用。

这里有一些同学之前认为C++层的代码就是内核层，其实不是的，真正内核层的只有Linux内核层，Native层是用户态的C/C++实现部分。

Java Framework层

Zygote进程是由init进程通过解析init.rc后fork而来，由Zygote进程开启Java世界，主要包括：

• 加载ZygoteInit类，注册Zygote Socket服务端套接字，这个是为了响应后面fork新进程的需求。
• 加载虚拟机，即创建ART虚拟机。
• 预加载类preloadClass。
• 预加载资源preloadResources。

然后Zygote进程还会孵化出System Server进程，该进程同时也是Zygote孵化的第一个进程，该进程非常熟悉了，它管理着Java framework，包括AMS、WMS等各种服务。

这里有个非常重要的点，就说JNI技术，通过JNI技术打通了Java世界和C/C++世界。

应用层

Zygote进程会孵化出第一个APP进程就是Launcher了，即桌面APP，每个APP至少运行在一个进程上，而这些进程都是由Zygote进程孵化而来。

经过上面的流程梳理，我们更可以发现Android系统设计的巧妙，每一层都有对应的作用，都由相应的进程来管理，我们可以通过Linux的ps命令来简单查看当前系统的所有进程。

总结

本篇作为Android系统架构的概述，必须要清晰地理解Android系统的分层，以及每一层的作用。其次就是Android系统中涉及的重要进程，比如init、Zygote进程等，理解这些进程的运行，可以更好地从动态角度理解Android系统。