Android平台架构与系统启动流程详解

Android平台架构与系统启动流程详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weijiangbc0/article/details/146103843

Android系统是一个复杂的软件堆栈，基于Linux内核，针对多种设备类型进行了优化。本文将深入解析Android平台的架构模块及其系统启动流程，帮助开发者更好地理解Android系统的底层机制。

一、平台架构模块

Android是一个基于Linux的开源软件堆栈，针对多种不同设备类型打造。图1显示了Android平台的主要组件。

1.1 Linux内核

Android平台的基础是Linux内核。例如，Android运行时(ART)依赖Linux内核来实现底层功能，例如线程处理和低级内存管理。

使用Linux内核可让Android利用关键安全功能，并让设备制造商能够为知名内核开发硬件驱动程序。

1.2 硬件抽象层(HAL)

硬件抽象层(HAL)提供了用于向较高级别的Java API框架公开设备硬件功能的标准接口。HAL由多个库模块组成，每个模块都为特定类型的硬件组件（例如相机或蓝牙模块）实现一个接口。当框架API发出调用以访问设备硬件时，Android系统将为该硬件组件加载库模块。

硬件抽象层(HAL)通过标准接口实现了硬件能力与Java框架的解耦。其核心价值体现在：

• 模块化设计：每个硬件组件（如蓝牙、传感器）对应独立.so库
• 动态加载机制：当应用调用Camera API时，系统自动加载对应的Camera HAL模块
• 版本兼容：通过HIDL接口定义语言保证跨版本兼容性

这种设计使得OEM厂商可以灵活实现硬件功能，同时保持应用层API的稳定性。

1.3 Android运行时

对于搭载Android 5.0（API级别21）或更高版本的设备，每个应用都在其自己的进程中运行，并且有其自己的Android运行时(ART)实例。ART编写为通过执行Dalvik可执行文件格式(DEX)文件，在低内存设备上运行多个虚拟机。DEX文件是一种专为Android设计的字节码格式，针对最小的内存占用量进行了优化。构建工具（如d8）可将Java源代码编译成DEX字节码，此类字节码可在Android平台上运行。

ART的部分主要功能包括：

• 预先(AOT)和即时(JIT)编译
• 优化的垃圾回收(GC)
• 在Android 9（API级别28）及更高版本中，可将应用软件包的DEX文件转换为更紧凑的机器代码
• 可提供更好的调试支持，包括专用采样剖析器、详细的诊断异常和崩溃报告，以及设置观察点以监控特定字段的能力

在Android版本5.0（API级别21）之前，Dalvik是Android运行时。如果您的应用在ART上运行良好，那么它也可以在Dalvik上运行，但反过来不一定。

Android还包含一套核心运行时库，可提供Java API框架所使用的Java编程语言中的大部分功能，包括一些Java 8语言功能。

从Dalvik到ART的演进标志着Android性能的质的飞跃：

ART运行时的关键技术创新：

• 支持Java 8 Lambda表达式
• 引入Compact DEX格式减少安装体积
• 诊断工具支持内存泄漏检测
• 多Dex文件并行加载加速冷启动

1.4 原生C/C++库

许多核心Android系统组件和服务（如ART和HAL）都是从需要用C和C++编写的原生库的原生代码构建的。Android平台提供Java框架API，用于向应用提供其中一些原生库的功能。例如，您可以通过Android框架的Java OpenGL API访问OpenGL ES，以支持在应用中绘制和操控2D和3D图形。

如果开发的是需要C或C++代码的应用，可以使用Android NDK直接从原生代码访问某些原生平台库。

1.5 Java API框架

您可通过以Java语言编写的API使用Android操作系统的整个功能集。这些API是创建Android应用所需的构建块的基础，可简化核心、模块系统组件和服务的重复使用，包括以下组件和服务：

• 丰富且可扩展的视图系统，可用于构建应用界面，包括列表、网格、文本框、按钮，甚至可嵌入的网络浏览器
• 资源管理器，用于访问非代码资源，例如本地化的字符串、图形和布局文件
• 通知管理器，可让所有应用在状态栏中显示自定义提醒
• 一个activity管理器，用于管理应用的生命周期，并提供常见的导航返回堆栈
• Content Provider，可让应用访问其他应用（例如“通讯录”应用）中的数据或共享自己的数据

开发者可以完全访问Android系统应用使用的相同框架API。

1.6 系统应用

Android随附一套用于电子邮件、短信、日历、互联网浏览和通讯录等的核心应用。平台随附的应用与用户可以选择安装的应用一样，没有特殊状态。因此，第三方应用可以成为用户的默认网络浏览器、短信应用甚至默认键盘。但有一些例外情况，例如系统的“设置”应用。

系统应用既可用作用户体验应用，又能提供开发者可从自己的应用访问的关键功能。例如，如果您希望应用发送短信，则无需自行构建该功能。您可以改为调用已安装的短信应用，将消息发送给您指定的接收者。

二、系统启动流程

2.1 Bootloader阶段

• Boot ROM：设备上电后，执行芯片内固化的代码（Boot ROM），初始化硬件并加载第一阶段的Bootloader。
• Bootloader：通常分为多个阶段（如Primary和Secondary），负责验证签名、加载内核和initramfs到内存。常见的Bootloader如U-Boot或厂商定制版本。

2.2 内核启动

• Linux内核初始化：内核解压后，初始化CPU、内存、设备驱动等，挂载根文件系统（通常为ramdisk）。
• 挂载系统分区：内核挂载/system（只读）、/data（读写）等分区，可能涉及dm-verity验证系统完整性。

2.3 Init进程（PID 1）

• 解析init.rc脚本：执行早期初始化（如创建目录、设置权限），启动核心守护进程（ueventd、logd）。
• 启动关键服务：
• Zygote：通过app_process启动，预加载Java核心类和资源，监听Socket等待孵化应用进程。
• Service Manager：Binder IPC的核心管理服务。
• SurfaceFlinger：图形合成服务，负责渲染UI。
• Media Server：多媒体相关服务。

2.4 Zygote与System Server

• Zygote孵化System Server：Zygote fork出System Server进程（Java层核心）。
• System Server启动：
• Binder线程池初始化：启用跨进程通信。
• 核心服务启动顺序：
  1. Activity Manager：管理应用生命周期。
  2. Package Manager：管理应用安装与信息。
  3. Window Manager：窗口管理。
  4. Power Manager、Battery Service等其他服务。
• 服务依赖管理：确保服务按正确顺序启动。

2.5 系统就绪与用户界面

• Launcher启动：System Server完成后，Activity Manager启动主屏幕应用（如Launcher3）。
• 广播通知：发送ACTION_BOOT_COMPLETED，告知应用系统启动完成。

2.6 优化与安全机制

• 并行启动：Android 8.0+采用并行初始化服务，缩短启动时间。
• 安全验证：Bootloader验证内核签名，dm-verity确保系统分区完整性。

三、关键分区与故障处理

• 分区结构：/boot（内核+ramdisk）、/system（系统应用）、/recovery（恢复模式）、/data（用户数据）。
• 异常处理：启动失败时进入Recovery模式或Fastboot，进行系统修复。

四、总结

• 第一个用户进程：init进程（PID 1）。
• 核心作用：架起内核与用户空间的桥梁，管理所有后续进程的启动。
• 关键文件：/init二进制文件、init.rc配置文件。

五、常见误解澄清

• Zygote不是第一个用户进程：虽然Zygote是Java层应用进程的起点，但它是由init进程通过解析init.rc脚本启动的。
• 内核线程vs用户进程：内核启动阶段会运行内核线程（如kthreadd），但这些属于内核空间，不属于用户进程。

本文原文来自CSDN