Android系统架构开篇

时间 2021-08-13

标签算法数组安全多线程架构并发 app 框架 socket ide 栏目 Android 繁體版

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Android系统庞大且错综复杂，Gityuan带领你们初探Android系统总体架构，一窥其全貌。算法

1、引言

本文做为Android系统架构的开篇，起到提纲挈领的做用，从系统总体架构角度概要讲解Android系统的核心技术点，带领你们初探Android系统全貌以及内部运做机制。虽然Android系统很是庞大且错综复杂，须要具有全面的技术栈，但总体架构设计清晰。Android底层内核空间以Linux Kernel做为基石，上层用户空间由Native系统库、虚拟机运行环境、框架层组成，经过系统调用(Syscall)连通系统的内核空间与用户空间。对于用户空间主要采用C++和Java代码编写，经过JNI技术打通用户空间的Java层和Native层(C++/C)，从而连通整个系统。数组

为了能让你们总体上大体了解Android系统涉及的知识层面，先来看一张Google官方提供的经典分层架构图，从下往上依次分为Linux内核、HAL、系统Native库和Android运行时环境、Java框架层以及应用层这5层架构，其中每一层都包含大量的子模块或子系统。安全

上图采用静态分层方式的架构划分，众所周知，程序代码是死的，系统运转是活的，各模块代码运行在不一样的进程(线程)中，相互之间进行着各类错终复杂的信息传递与交互流，从这个角度来讲此图并没能体现Android整个系统的内部架构、运行机理，以及各个模块之间是如何衔接与配合工做的。为了更深刻地掌握Android整个架构思想以及各个模块在Android系统所处的地位与价值，计划以Android系统启动过程为主线，以进程的视角来诠释Android M系统全貌，全方位的深度剖析各个模块功能，争取各个击破。这样才能犹如庖丁解牛，解决、分析问题则能游刃有余。多线程

2、Android架构

Google提供的5层架构图很经典，但为了更进一步透视Android系统架构，本文更多的是以进程的视角，以分层的架构来诠释Android系统的全貌，阐述Android内部的环环相扣的内在联系。架构

系统启动架构图并发

图解：Android系统启动过程由上图从下往上的一个过程是由Boot Loader引导开机，而后依次进入 -> Kernel -> Native -> Framework -> App，接来下简要说说每一个过程：app

关于Loader层：框架

Boot ROM: 当手机处于关机状态时，长按Power键开机，引导芯片开始从固化在 ROM里的预设代码开始执行，而后加载引导程序到 RAM；socket
Boot Loader：这是启动Android系统以前的引导程序，主要是检查RAM，初始化硬件参数等功能。ide

2.1 Linux内核层

Android平台的基础是Linux内核，好比ART虚拟机最终调用底层Linux内核来执行功能。Linux内核的安全机制为Android提供相应的保障，也容许设备制造商为内核开发硬件驱动程序。

启动Kernel的swapper进程(pid=0)：该进程又称为idle进程, 系统初始化过程Kernel由无到有开创的第一个进程, 用于初始化进程管理、内存管理，加载Display,Camera Driver，Binder Driver等相关工做；
启动kthreadd进程（pid=2）：是Linux系统的内核进程，会建立内核工做线程kworkder，软中断线程ksoftirqd，thermal等内核守护进程。 kthreadd进程是全部内核进程的鼻祖。

2.2 硬件抽象层 (HAL)

硬件抽象层 (HAL) 提供标准接口，HAL包含多个库模块，其中每一个模块都为特定类型的硬件组件实现一组接口，好比WIFI/蓝牙模块，当框架API请求访问设备硬件时，Android系统将为该硬件加载相应的库模块。

2.3 Android Runtime & 系统库

每一个应用都在其本身的进程中运行，都有本身的虚拟机实例。ART经过执行DEX文件可在设备运行多个虚拟机，DEX文件是一种专为Android设计的字节码格式文件，通过优化，使用内存不多。ART主要功能包括：预先(AOT)和即时(JIT)编译，优化的垃圾回收(GC)，以及调试相关的支持。

这里的Native系统库主要包括init孵化来的用户空间的守护进程、HAL层以及开机动画等。启动init进程(pid=1),是Linux系统的用户进程， init进程是全部用户进程的鼻祖。

init进程会孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程；
init进程还启动 servicemanager(binder服务管家)、 bootanim(开机动画)等重要服务
init进程孵化出Zygote进程，Zygote进程是Android系统的第一个Java进程(即虚拟机进程)， Zygote是全部Java进程的父进程，Zygote进程自己是由init进程孵化而来的。

2.4 Framework层

Zygote进程，是由init进程经过解析init.rc文件后fork生成的，Zygote进程主要包含：
加载ZygoteInit类，注册Zygote Socket服务端套接字
加载虚拟机
提早加载类preloadClasses
提早加载资源preloadResouces
System Server进程，是由Zygote进程fork而来， SystemServer是Zygote孵化的第一个进程，System Server负责启动和管理整个Java framework，包含ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等服务。
Media Server进程，是由init进程fork而来，负责启动和管理整个C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service等服务。

2.5 App层

Zygote进程孵化出的第一个App进程是Launcher，这是用户看到的桌面App；
Zygote进程还会建立Browser，Phone，Email等App进程，每一个App至少运行在一个进程上。
全部的App进程都是由Zygote进程fork生成的。

2.6 Syscall && JNI

Native与Kernel之间有一层系统调用(SysCall)层，见Linux系统调用(Syscall)原理;
Java层与Native(C/C++)层之间的纽带JNI，见Android JNI原理分析。

3、通讯方式

不管是Android系统，仍是各类Linux衍生系统，各个组件、模块每每运行在各类不一样的进程和线程内，这里就必然涉及进程/线程之间的通讯。对于IPC(Inter-Process Communication, 进程间通讯)，Linux现有管道、消息队列、共享内存、套接字、信号量、信号这些IPC机制，Android额外还有Binder IPC机制，Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket机制，在上层system server、media server以及上层App之间更多的是采用Binder IPC方式来完成跨进程间的通讯。对于Android上层架构中，不少时候是在同一个进程的线程之间须要相互通讯，例如同一个进程的主线程与工做线程之间的通讯，每每采用的Handler消息机制。

想深刻理解Android内核层架构，必须先深刻理解Linux现有的IPC机制；对于Android上层架构，则最经常使用的通讯方式是Binder、Socket、Handler，固然也有少许其余的IPC方式，好比杀进程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面说说Binder、Socket、Handler：

3.1 Binder

Binder做为Android系统提供的一种IPC机制，不管从系统开发仍是应用开发，都是Android系统中最重要的组成，也是最难理解的一块知识点，想了解为何Android要采用Binder做为IPC机制？可查看我在知乎上的回答。深刻了解Binder机制，最好的方法即是阅读源码，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾说过的一句话：Read The Fucking Source Code。下面简要说说Binder IPC原理。

Binder IPC原理

Binder通讯采用c/s架构，从组件视角来讲，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动，其中ServiceManager用于管理系统中的各类服务。

想进一步了解Binder，可查看Binder系列—开篇，Binder系列花费了13篇文章的篇幅，从源码角度出发来说述Driver、Native、Framework、App四个层面的整个完整流程。根据有些读者反馈这个系列仍是很差理解，这个binder涉及的层次跨度比较大，知识量比较广，建议你们先知道binder是用于进程间通讯，有个大体概念就能够先去学习系统基本知识，等后面有必定功力再进一步深刻研究Binder机制。

Binder原理篇

序号	文章名	概述
0	Binder系列—开篇	Binder概述
1	Binder系列3—启动Service Manager	ServiceManager守护进程注册和查询服务
2	Binder系列4—获取Service Manager	获取代理对象BpServiceManager
3	Binder系列5—注册服务(addService)	注册Media服务
4	Binder系列6—获取服务(getService)	获取Media代理，以及DeathRecipient
5	Binder系列7—framework层分析	framework层服务注册和查询，Binder注册
6	理解Binder线程池的管理	Binder的startThreadPool过程
7	完全理解Android Binder通讯架构	startService为主线
8	Binder系列10—总结	Binder的简单总结
9	Binder IPC的权限控制	clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity
10	Binder死亡通知机制之linkToDeath	Binder死亡通知机制

Binder驱动篇:

1	Binder Driver初探	驱动open/mmap/ioctl，以及binder结构体
2	Binder Driver再探	Binder通讯协议，内存机制

Binder使用篇:

1	如何使用Binder	Native层、Framwrok层自定义Binder服务
2	如何使用AIDL	App层自定义Binder服务

3.2 Socket

Socket通讯方式也是C/S架构，比Binder简单不少。在Android系统中采用Socket通讯方式的主要有：

zygote：用于孵化进程，system_server建立进程是经过socket向zygote进程发起请求；
installd：用于安装App的守护进程，上层PackageManagerService不少实现最终都是交给它来完成；
lmkd：lowmemorykiller的守护进程，Java层的LowMemoryKiller最终都是由lmkd来完成；
adbd：这个也不用说，用于服务adb；
logcatd:这个不用说，用于服务logcat；
vold：即volume Daemon，是存储类的守护进程，用于负责如USB、Sdcard等存储设备的事件处理。

等等还有不少，这里不一一列举，Socket方式更多的用于Android framework层与native层之间的通讯。Socket通讯方式相对于binder比较简单，这里省略。

3.3 Handler

Binder/Socket用于进程间通讯，而Handler消息机制用于同进程的线程间通讯，Handler消息机制是由一组MessageQueue、Message、Looper、Handler共同组成的，为了方便且称之为Handler消息机制。

有人可能会疑惑，为什么Binder/Socket用于进程间通讯，可否用于线程间通讯呢？答案是确定，对于两个具备独立地址空间的进程通讯均可以，固然也能用于共享内存空间的两个线程间通讯，这就比如杀鸡用牛刀。接着可能还有人会疑惑，那handler消息机制可否用于进程间通讯？答案是不能，Handler只能用于共享内存地址空间的两个线程间通讯，即同进程的两个线程间通讯。不少时候，Handler是工做线程向UI主线程发送消息，即App应用中只有主线程能更新UI，其余工做线程每每是完成相应工做后，经过Handler告知主线程须要作出相应地UI更新操做，Handler分发相应的消息给UI主线程去完成，以下图：

因为工做线程与主线程共享地址空间，即Handler实例对象mHandler位于线程间共享的内存堆上，工做线程与主线程都能直接使用该对象，只须要注意多线程的同步问题。工做线程经过mHandler向其成员变量MessageQueue中添加新Message，主线程一直处于loop()方法内，当收到新的Message时按照必定规则分发给相应的handleMessage()方法来处理。因此说，Handler消息机制用于同进程的线程间通讯，其核心是线程间共享内存空间，而不一样进程拥有不一样的地址空间，也就不能用handler来实现进程间通讯。

上图只是Handler消息机制的一种处理流程，是否是只能工做线程向UI主线程发消息呢，其实否则，能够是UI线程向工做线程发送消息，也能够是多个工做线程之间经过handler发送消息。更多关于Handler消息机制文章：

Android消息机制-Handler(framework篇)
Android消息机制-Handler(native篇)
Android消息机制3-Handler(实战)

要理解framework层源码，掌握这3种基本的进程/线程间通讯方式是很是有必要，固然Linux还有很多其余的IPC机制，好比共享内存、信号、信号量，在源码中也有体现，若是想全面完全地掌握Android系统，仍是须要对每一种IPC机制都有所了解。

4、核心提纲

博主对于Android从系统底层一路到上层都有本身的理解和沉淀，经过前面对系统启动的介绍，相信你们对Android系统有了一个总体观。接下来需抓核心、理思路，争取各个击破。后续将持续更新和完善整个大纲，不限于进程、内存、IO、系统服务架构以及分析实战等文章。

固然本站有一些文章没来得及进一步加工，有时间根据你们的反馈，不断修正和完善全部文章，争取给文章，再进一步精简非核心代码，增长可视化图表以及文字的结论性分析。基于Android 6.0的源码，专一于分享Android系统原理、架构分析的原创文章。

建议阅读群体：适合于正从事或者有兴趣研究Android系统的工程师或者技术爱好者，也适合Android App高级工程师；对于还没有入门或者刚入门的App工程师阅读可能会有点困难，建议先阅读更基础的资料，再来阅读本站博客。

看到Android整个系统架构是如此庞大的, 该问如何学习Android系统, 如下是我本身的Android的学习和研究论，仅供参考如何自学Android。

从整理上来列举一下Android系统的核心知识点概览：

4.1 系统启动系列

Android系统启动-概述:

Android系统中极其重要进程：init, zygote, system_server, servicemanager 进程:

序号	进程启动	概述
1	init进程	Linux系统中用户空间的第一个进程, Init.main
2	zygote进程	全部Ａpp进程的父进程, ZygoteInit.main
3	system_server进程(上篇)	系统各大服务的载体, forkSystemServer过程
4	system_server进程(下篇)	系统各大服务的载体, SystemServer.main
5	servicemanager进程	binder服务的大管家, 守护进程循环运行在binder_loop
6	App进程	经过Process.start启动App进程, ActivityThread.main

再来看看守护进程(也就是进程名通常以d为后缀，好比logd，此处d是指daemon的简称), 下面介绍部分守护进程：

debuggerd
installd
lmkd
logd

4.2 系统稳定性系列

Android系统稳定性主要是异常崩溃(crash)和执行超时(timeout),:

序号	文章名	概述
1	理解Android ANR的触发原理	触发ANR的场景以及机理
2	Input系统—ANR原理分析	input触发ANR的原理
3	理解Android ANR的信息收集过程	AMS.appNotResponding过程分析,收集traces
4	解读Java进程的Trace文件	kill -3 信息收集过程
5	Native进程之Trace原理	debuggerd -b 信息收集过程
6	WatchDog工做原理	WatchDog触发机制
7	理解Java Crash处理流程	AMS.handleApplicationCrash过程分析
8	理解Native Crash处理流程	debuggerd守护进程
9	global reference限制策略	global reference

4.3 Android进程系列

进程/线程是操做系统的魂，各类服务、组件、子系统都是依附于具体的进程实体。深刻理解进程机制对于掌握Android系统总体架构和运起色制是很是有必要的，是系统工程师的基本功，下面列举进程相关的文章：

序号	文章名	概述
1	理解Android进程建立流程	Process.start过程分析
2	理解杀进程的实现原理	Process.killProcess过程分析
3	Android四大组件与进程启动的关系	AMS.startProcessLocked过程分析组件与进程
4	Android进程绝杀技--forceStop	force-stop过程分析完全移除组件与杀进程
5	理解Android线程建立流程	3种不一样线程的建立过程
6	完全理解Android Binder通讯架构	以start-service为线,阐述进程间通讯机理
7	理解Binder线程池的管理	Zygote fork的进程都默认开启binder线程池
8	Android进程生命周期与ADJ	进程adj, processState以及lmk
9	Android LowMemoryKiller原理分析	lmk原理分析
10	进程优先级	进程nice,thread priority以及scheduler
11	Android进程调度之adj算法	updateOomAdjLocked过程
12	Android进程整理	整理系统的全部进程/线程

4.4 四大组件系列

对于App来讲，Android应用的四大组件Activity，Service，Broadcast Receiver， Content Provider最为核心，接下分别展开介绍：

序号	文章名	类别
1	startActivity启动过程分析	Activity
2	简述Activity生命周期	Activity
3	startService启动过程分析	Service
4	bindService启动过程分析	Service
5	以Binder视角来看Service启动	Service
6	Android Broadcast广播机制分析	Broadcast
7	理解ContentProvider原理	ContentProvider
8	ContentProvider引用计数	ContentProvider
9	Activity与Service生命周期	Activity&&Service
10	简述Activity与Window关系	Activity&&Window
11	四大组件之综述	AMS
12	四大组件之ServiceRecord	Service
13	四大组件之BroadcastRecord	Broadcast
14	四大组件之ContentProviderRecord	ContentProvider
15	理解Android Context	Context
16	理解Application建立过程	Application
17	unbindService流程分析	Service
18	四大组件之ActivityRecord	Activity
19	AMS总结(一)	AMS

4.5 图形系统系列

图形也是整个系统很是复杂且重要的一个系列，涉及WindowManager,SurfaceFlinger服务。

序号	文章名	类别
1	WindowManager启动篇	Window
2	WMS之启动窗口篇	Window
3	以Window视角来看startActivity	Window
4	Android图形系统概述	SurfaceFlinger
5	SurfaceFlinger启动篇	SurfaceFlinger
6	SurfaceFlinger绘图篇	SurfaceFlinger
7	Choreographer原理	Choreographer

4.6 系统服务篇

再则就是在整个架构中有大量的服务，都是基于Binder来交互的，Android系统服务的注册过程也是在此之上的构建的。计划针对部分核心服务来重点分析：

AMS服务
AMS启动过程（一）
更多组件篇[见小节4.3]
Input系统
Input系统—启动篇
Input系统—InputReader线程
Input系统—InputDispatcher线程
Input系统—UI线程
Input系统—进程交互
Input系统—ANR原理分析
PKMS服务
PackageManager启动篇
Installd守护进程
Alarm服务
理解AlarmManager机制
JobScheduler服务
理解JobScheduler机制
BatteryService
Android耗电统计算法
PMS服务
DropBox服务
DropBoxManager启动篇
UserManagerService
多用户管理UserManager
更多系统服务
敬请期待

4.7 内存&&存储篇

内存篇
- Android LowMemoryKiller原理分析
- Linux内存管理
- Android内存分析命令
存储篇
- Android存储系统之源码篇
- Android存储系统之架构篇
Linux驱动篇
- 敬请期待
dalvik/art
- 解读Java进程的Trace文件

4.8 工具篇

再来讲说Android相关的一些经常使用命令和工具以及调试手段.

序号	文章名	类别
1	理解Android编译命令	build
2	理解Android.bp	build
2	性能工具Systrace	systrace
3	Android内存分析命令	Memory
4	ps进程命令	Process
5	Am命令用法	Am
6	Pm命令用法	Pm
7	调试系列1：bugreport源码篇	bugreport
8	调试系列2：bugreport实战篇	bugreport
9	dumpsys命令用法	dumpsys
10	Android logd日志原理	logd
11	介绍gdb调试工具	gdb
12	介绍addr2line调试命令	addr2line

4.9 实战篇

下面列举处理过的部分较为典型的案例，供你们参考

序号	文章名	类别
1	Binder Driver缺陷致使定屏的案例	binder
2	深度解读ArrayMap优点与缺陷	ArrayMap
3	数组越界致使系统重启的案例	数组越界
4	一行Log引起多线程并发问题的案例	多线程并发
5	跑monkey压力测试过程的冻屏案例	monkey冻屏
6	深度剖析APP保活案例	保活

本文只是提纲挈领的篇章，更多详细文章可点击下方阅读原文，进入个人博客Gityuan.com阅读，博主仍在持续更新。

5、结束语

Android系统之博大精深，包括Linux内核、Native、虚拟机、Framework，经过系统调用连通内核与用户空间，经过JNI打通用户空间的Java层和Native层，经过Binder、Socket、Handler等打通跨进程、跨线程的信息交换。只有真正阅读并理解系统核心架构的设计，解决问题和设计方案才能作到心中无剑胜有剑，才能作到知其然知其因此然。当修炼到此，恭喜你对系统有了更高一个层次的理解，正如太极剑法，忘记了全部招式，也就练成了太极剑法。

再回过头去看看那些API，看到的将再也不是一行行代码、一个个接口的调用，而是各类信息的传递与交互工做，而是背后成千上万个小蝌蚪的动态执行流。记得《侠客行》里面的龙木二岛主终其一辈子也没法参透太玄经，石破天却短短很多天练成绝世神功，究其根源是龙木二岛主以静态视角去解读太玄经，而石破天把墙壁的图案想象成无数游动的蝌蚪，最终成就绝世神功。一言以蔽之，程序代码是死的，系统运转是活的，要以动态视角去理解系统架构。