安卓第二夜 有趣的架构

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学习安卓的架构，是从操做系统的角度理解安卓。安卓使用Linux内核，但安卓的架构又与常见的Linux系统有很大的区别。咱们先来回顾一下传统的Linux架构，再来看安卓的变化。

 

Linux系统架构

先来看常见的Linux系统架构，你能够参考Linux的架构

 

 

内核是系统的底层。Linux开机后，内核即启动，并存活于属于本身的内存空间，即内核空间(kernel space)。内核的一大功能是和硬件通讯。内核中包含各类驱动程序，这些驱动程序既能实现底层的硬件读写操做，又包含硬件使用逻辑。好比一台打印机的驱动，会把打印指令放在内存中的A位置，把打印数据放在内存中的B位置。打印机读取指令后，会从B位置取得数据打印。在内核上层，驱动程序的功能被抽象为函数调用，好比printx(data)。这个函数调用隐藏了许多细节，好比如何执行读写，以及A和B的具体位置。

除了抽象硬件外，内核还维护着Linux的许多重要运行机制，好比虚拟内存、调度器、信号以及进程间通讯(IPC)。内核的功能接口是系统调用(system call)函数。

 

用户使用C或者C++编写的程序，将编译成机器码，运行成为一个进程(process)。每一个进程都会有一个本身的进程空间。进程空间存活于内核空间以外的用户空间(user space)。进程空间中包含程序的代码和数据。不一样进程的进程空间相互独立。进程间若是想要相互交流，须要借用特殊的进程间通讯(IPC)机制。进程空间中有栈(stack)和堆(heap)。当执行到新的函数调用时，栈顶会增长一帧(stack frame)，用于记录该函数的数据和返回地址。当函数执行完成时，该帧会弹出，并根据返回地址接着执行母程序的指令。堆中的空间由程序自由分配。你能够进一步参考Linux从程序到进程。

一个进程空间

 

Linux的程序大可能是C和C++编写。代码被编译为机器码，以便计算机理解。经常使用的代码被编译成库(library)。程序员能够从本身的程序中调用库函数，来重复利用已有代码。程序中调用库函数时，库中包含的机器代码会加载入程序对应的进程空间。

 

 

Android架构

咱们如今来看看安卓的架构。Android的底层使用的是Linux内核。在用户空间中，每一个应用也会运行为一个进程。但安卓细节方面和传统Linux差异很大。

 

HAL

安卓驱动硬件的方式与Linux不尽相同。传统Linux的驱动彻底存活于内核空间。Android则在内核外部增长了硬件抽象层(HAL, Hardware Abstraction Layer)，把一部分驱动功能放到HAL层中。你或许会奇怪，安卓为何费尽麻烦增长一个HAL呢？为了保护源代码。Linux内核采用了GPL协议，因此硬件生产商想要支持Linux系统，必须遵守GPL协议公开硬件驱动的源代码。但这些源代码中包含有许多硬件的设计信息，牵涉到硬件生产商的核心利益。而增长了HAL层以后，硬件厂商就不须要开放全部的驱动代码了。

咱们来看看HAL的具体工做方式。安卓的HAL存活在用户空间，它与内核驱动通讯。但HAL是个“空壳”，安卓会根据须要，加载不一样的动态库，好比调用计算机时，载入libprinter.so。这个动态库是由硬件厂商提供的。好比上面的打印机，硬件厂商能够把读写功能作成驱动。而“指令写入位置A、数据写入位置B”这样的高层逻辑，则编译成库文件(.so)。当咱们使用打印机打印时，咱们将打印需求和数据发送给HAL。HAL加载对应的动态库，经过内核驱动的读写功能，将指令写入打印机的内存位置A，数据写入位置B。打印机预装的程序从位置A读到打印指令，就会从位置B读取数据，实现打印。这样，HAL实际上把部分驱动功能放入到动态库中，内核中的驱动只保留最基本的读写操做功能。部分驱动功能从内核空间转移到了用户空间。因为高层逻辑是编译好的.so文件，打印机厂商不用担忧如指令位置A、数据位置B这样的信息泄露。

 

左为Linux，右为安卓HAL

 

安卓的HAL模块是从Linux内核导出的，因此源代码公开。HAL是Apache协议，并不要求它的配套程序，如硬件驱动的源码公开。因为这些库函数没有直接调用内核，因此不须要释放源代码。经过HAL层，安卓保护了硬件厂商的商业利益，鼓励了硬件厂商对安卓系统的支持。

 

固然，Linux开发小组对此很不高兴，把安卓的开发分支从Linux内核中删除。

 

Dalvik虚拟机

安卓的应用是由Java编写的，而包括HAL在内的Linux的库都是由C/C++编写的，这个落差由Dalvik虚拟机衔接的。当一个应用运行时，进程空间内将包含一个Dalvik虚拟机。Java程序编译为字节码文件，运行在Dalvik虚拟机中。根据Java代码中的要求，Dalvik经过JNI(Java Native Interface)调用底层的C/C++编写的功能。JNI是从Java中调用C/C++模块的接口。因为上层接口的标准化，字节码能够畅通无阻的跨平台运行。

 

Dalvik VM

Dalvik虚拟机内部是一个“虚拟”进程空间，有本身的栈和堆，管理代码的运行流程。若是这以“虚拟”进程空间不足，Dalvik内建的垃圾回收(garbage collection)机制会自动清空堆上再也不使用的对象。自动的垃圾回收简化了程序员的工做，但速度较慢。手动内存管理效率高，但须要更多的编程，且容易犯错。垃圾回收的具体原理可参考Java内存管理与垃圾回收。 

 

固然，Oracle不高兴，认为Dalvik是对JVM赤裸裸的抄袭。

 

Core Library和Android Framework

Android程序员的主要工做是编写Dalvik上运行的Java程序。Google提供了核心类库(Java core library)，它包括Java的经常使用类库，如:

• java.lang
• java.util
• java.math
• java.net
• ...

这些类库的API，与Oracle的官方API相同，因此你能够按照一样的方法调用。

 

核心类库中还包括Dalvik虚拟机的调用接口：

• dalvik.annotation
• dalvik.bytecode
• dalvik.system

 

安卓程序员还能够调用一些针对安卓的类库，即安卓框架(Android Framework)。这些类库对应安卓的特定功能。经过它们，咱们能够操纵安卓上的各个功能模块，从触屏到GPS，从视图元素到数据库。如：

• android.database
• android.bluetooth
• android.gesture
• ...

安卓相关的类库列表

 

核心类库和安卓框架是安卓程序员的左膀右臂。再加上Java语言自己的逻辑，这就是安卓程序员战斗着的世界了。我会在之后的文章中，继续深刻这个战场。

 

多谢微博 @文艺复兴记 指导我Dalvik的相关内容。下面资料也帮助了我理解：

http://sujaiantony.wordpress.com/2012/06/25/an-android-101-hardware-and-hal/

 

 

总结

HAL

Dalvik

Core Library

Android Framework

 

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