一,、引言

眾所周知,，Android是谷歌開發(fā)的一款基于Linux的開源操作系統(tǒng)，從誕生至今已有10余年,，這一路走來Android遇到哪些問題,？大版本升級朝著什么方向演進？Android的未來如何,？我的公號《Android 技術架構演進與未來》 講解了Android一路走來,，在用戶體驗、性能,、功耗,、安全、隱私等方面取得的很大進步,，以及未來可能的方向,。

本文作為Android系統(tǒng)架構的開篇，起到提綱挈領的作用,，從系統(tǒng)整體架構角度概要講解Android系統(tǒng)的核心技術點,，帶領大家初探Android系統(tǒng)全貌以及內(nèi)部運作機制。雖然Android系統(tǒng)非常龐大且錯綜復雜,，需要具備全面的技術棧,，但整體架構設計清晰。Android底層內(nèi)核空間以Linux Kernel作為基石,，上層用戶空間由Native系統(tǒng)庫,、虛擬機運行環(huán)境、框架層組成,，通過系統(tǒng)調(diào)用(Syscall)連通系統(tǒng)的內(nèi)核空間與用戶空間,。對于用戶空間主要采用C++和Java代碼編寫，通過JNI技術打通用戶空間的Java層和Native層(C++/C),，從而連通整個系統(tǒng),。

為了能讓大家整體上大致了解Android系統(tǒng)涉及的知識層面，先來看一張Google官方提供的經(jīng)典分層架構圖,，從下往上依次分為Linux內(nèi)核,、HAL、系統(tǒng)Native庫和Android運行時環(huán)境,、Java框架層以及應用層這5層架構,，其中每一層都包含大量的子模塊或子系統(tǒng)。

上圖采用靜態(tài)分層方式的架構劃分,，眾所周知,，程序代碼是死的，系統(tǒng)運轉是活的,，各模塊代碼運行在不同的進程(線程)中,，相互之間進行著各種錯終復雜的信息傳遞與交互流,，從這個角度來說此圖并沒能體現(xiàn)Android整個系統(tǒng)的內(nèi)部架構、運行機理,，以及各個模塊之間是如何銜接與配合工作的,。

為了更深入地掌握Android整個架構思想以及各個模塊在Android系統(tǒng)所處的地位與價值，計劃以Android系統(tǒng)啟動過程為主線,，以進程的視角來詮釋Android M系統(tǒng)全貌,，全方位的深度剖析各個模塊功能，爭取各個擊破,。這樣才能猶如庖丁解牛,，解決、分析問題則能游刃有余,。

二,、Android架構

Google提供的5層架構圖很經(jīng)典，但為了更進一步透視Android系統(tǒng)架構,，本文更多的是以進程的視角,，以分層的架構來詮釋Android系統(tǒng)的全貌，闡述Android內(nèi)部的環(huán)環(huán)相扣的內(nèi)在聯(lián)系,。

系統(tǒng)啟動架構圖

圖解：Android系統(tǒng)啟動過程由上圖從下往上的一個過程是由Boot Loader引導開機,，然后依次進入 ->Kernel->Native->Framework->App，接來下簡要說說每個過程：

關于Loader層：

• Boot ROM: 當手機處于關機狀態(tài)時,，長按Power鍵開機,，引導芯片開始從固化在ROM里的預設代碼開始執(zhí)行，然后加載引導程序到RAM,；

• Boot Loader：這是啟動Android系統(tǒng)之前的引導程序,，主要是檢查RAM，初始化硬件參數(shù)等功能,。

2.1 Linux內(nèi)核層

Android平臺的基礎是Linux內(nèi)核,，比如ART虛擬機最終調(diào)用底層Linux內(nèi)核來執(zhí)行功能。Linux內(nèi)核的安全機制為Android提供相應的保障,，也允許設備制造商為內(nèi)核開發(fā)硬件驅(qū)動程序,。

• 啟動Kernel的swapper進程(pid=0)：該進程又稱為idle進程, 系統(tǒng)初始化過程Kernel由無到有開創(chuàng)的第一個進程, 用于初始化進程管理、內(nèi)存管理,，加載Display,Camera Driver，Binder Driver等相關工作,；

• 啟動kthreadd進程（pid=2）：是Linux系統(tǒng)的內(nèi)核進程,，會創(chuàng)建內(nèi)核工作線程kworkder，軟中斷線程ksoftirqd,，thermal等內(nèi)核守護進程,。

  kthreadd進程是所有內(nèi)核進程的鼻祖,。

2.2 硬件抽象層 (HAL)

硬件抽象層 (HAL) 提供標準接口，HAL包含多個庫模塊,，其中每個模塊都為特定類型的硬件組件實現(xiàn)一組接口,，比如WIFI/藍牙模塊，當框架API請求訪問設備硬件時,，Android系統(tǒng)將為該硬件加載相應的庫模塊,。

2.3 Android Runtime & 系統(tǒng)庫

每個應用都在其自己的進程中運行，都有自己的虛擬機實例,。ART通過執(zhí)行DEX文件可在設備運行多個虛擬機,，DEX文件是一種專為Android設計的字節(jié)碼格式文件，經(jīng)過優(yōu)化,，使用內(nèi)存很少,。ART主要功能包括：預先(AOT)和即時(JIT)編譯，優(yōu)化的垃圾回收(GC),，以及調(diào)試相關的支持,。

• —— init進程會孵化出ueventd,、logd,、healthd、installd,、adbd,、lmkd等用戶守護進程；

• —— init進程還啟動servicemanager(binder服務管家),、bootanim(開機動畫)等重要服務,。

• —— init進程孵化出Zygote進程，Zygote進程是Android系統(tǒng)的第一個Java進程(即虛擬機進程),，Zygote是所有Java進程的父進程,，Zygote進程本身是由init進程孵化而來的。

2.4 Framework層

• Zygote進程,，是由init進程通過解析init.rc文件后fork生成的,，Zygote進程主要包含：

    —— 加載ZygoteInit類，注冊Zygote Socket服務端套接字

    —— 加載虛擬機

    —— 提前加載類preloadClasses

    —— 提前加載資源preloadResouces

• System Server進程,，是由Zygote進程fork而來,，System Server是Zygote孵化的第一個進程，System Server負責啟動和管理整個Java framework,，包含ActivityManager,，WindowManager,，PackageManager，PowerManager等服務,。

• Media Server進程,，是由init進程fork而來，負責啟動和管理整個C++ framework,，包含——AudioFlinger,，Camera Service等服務。

2.5 App層

• Zygote進程孵化出的第一個App進程是Launcher,，這是用戶看到的桌面App,；

• Zygote進程還會創(chuàng)建Browser，Phone,，Email等App進程,，每個App至少運行在一個進程上。

• 所有的App進程都是由Zygote進程fork生成的,。

2.6 Syscall && JNI

• Native與Kernel之間有一層系統(tǒng)調(diào)用(SysCall)層,，見Linux系統(tǒng)調(diào)用(Syscall)原理;

• Java層與Native(C/C++)層之間的紐帶JNI，見Android JNI原理分析,。

三,、通信方式

無論是Android系統(tǒng)，還是各種Linux衍生系統(tǒng),，各個組件,、模塊往往運行在各種不同的進程和線程內(nèi)，這里就必然涉及進程/線程之間的通信,。對于IPC(Inter-Process Communication, 進程間通信),，Linux現(xiàn)有管道、消息隊列,、共享內(nèi)存,、套接字、信號量,、信號這些IPC機制,，Android額外還有Binder IPC機制，Android OS中的Zygote進程的IPC采用的是Socket機制,，在上層system server,、media server以及上層App之間更多的是采用Binder IPC方式來完成跨進程間的通信。對于Android上層架構中,，很多時候是在同一個進程的線程之間需要相互通信,，例如同一個進程的主線程與工作線程之間的通信，往往采用的Handler消息機制。

想深入理解Android內(nèi)核層架構,，必須先深入理解Linux現(xiàn)有的IPC機制；對于Android上層架構,，則最常用的通信方式是Binder,、Socket、Handler,，當然也有少量其他的IPC方式,，比如殺進程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面說說Binder,、Socket,、Handler：

3.1 Binder

Binder作為Android系統(tǒng)提供的一種IPC機制，無論從系統(tǒng)開發(fā)還是應用開發(fā),，都是Android系統(tǒng)中最重要的組成,，也是最難理解的一塊知識點，想了解為什么Android要采用Binder作為IPC機制,？ 可查看我在知乎上的回答,。深入了解Binder機制，最好的方法便是閱讀源碼,，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾說過的一句話：Read The Fucking Source Code,。下面簡要說說Binder IPC原理。

Binder IPC原理

Binder通信采用c/s架構,，從組件視角來說,，包含Client、Server,、ServiceManager以及binder驅(qū)動,，其中ServiceManager用于管理系統(tǒng)中的各種服務。

• 想進一步了解Binder,，可查看Binder系列—開篇,，Binder系列花費了13篇文章的篇幅，從源碼角度出發(fā)來講述Driver,、Native,、Framework、App四個層面的整個完整流程,。根據(jù)有些讀者反饋這個系列還是不好理解,，這個binder涉及的層次跨度比較大，知識量比較廣,，建議大家先知道binder是用于進程間通信,，有個大致概念就可以先去學習系統(tǒng)基本知識，等后面有一定功力再進一步深入研究Binder機制。

3.2 Socket

Socket通信方式也是C/S架構,，比Binder簡單很多,。在Android系統(tǒng)中采用Socket通信方式的主要有：

• ● zygote：用于孵化進程，system_server創(chuàng)建進程是通過socket向zygote進程發(fā)起請求,；

• ● installd：用于安裝App的守護進程,，上層PackageManagerService很多實現(xiàn)最終都是交給它來完成；

• ● lmkd：lowmemorykiller的守護進程,，Java層的LowMemoryKiller最終都是由lmkd來完成,；

• ● adbd：這個也不用說，用于服務adb,；

• ● logcatd:這個不用說,，用于服務logcat；

• ● vold：即volume Daemon,，是存儲類的守護進程,，用于負責如USB、Sdcard等存儲設備的事件處理,。

等等還有很多,，這里不一一列舉，Socket方式更多的用于Android framework層與native層之間的通信,。Socket通信方式相對于binder比較簡單,，這里省略。

3.3 Handler

Binder/Socket用于進程間通信,，而Handler消息機制用于同進程的線程間通信,，Handler消息機制是由一組MessageQueue、Message,、Looper,、Handler共同組成的，為了方便且稱之為Handler消息機制,。

有人可能會疑惑,，為何Binder/Socket用于進程間通信，能否用于線程間通信呢,？答案是肯定,，對于兩個具有獨立地址空間的進程通信都可以，當然也能用于共享內(nèi)存空間的兩個線程間通信,，這就好比殺雞用牛刀,。接著可能還有人會疑惑，那handler消息機制能否用于進程間通信,？答案是不能,，Handler只能用于共享內(nèi)存地址空間的兩個線程間通信，即同進程的兩個線程間通信。很多時候,，Handler是工作線程向UI主線程發(fā)送消息,，即App應用中只有主線程能更新UI，其他工作線程往往是完成相應工作后,，通過Handler告知主線程需要做出相應地UI更新操作,，Handler分發(fā)相應的消息給UI主線程去完成，如下圖：

由于工作線程與主線程共享地址空間,，即Handler實例對象mHandler位于線程間共享的內(nèi)存堆上，工作線程與主線程都能直接使用該對象,，只需要注意多線程的同步問題,。工作線程通過mHandler向其成員變量MessageQueue中添加新Message，主線程一直處于loop()方法內(nèi),，當收到新的Message時按照一定規(guī)則分發(fā)給相應的handleMessage()方法來處理,。所以說，Handler消息機制用于同進程的線程間通信,，其核心是線程間共享內(nèi)存空間,，而不同進程擁有不同的地址空間，也就不能用handler來實現(xiàn)進程間通信,。

上圖只是Handler消息機制的一種處理流程,，是不是只能工作線程向UI主線程發(fā)消息呢，其實不然,，可以是UI線程向工作線程發(fā)送消息,，也可以是多個工作線程之間通過handler發(fā)送消息。