掌握 Android 系统架构,看这一篇就够了!

Android系统庞大且错综复杂,今天小编将带领大家初探Android系统整体架构,一窥其全貌。

引言

本文作为Android系统架构的开篇,起到提纲挈领的作用,从系统整体架构角度概要讲解Android系统的核心技术点,带领大家初探Android系统全貌以及内部运作机制。虽然Android系统非常庞大且错综复杂,需要具备全面的技术栈,但整体架构设计清晰。Android底层内核空间以Linux Kernel作为基石,上层用户空间由Native系统库、虚拟机运行环境、框架层组成,通过系统调用(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,通过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。

为了能让大家整体上大致了解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。

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同的进程(线程)中,相互之间进行着各种错终复杂的信息传递与交互流,从这个角度来说此图并没能体现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作的。为了更深入地掌握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。

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。

系统启动架构图

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,然后依次进入 -> Kernel -> Native -> Framework -> App,接来下简要说说每个过程:

关于Loader层:

  • 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,然后加载引导程序到 RAM;
  • Boot Loader:这是启动Android系统之前的引导程序,主要是检查RAM,初始化硬件参数等功能。

2.1 Linux内核层

Android平台的基础是Linux内核,比如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,也允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等相关工作;
  • 启动kthreadd进程(pid=2):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,thermal等内核守护进程。 kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖。

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,其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一组接口,比如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

每个应用都在其自己的进程中运行,都有自己的虚拟机实例。ART通过执行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,经过优化,使用内存很少。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进程是所有用户进程的鼻祖。

  • 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是所有Java进程的父进程,Zygote进程本身是由init进程孵化而来的。

2.4 Framework层

  • Zygote进程,是由init进程通过解析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
  • 提前加载类preloadClasses
  • 提前加载资源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进程还会创建Browser,Phone,Email等App进程,每个App至少运行在一个进程上。
  • 所有的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。

通信方式

无论是Android系统,还是各种Linux衍生系统,各个组件、模块往往运行在各种不同的进程和线程内,这里就必然涉及进程/线程之间的通信。对于IPC(Inter-Process Communication, 进程间通信),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信。对于Android上层架构中,很多时候是在同一个进程的线程之间需要相互通信,例如同一个进程的主线程与工作线程之间的通信,往往采用的Handler消息机制。

想深入理解Android内核层架构,必须先深入理解Linux现有的IPC机制;对于Android上层架构,则最常用的通信方式是Binder、Socket、Handler,当然也有少量其他的IPC方式,比如杀进程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面说说Binder、Socket、Handler:

3.1 Binder

Binder作为Android系统提供的一种IPC机制,无论从系统开发还是应用开发,都是Android系统中最重要的组成,也是最难理解的一块知识点,想了解为什么Android要采用Binder作为IPC机制? 可查看这个知乎上的回答(https://www.zhihu.com/question/39440766/answer/89210950)。深入了解Binder机制,最好的方法便是阅读源码,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通信采用c/s架构,从组件视角来说,包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动,其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。

3.2 Socket

Socket通信方式也是C/S架构,比Binder简单很多。在Android系统中采用Socket通信方式的主要有:

  • zygote:用于孵化进程,system_server创建进程是通过socket向zygote进程发起请求;
  • installd:用于安装App的守护进程,上层PackageManagerService很多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。

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

3.3 Handler

Binder/Socket用于进程间通信,而Handler消息机制用于同进程的线程间通信,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,为何Binder/Socket用于进程间通信,能否用于线程间通信呢?答案是肯定,对于两个具有独立地址空间的进程通信都可以,当然也能用于共享内存空间的两个线程间通信,这就好比杀鸡用牛刀。接着可能还有人会疑惑,那handler消息机制能否用于进程间通信?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信,即同进程的两个线程间通信。很多时候,Handler是工作线程向UI主线程发送消息,即App应用中只有主线程能更新UI,其他工作线程往往是完成相应工作后,通过Handler告知主线程需要做出相应地UI更新操作,Handler分发相应的消息给UI主线程去完成,如下图:

由于工作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,工作线程与主线程都能直接使用该对象,只需要注意多线程的同步问题。工作线程通过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时按照一定规则分发给相应的handleMessage()方法来处理。所以说,Handler消息机制用于同进程的线程间通信,其核心是线程间共享内存空间,而不同进程拥有不同的地址空间,也就不能用handler来实现进程间通信。

上图只是Handler消息机制的一种处理流程,是不是只能工作线程向UI主线程发消息呢,其实不然,可以是UI线程向工作线程发送消息,也可以是多个工作线程之间通过handler发送消息。

要理解framework层源码,掌握这3种基本的进程/线程间通信方式是非常有必要,当然Linux还有不少其他的IPC机制,比如共享内存、信号、信号量,在源码中也有体现,如果想全面彻底地掌握Android系统,还是需要对每一种IPC机制都有所了解。

核心提纲

小编对于Android从系统底层一路到上层都有自己的理解和沉淀,通过前面对系统启动的介绍,相信大家对Android系统有了一个整体观。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。

当然本站有一些文章没来得及进一步加工,有时间根据大家的反馈,不断修正和完善所有文章,争取给文章,再进一步精简非核心代码,增加可视化图表以及文字的结论性分析。基于Android 6.0的源码,专注于分享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;对于尚未入门或者刚入门的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, 以下是我自己的Android的学习和研究论。

从整理上来列举一下Android系统的核心知识点概览: 需要这些关于Android系统核心知识加群免费获取 Android IOC架构设计

4.1 系统启动系列

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

所有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

通过Process.start启动App进程, ActivityThread.main

再来看看守护进程(也就是进程名一般以d为后缀,比如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工作原理

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/线程是操作系统的魂,各种服务、组件、子系统都是依附于具体的进程实体。深入理解进程机制对于掌握Android系统整体架构和运转机制是非常有必要的,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进程创建流程

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过程分析彻底移除组件与杀进程

5

理解Android线程创建流程

3种不同线程的创建过程

6

彻底理解Android Binder通信架构

以start-service为线,阐述进程间通信机理

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

整理系统的所有进程/线程

4.4 四大组件系列

对于App来说,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创建过程

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

图形也是整个系统非常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

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

结束语

Android系统之博大精深,包括Linux内核、Native、虚拟机、Framework,通过系统调用连通内核与用户空间,通过JNI打通用户空间的Java层和Native层,通过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做到心中无剑胜有剑,才能做到知其然知其所以然。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,忘记了所有招式,也就练成了太极剑法。

再回过头去看看那些API,看到的将不再是一行行代码、一个个接口的调用,而是各种信息的传递与交互工作,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生也无法参透太玄经,石破天却短短数日练成绝世神功,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。

最后相关架构及资料领取方式:

点赞+加群免费获取 Android IOC架构设计

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