Android 操作系统架构开篇

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一、引言

众所周知，Android是谷歌开发的一款基于Linux的开源操作系统，从诞生至今已有10余年，这一路走来Android遇到哪些问题？大版本升级朝着什么方向演进？Android的未来如何？我的公号《Android 技术架构演进与未来》 讲解了Android一路走来，在用户体验、性能、功耗、安全、隐私等方面取得的很大进步，以及未来可能的方向。

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。

二、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

点击查看大图

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，System Server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。

三、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？ 可查看我在知乎上的回答。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。

• 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，从源码角度出发来讲述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还是不好理解，这个binder涉及的层次跨度比较大，知识量比较广，建议大家先知道binder是用于进程间通信，有个大致概念就可以先去学习系统基本知识，等后面有一定功力再进一步深入研究Binder机制。

Binder原理篇

Binder驱动篇:

Binder使用篇:

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。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。

四、核心提纲

博主对于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，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:

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),:

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：

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：

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。

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

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
• dalvik/art
  • 解读Java进程的Trace文件

4.8 工具篇

再来说说Android相关的一些常用命令和工具以及调试手段.

4.9 实战篇

下面列举处理过的部分较为典型的案例，供大家参考

五、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。