Android系统架构概况

Android的架构图如下，图中按照功能结构及面向人群进行划分，可以看出Android分成三个部分：

应用部分：包含在Android设备上运行的所有应用，它们是Android系统中直接面向用户的部分。
核心部分： Android系统中核心的功能实现，包括应用框架、核心类库等，每个Android应用的开发者，都是在此基础上进行应用开发的。
底层部分：主要指Android寄宿的Linux操作系统及相关驱动。通常来说，只有硬件厂商和从事Android移植的开发者，才会基于此来进行开发。

除了上述划分方式以外，从系统实际的架构模型来看，Android则可以分成以下几个层次：

应用层
框架层
运行时
核心类库
硬件抽象层
Linux内核

本文的后续内容将针对以上各层逐一进行分析。

1.1.1　应用层

对于普通的用户而言，只能通过具体的应用来判断移动平台的优劣。即便一个移动平台具有最华丽的技术，但是如果不能给用户提供最得心应手的应用，顶多也只能赢得无冕之王的名头，而无法抓住用户的心，赢得市场的认可。

Android应用层由运行在Android设备上的所有应用共同构成，它不仅包括通话、短信、联系人等系统应用（随Android系统一起预装在移动设备上），还包括其他后续安装到设备中的第三方应用。

第三方应用都是基于Android提供的SDK（Software Development Kit）进行开发的，并受到SDK接口的约束。而预装在设备中的系统应用，则可以调用整个框架层的接口和模块，其中的很多接口在SDK中是隐藏的，因此，系统应用具有比第三方应用更多的权利。

Android的应用都是基于Java语言来开发的，但在很多应用（尤其是游戏）中，需要进行大规模的运算和图形处理，以及使用开源C/C++类库。通过Java来实现，可能会有执行效率过低和移植成本过高等问题。因此在Android开发中，开发者可以使用C/C++来实现底层模块，并添加JNI（Java Native Interface）接口与上层Java实现进行交互，然后利用Android提供的交叉编译工具生成类库并添加到应用中。

为了让应用开发者能够绕过框架层，直接使用Android系统的特定类库，Android还提供了NDK（Native Development Kit），它由C/C++的一些接口构成，开发者可以通过它更高效地调用特定的系统功能。

但在Android上，开发者通常只能使用C/C++编写功能类库，而不是整个应用。这是因为，诸如界面绘制、进程调度等核心机制是部署在框架层并通过Java来实现的，应用只有按照它们规定的模式去编写特定的Java模块和配置信息，才能够被识别、加载和执行。

小贴士　从Android 2.3（API 9）开始，新增了android.app.NativeActivity类，它是通过调用预定义的JNI接口来实现的。开发者可以基于NDK，通过C/C++语言来实现具体功能。这就意味着，开发者仅通过C/C++语言就能实现整个应用。这对于游戏开发者而言是一大喜讯，但由于控件在Android中并没有Native的实现，普通的应用开发者通常还是需要通过Java来实现上层界面。

1.1.2　框架层

框架层是Android系统中最核心的部分，它集中体现了Android系统的设计思想。在Android之前，有很多基于Linux内核打造的移动平台。作为超越前辈的成功范例，框架层的设计正是Android脱颖而出的关键所在。

框架层由多个系统服务（System Service）共同组成，包括组件管理服务、窗口管理服务、地理信息服务、电源管理服务、通话管理服务，等等。所有服务都寄宿在系统核心进程（System Core Process）中，在运行时，每个服务都占据一个独立的线程，彼此通过进程间的通信机制（Inter-Process Communication，IPC）发送消息和传输数据。

应用层中的应用，时刻都在与这些系统服务打交道。每一次构造窗口、处理用户交互事件、绘制界面、获得当前地理信息、了解设备信息等操作，都是在各个系统服务的支持下实现的。

而对于开发者而言，框架层最直观的体现就是SDK，它通过一系列的Java功能模块，来实现应用所需的功能。SDK的设计决定了上层应用的开发模式、开发效率及能够实现的功能范畴。因此，对于开发者而言，关注SDK的变迁是一件很有必要的事情，SDK每个新版本的诞生，都意味着一些老的接口会被调整或抛弃，另一些新的接口和功能火热出炉。开发者不但要查看和关注那些被修改的接口，来检查应用的兼容性，并采取相应的策略去适应这些变化，更重要的是，开发者还要追踪新提供的接口，寻找改进应用的机会，甚至是寻求开发新应用的可能。

从系统设计的角度来看，Android期望框架层是所有应用运行的核心，参与到应用层的每一次操作中，并进行全局统筹。Android应用的最大特征是基于组件的设计方式。每个应用都由若干个组件构成，组件和组件之间并不会建立通信信道，而是通过框架层的系统服务，集中地调度和传递消息。这样的设计方式相当于增加了一个中间层，该层了解所有组件的状况，可以更智能地进行协调，从而提升了整个系统的灵活性。

1.1.3　运行时

和所有的Java程序运行平台一样，为了实现Java程序在运行阶段的二次编译， Android为它们提供了运行时（Runtime）的支撑。

Android的运行时由Java核心类库和Java虚拟机Dalvik共同构成。Java核心类库涵盖了Android框架层和应用层所要用到的基础Java库，包括Java对象库、文件管理库、网络通信库，等等。

Dalvik是为Android量身打造的Java虚拟机，负责动态解析执行应用、分配空间、管理对象生命周期等工作。如果说框架层是整个Android的大脑，决定了Android应用的设计特征，那么，Dalvik就是Android的心脏，为Android的应用提供动力，决定它们的执行效率。

与为低端移动设备而设计的J2ME虚拟机不同，Dalvik是专门为高端设备而优化设计的。它没有采用基于栈的虚拟机架构，而是采取了基于寄存器的虚拟机架构设计。通常来说，基于栈的虚拟机对硬件的依赖程度小、生成的应用更节约空间，可以适配更多的低端设备；而基于寄存器的虚拟机，对硬件的门槛会更高一些，编译出的应用可能会耗费稍多的存储空间，但它的执行效率更高，更能够发挥高端硬件（主要指处理器）的能力。

Dalvik没有沿用传统的Java二进制码（JavaBytecode）作为其一次编译的中间文件，而是应用了新的二进制码格式文件.dex。在Android应用的编译过程中，它会先生成若干个.class文件，然后统一转换成一个.dex文件。在转换过程中，Android会对部分.class文件中的指令做转义，使用Dalvik特有的指令集OpCodes来替换，以提高执行效率。同时，.dex会整合多个.class文件中的重复信息，并对冗余部分做全局的优化和调整，合并重复的常量定义，以节约常量池耗费的空间。这使得最终得到的.dex文件通常会比将.class文件压缩打包得出的.jar文件更精简。

为了提升Android应用的执行效率，从垃圾回收器（Garbage Collection，GC）到编译器，Dalvik一直在各个方面进行优化。经常可以听到这样的消息：“新版本的Android系统，比上一个版本的效率高了x倍。”这大都是改善Dalvik的效果。在Android 2.2中，Dalvik引入了对JIT（Just-in-time）编译的支持，将上层应用的执行效率提升了2～4倍，开启了Android发展的新篇章。

由于对于大部分应用开发者而言，无须了解Android运行时的具体细节，因此，本书后续将不会详细介绍Android运行时的相关内容，有兴趣的读者，可以另行查阅相关资料和源代码。

1.1.4　核心类库

对于框架层而言，核心类库就是它的“贤内助”。每一次Android系统升级，能看到的都是框架层SDK的变迁，增加了新的功能，提供了新的接口。而在这些新功能的背后，核心类库都是居功至伟。

核心类库由一系列的二进制动态库共同构成，通常使用C/C++进行开发。与框架层的系统服务相比，核心类库不能够独立运行于线程中，而需要被系统服务加载到其进程空间里，通过类库提供的JNI接口进行调用。

核心类库的来源主要有两种，一种是系统原生类库，Android为了提高框架层的执行效率，使用C/C++来实现它的一些性能关键模块，如：资源文件管理模块、基础算法库，等等。而另一种则是第三方类库，大部分都是对优秀开源项目的移植，它们是Android能够提供丰富功能的重要保障，如：Android的多媒体处理，依赖于开源项目OpenCORE的支持；浏览器控件的核心实现，是从Webkit移植而来；而数据库功能，则是得益于Sqlite。Android会为所有移植而来第三方类库封装一层JNI接口，以供框架层调用。

为了帮助游戏和图形图像处理等领域的开发者搭建更高效的应用，Android将数学函数库、OpenGL库等核心类库以NDK的形式提供给开发者，开发者可以基于NDK更高效地构建算法，进行图形图像绘制。从实践的角度看，只要能获取到底层类库的头文件信息，开发者就可以逾越NDK的界限，用其他核心类库的接口进行开发。但这样做的危险之处在于兼容性差，Android在版本变迁时，可能会替换或修改一些类库接口或实现，这就会导致依赖于这些类库的应用无法运行。而NDK提供的都是稳定的类库实现，不会再做修改，以保证使用NDK的应用具有向上的兼容性。

1.1.5　硬件抽象层和Linux内核

Android系统并不是从零开始设计的，而是搭建在Linux内核之上。狭义的Android系统，主要指的是Linux内核以上的各层，从运行的角度来看，它们只是运行在Linux系统上的一些进程，并不是完整的系统，离开了Linux的支撑，就像鱼儿离开了水一样，无法运行。

Linux之于Android最大的价值，便是其强大的可移植性。Linux可以运行在各式各样的芯片架构和硬件环境下，而依托于它的Android系统，也便有了强大的可移植性。同时，Linux像一座桥梁，将Android的上层实现与底层硬件连接起来，使它们可以不必直接耦合，因此，降低了移植的难度。

而硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL），是Android为厂商定义的一套接口标准，它为框架层提供接口支持，厂商需要根据定义的接口实现相应功能。

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本文节选自《Android开发精要》一书，范怀宇著，由机械工业出版社出版。

【内容简介】

如何才能写出贴近Android设计理念、能够更加高效和可靠运行的Android应用？通过Android的源代码去了解其底层实现细节是最重要的方法之一！然而，Android系统太过于庞大，源代码实现复杂，学习的技术门槛和时间成本都很高。有没有一种方法既能帮助开发者深入理解Android应用开发，又能不被底层大量的实现细节所羁绊，迅速掌握编写高质量Android应用所需的知识？本书针对这个问题给出了完美的答案！它从Android繁杂的源代码中抽取出了Android开发的“精华”和“要点”，剥离了大量琐碎的底层实现细节，进行了高度概括和总结，不仅能帮助开发者迅速地从宏观上理解整个Android系统的设计理念，而且能帮助开发者迅速地从微观上掌握核心知识点的原理，从而编写出高质量的Android应用。

本书共13章，在逻辑上分为4个部分。第一部分（1～2章）：第1章系统介绍了Android的系统架构、核心模块和设计思想，旨在让读者真正理解它的设计理念；第2章讲解了Android源代码的获取、编译、阅读和编辑的方法。第二部分（3～6章）：第3章深入阐述了Android组件机制的设计理念和重要特征，并详细介绍了4大组件的方法和原理；第4章讲解了Intent对象和Android的意图机制，阐明了Android是如何将来自不同应用、不同进程的组件整合在一起的；第5章解析了Android中各个组件的生命周期，包括组件的进程模型和线程模型；第6章从开发的角度详细阐述了组件间数据传输的解决方案，以及它们的优缺点和适用场景。第三部分（7～8章）：第7章深入讲解了Android的控件框架，结合实际项目对重要控件的实现和使用逐一进行了分析，还包含Android 4.0界面开发的实践“精华”；第8章分析了Android的资源体系，剖析了Android底层对资源的处理。第四部分（9～13章）：第9章讲解了Android的数据存储结构，以及不同数据存储模式的使用要点；第10章分析了Android的各种网络连接方式，涵盖NFC和基于WiFi的P2P连接等内容；第11章讲解了Android的定位服务、地址服务和地图服务的框架实现；第12章仔细分析了Android各种多媒体功能的实现机制；第13章对Android中比较有特色的一些模块的实现细节进行了分析。

【作者简介】

范怀宇，资深Android开发工程师，毕业于清华大学，从事移动开发多年，对Android系统有颇为深入的研究，开发经验十分丰富。曾就职于网易有道，负责完成了有道词典Android版、网易掌上邮Android版、网易八方Android版等项目的开发工作，现就职于豌豆实验室，负责豌豆荚2.0版本的设计和开发。

作者微博：@duguguiyu 个人站点：http://flyvenus.net

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