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Android 开发工程师进阶指南:深入研究 Android 系统开篇

一、引言

Android系统非常庞大、错综复杂,其底层是采用Linux作为基底,上层采用包含虚拟机的Java层以及Native层,通过系统调用(Syscall)连通系统的内核空间与用户空间。用户空间主要采用C++和Java代码,通过JNI技术打通用户空间的Java层和Native层(C++/C),从而融为一体。

Google官方提供了一张经典的四层架构图,从下往上依次分为Linux内核、系统库和Android运行时环境、框架层以及应用层这4层架构,其中每一层都包含大量的子模块或子系统。这只是如垒砖般地分层,并没有表达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4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:Loader -> Kernel -> Native -> Framework -> App,接来下简要说说每个过程:

2.1 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里的预设出代码开始执行,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。

2.2 Kernel层

Kernel层是指Android内核层,到这里才刚刚开始进入Android系统。

  • 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

2.3 Native层

这里的Native层主要包括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;
    • preloadClasses;
    • 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,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

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.

原理篇

序号 文章名 概述
0 Binder系列—开篇 Binder概述
1 Binder系列3—启动Service Manager ServiceManager守护进程 注册和查询服务
2 Binder系列4—获取Service Manager 获取代理对象BpServiceManager
3 Binder系列5—注册服务(addService) 注册Media服务
4 Binder系列6—获取服务(getService) 获取Media代理,以及DeathRecipient
5 Binder系列7—framework层分析 framework层服务注册和查询,Binder注册
6 进程的 Binder 线程池工作过程 Binder的startThreadPool过程
7 彻底理解Android Binder通信架构 startService为主线
8 Binder系列10—总结 Binder的简单总结
9 Binder IPC的权限控制 clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity
10 Binder死亡通知机制之linkToDeath Binder死亡通知机制

驱动篇:

序号 文章名 概述
1 Binder系列1—Binder Driver初探 驱动open/mmap/ioctl,以及binder结构体
2 Binder系列2—Binder Driver再探 Binder通信协议,内存机制

使用篇:

序号 文章名 概述
1 Binder系列8—如何使用Binder Native层、Framwrok层自定义Binder服务
2 Binder系列9—如何使用AIDL App层自定义Binder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:

  • zygote:用于孵化进程,系统进程system_server孵化进程时便通过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非常简单,所以一直没有写相关文章,为了成一个体系,下次再补上。

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,而Handler消息机制用于同进程的线程间通信的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:

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IPCd机制都有所了解。

四、核心提纲

在过去的一年,对于Android从底层一路到上层有不少自己的理解和沉淀,但总体较零散,未成体系。给自己做一个计划,把知识进行归档整理与再学习,从而加深对Android架构的理解。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,接下来需要抓核心、理思路,争取各个击破。

计划:不少文章还没来得及进一步加工,大篇章的源码,有读者跟我反馈看着发困,先别急,文章还会不断更新和升级。前期计划先将系统所有核心技术点的边整理边写专栏;

后期工作有时间再根据大家的反馈以及自己的校验,再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。

专栏定位: 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程序员阅读可能会困难些,可能不是很适合。

看到Android整个系统架构是如此庞大的, 该问如何学习Android系统, 以下是我自己琢磨的Android的学习和研究论,仅供参考:如何自学Android.

4.1 系统启动系列

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