1 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。
1.1 Linux内核层
Android以Linux操作系统内核为基础，借助Linux内核服务实现硬件设备驱动，进程和内存管理，网络协议栈，电源管理，无线通信、设备驱动、文件系统、Binder (IPC) 驱动等核心功能。Android4.0版本之前基于Linux2.6系列内核，4.0及之后的版本使用更新的Linux3.X内核，并且两个开源项目开始有了互通。Linux3.3内核中正式包括一些Android代码，可以直接引导进入Android。Linux3.4将会增添电源管理等更多功能，以增加与Android的硬件兼容性，使Android在更多设备上得到支持。
Android内核 对Linux内核进行了增强，增加了一些面向移动计算的特有功能。例如，低内存管理器LMK（Low Memory Keller），匿名共享内存（Ashmem），以及轻量级的进程间通信Binder机制等。这些内核的增强使Android在继承Linux内核安全机制的同时，进一步提升了内存管理，进程间通信等方面的安全性。下表列举了Android内核的主要驱动模块：
| 驱动名称 | 说明 |
|---|---|
| 电源管理(Power Manager) | 针对嵌入式设备，基于标准Linux电源管理系统，轻量级的电源管理驱动 |
| 低内存管理器(Low Memory Killer) | 拓展了Linux的OOM机制，形成独特的LMK机制 |
| 匿名共享内存(Ashmem) | 为进程之间提供共享内存资源，同时为内核提供回收和管理内存的机制 |
| 日志(Android Logger) | 轻量级的日志设备 |
| 定时器(Android Alarm) | 用于把设备从睡眠状态唤醒 |
| 物理内存映射管理(Android PMEM) | DSP以及其他设备只能工作在连续的物理内存上，PMEM用于向用户空间提供连续的物理内存区域映射 |
| Yaffs2文件系统 | Android采用大容量的NADN闪存作为储存设备，使用Yaffs2 作为文件系统管理大容量MTD NAND Flash；Yaffs2占用内存小，垃圾回收简洁迅速。 |
| 定时设备(Android Timed device) | 可以执行对设备的定时控制功能 |
| Paranoid网络 | 对Linux内核的网络代码进行了改动，增加了网络认证机制。可在IPV4、IVP6和蓝牙中设置，由ANDROID_PARANOID_NETWORK宏来启用此特性。 |
1.2 HAL-硬件抽象层
许多硬件设备厂商不希望公开其设备驱动的源代码，如果能将android的应用框架层与linux系统内核的设备驱动隔离，使应用程序框架的开发尽量独立于具体的驱动程序，则android将减少对Linux内核的依赖，HAL由此而生。
HAL（Hardware Abstract Layer硬件抽象层）是Google因应厂商「希望不公开源码」的要求下，所推出的新观念。它对Linux内核驱动程序进行封装，将硬件抽象化，屏蔽掉底层的实现细节。规定了一套应用层对硬件层读写和配置的统一接口，本质上就是将硬件的驱动分为用户空间和内核空间两个层面，Linux内核驱动程序运行于内核空间，硬件抽象层运行于用户空间。HAL设备驱动抽象使得应用程序和驱动程序之间很明显地区分开来。 驱动抽象促进了应用程序代码的可重用性，应用程序和底层硬件的通信依靠统一的接口函数，底层硬件的改动对应用程序的代码没有影响。而且，HAL标准使得和已有外设相匹配的新外设的驱动程序编写起来更加简单。
1.3 Android Runtime
Java核心库
核心库提供了Java5 se API的多数功能，并提供Android的核心API，如android.os，android.net，android.media等。该核心库提供了JAVA编程语言核心库的大多数功能。Dalvik VM(5.0之前)
Dalvik VM在2010年5月21日，Google公司发布的Android2.2版本中正式使用，一直沿用到Android5.0版本。借助新的Dalvik JIT编译器（Just In Time，即时编译器），CPU密集型应用的速度比Android2.1快2-5倍，Android2.2还改进了App可以安装在SD卡（外部存储）上。
Dalvik VM前身基于apache的java虚拟机，并被改进以适应低内存，低处理器速度的移动设备环境。Dalvik VM基于寄存器，使用.dex可执行文件，依赖于Linux内核，实现进程隔离与线程调试管理，安全和异常管理，垃圾回收等重要功能。ART VM(5.0正式启用)
Dalvik虚拟机从DEX（Dalvik Executable）格式的文件中读取指令与数据，进行解释运行，JIT 在运行时将字节码翻译为本地机器指令，运行一次就要编译一次，性能还是很低。于是Android4.4版本支持了ART模式，并在Android5.0正式将编译模式由ART取代Dalvik VM成为默认选项。
ART 采用预编译AOT（ahead-of-time）技术，在应用程序安装时，将程序代码一次性转化为机器语言，省去了程序在运行时每次编译的时间，加快了程序运行速度，使得电量消耗更少，系统更加流畅。
1.4 Native C/C++ Libraries
系统类库大部分由C/C++编写，所提供的功能通过Android应用程序框架为开发者所使用，如资源文件管理、基础算法库。第三方类库，极大的加快了Android应用的开发周期。
主要的第三方类库及说明如下表：
| 库名称 | 说明 |
|---|---|
| Webkit | Web浏览器的软件引擎 |
| OpenMAX AL | 多媒体应用程序的框架标准，由NVIDIA公司和Khronos在2006年推出 |
| Libc | 继承自BSD的c函数库bionic libc，更适合基于嵌入式Linux的移动设备 |
| Media Framework | 基于Packet Video Open Core的多媒体库，支持多种常用的音频和视频格式的录制和回放，所支持的编码格式包括MPEG4，MP3，H264，AAC，ARM |
| OpenGL ES | 基于OpenGL ES1.0 API标准实现的3D跨平台图形库 |
| Surface Manager | 执行多个应用程序时，管理子系统的显示，另外对2D和3D图形提供支持； |
| SQLite | 本地小型关系数据库，android提供了一些新的SQLite数据库API，以替代传统的耗费资源的JDBC API |
| FreeType | 用于显示位图和矢量字体 |
| SGL | 底层的2D图形引擎 |
| SSL | 安全套接层，为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议 |
除上表列举的主要系统类库之外，Android NDK（Native Development Kit），即Android原生库，也十分重要。NDK为开发者提供了直接使用Android系统资源，并采用C或C++语言编写程序的接口。因此，第三方应用程序可以不依赖于Dalvik虚拟机进行开发。实际上，NDK提供了一系列从C或C++生成原生代码所需要的工具，为开发者快速开发C或C++的动态库提供方便，并能自动将生成的动态库和java应用程序一起打包成应用程序包文件。
1.5 Application Framework（应用框架层）
应用框架层提供了一些类的类库框架，方便开发人员调用，通过组件重用能够快速开发出应用程序。具体模块如下表所示：
| 管理器/组件 | 功能 |
|---|---|
| Content Provider(内容提供器) | 提供一个应用程序访问另一个应用程序数据的功能，或者实现应用程序之间的数据共享 |
| View System(视图系统) | 提供各种视图控件，如列表、网格、文本框、按钮、可嵌套的web浏览器 |
| Activity Manager(活动管理器) | 管理各种应用程序生命周期，为所有程序的窗口提供交互的接口 |
| Location Manager(位置管理器) | 提供位置服务 |
| Package Manager(包管理器) | 对应用程序进行管理，如安装应用程序、卸载应用程序、查询相关权限等 |
| Notification Manager(通知管理器) | 使应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息 |
| Resource Manager(资源管理器) | 提供各种非代码资源供应用程序使用，如本地化字符串、图片、音频等 |
| Telephony Manager(电话管理器) | 提供电话相关信息的查询/修改功能，以及状态监听功能 |
| Window Mangaer(窗口管理器) | 对开启的窗口进行管理 |
1.6 Apps
该层提供一些核心应用程序包，例如电子邮件、短信、日历、地图、浏览器和联系人管理等。同时，开发者可以利用Java语言设计和编写属于自己的应用程序，而这些程序与那些核心应用程序彼此独立。
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。
2 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。
3 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。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。
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。
参考资料：
[1] Android系统架构开篇 ★★★
[2] 从Android架构图看开发所需的知识点
[3] Android系统架构 ★
