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本帖最后由 mind 于 2021-12-28 17:18 编辑
Android 操作系统架构开篇
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 API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
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
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 BinderBinder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
序号 | 文章名 | 概述 | 0 | | Binder概述 | 1 | | ServiceManager守护进程 注册和查询服务 | 2 | | 获取代理对象BpServiceManager | 3 | | 注册Media服务 | 4 | | 获取Media代理,以及DeathRecipient | 5 | | framework层服务注册和查询,Binder注册 | 6 | | Binder的startThreadPool过程 | 7 | | startService为主线 | 8 | | Binder的简单总结 | 9 | | clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity | 10 | | Binder死亡通知机制 |
Binder驱动篇: 1 | | 驱动open/mmap/ioctl,以及binder结构体 | 2 | | Binder通信协议,内存机制 |
Binder使用篇: 1 | | Native层、Framwrok层自定义Binder服务 | 2 | | App层自定义Binder服务 |
3.2 SocketSocket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 HandlerBinder/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: 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:
序号 | 进程启动 | 概述 | 1 | | Linux系统中用户空间的第一个进程, Init.main | 2 | | 所有App进程的父进程, ZygoteInit.main | 3 | | 系统各大服务的载体, forkSystemServer过程 | 4 | | 系统各大服务的载体, SystemServer.main | 5 | | binder服务的大管家, 守护进程循环运行在binder_loop | 6 | | 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:
4.2 系统稳定性系列
序号 | 文章名 | 概述 | 1 | | 触发ANR的场景以及机理 | 2 | | input触发ANR的原理 | 3 | | AMS.appNotResponding过程分析,收集traces | 4 | | kill -3 信息收集过程 | 5 | | debuggerd -b 信息收集过程 | 6 | | WatchDog触发机制 | 7 | | AMS.handleApplicationCrash过程分析 | 8 | | debuggerd守护进程 | 9 | | 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 | | Process.start过程分析 | 2 | | Process.killProcess过程分析 | 3 | | AMS.startProcessLocked过程分析组件与进程 | 4 | | force-stop过程分析彻底移除组件与杀进程 | 5 | | 3种不同线程的创建过程 | 6 | | 以start-service为线,阐述进程间通信机理 | 7 | | Zygote fork的进程都默认开启binder线程池 | 8 | | 进程adj, processState以及lmk | 9 | | lmk原理分析 | 10 | | 进程nice,thread priority以及scheduler | 11 | | updateOomAdjLocked过程 | 12 | | 整理系统的所有进程/线程 | 13 | | Android进程ADJ优先级 |
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 | | Activity | 2 | | Activity | 3 | | Service | 4 | | Service | 5 | | Service | 6 | | Broadcast | 7 | | ContentProvider | 8 | | ContentProvider | 9 | | Activity&&Service | 10 | | Activity&&Window | 11 | | AMS | 12 | | Service | 13 | | Broadcast | 14 | | ContentProvider | 15 | | Context | 16 | | Application | 17 | | Service | 18 | | Activity | 19 | | 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 | | Window | 2 | | Window | 3 | | Window | 4 | | SurfaceFlinger | 5 | | SurfaceFlinger | 6 | | SurfaceFlinger | 7 | | Choreographer |
4.6 系统服务篇- AMS服务
- Input系统
- PKMS服务
- Alarm服务
- JobScheduler服务
- BatteryService
- PMS服务
- DropBox服务
- UserManagerService
- 更多系统服务
4.7 内存&&存储篇- 内存篇
- 存储篇
- Linux驱动篇
- dalvik/art
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.
序号 | 文章名 | 类别 | 1 | | build | 2 | | build | 2 | | systrace | 3 | | Memory | 4 | | Process | 5 | | Am | 6 | | Pm | 7 | | bugreport | 8 | | bugreport | 9 | | dumpsys | 10 | | logd | 11 | | gdb | 12 | | addr2line |
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
序号 | 文章名 | 类别 | 1 | | binder | 2 | | ArrayMap | 3 | | 数组越界 | 4 | | 多线程并发 | 5 | | monkey冻屏 | 6 | | 保活 |
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。
(摘自: http://gityuan.com/android) |