前言
技術(shù)博客終于可以恢復正常的更新速度了，原因是我編寫的進階書籍的初稿已經(jīng)完成，竊以為它將會是Android應用書籍中最有深度的一本，可以說是《Android開發(fā)藝術(shù)探索》的姊妹篇。在這本書的最后一章我會分析Android底層源碼，但是畢竟是一本Android應用開發(fā)的書，對于底層源碼閱讀也只能帶大家入個門。因此，在博客中我會新開一個“系統(tǒng)源碼解析”的系列，該系列的開篇就是本篇文章。
1.Android系統(tǒng)架構(gòu)
Android系統(tǒng)架構(gòu)分為五層，從上到下依次是應用層、應用框架層、系統(tǒng)運行庫層、硬件抽象層和Linux內(nèi)核層。
應用層
系統(tǒng)內(nèi)置的應用程序以及非系統(tǒng)級的應用程序都是屬于應用層。負責與用戶進行直接交互，通常都是用Java進行開發(fā)的。
應用框架層（Java Framework)
應用框架層為開發(fā)人員提供了可以開發(fā)應用程序所需要的API，我們平常開發(fā)應用程序都是調(diào)用的這一層所提供的API，當然也包括系統(tǒng)的應用。這一層的是由Java代碼編寫的，可以稱為Java Framework。下面來看這一層所提供的主要的組件。
| 名稱 | 功能描述 |
|---|---|
| Activity Manager(活動管理器) | 管理各個應用程序生命周期以及通常的導航回退功能 |
| Location Manager(位置管理器) | 提供地理位置以及定位功能服務 |
| Package Manager(包管理器) | 管理所有安裝在Android系統(tǒng)中的應用程序 |
| Notification Manager(通知管理器) | 使得應用程序可以在狀態(tài)欄中顯示自定義的提示信息 |
| Resource Manager（資源管理器） | 提供應用程序使用的各種非代碼資源，如本地化字符串、圖片、布局文件、顏色文件等 |
| Telephony Manager(電話管理器) | 管理所有的移動設備功能 |
| Package Manager(包管理器) | 管理所有安裝在Android系統(tǒng)中的應用程序 |
| Window Manager（窗口管理器） | 管理所有開啟的窗口程序 |
| Content Providers（內(nèi)容提供器） | 使得不同應用程序之間可以共享數(shù)據(jù) |
| View System（視圖系統(tǒng)） | 構(gòu)建應用程序的基本組件 |
表1
系統(tǒng)運行庫層（Native)
系統(tǒng)運行庫層分為兩部分，分別是C/C++程序庫和Android運行時庫。下面分別來介紹它們。
1.C/C++程序庫
C/C++程序庫能被Android系統(tǒng)中的不同組件所使用，并通過應用程序框架為開發(fā)者提供服務，主要的C/C++程序庫如下表2所示。
| 名稱 | 功能描述 |
|---|---|
| OpenGL ES | 3D繪圖函數(shù)庫 |
| Libc | 從BSD繼承來的標準C系統(tǒng)函數(shù)庫，專門為基于嵌入式Linux的設備定制 |
| Media Framework | 多媒體庫，支持多種常用的音頻、視頻格式錄制和回放。 |
| SQLite | 輕型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫引擎 |
| SGL | 底層的2D圖形渲染引擎 |
| SSL | 安全套接層，是為網(wǎng)絡通信提供安全及數(shù)據(jù)完整性的一種安全協(xié)議 |
| FreeType | 可移植的字體引擎，它提供統(tǒng)一的接口來訪問多種字體格式文件 |
表2
2.Android運行時庫
運行時庫又分為核心庫和ART(5.0系統(tǒng)之后，Dalvik虛擬機被ART取代)。核心庫提供了Java語言核心庫的大多數(shù)功能，這樣開發(fā)者可以使用Java語言來編寫Android應用。相較于JVM，Dalvik虛擬機是專門為移動設備定制的，允許在有限的內(nèi)存中同時運行多個虛擬機的實例，并且每一個Dalvik 應用作為一個獨立的Linux 進程執(zhí)行。獨立的進程可以防止在虛擬機崩潰的時候所有程序都被關(guān)閉。而替代Dalvik虛擬機的ART 的機制與Dalvik 不同。在Dalvik下，應用每次運行的時候，字節(jié)碼都需要通過即時編譯器轉(zhuǎn)換為機器碼，這會拖慢應用的運行效率，而在ART 環(huán)境中，應用在第一次安裝的時候，字節(jié)碼就會預先編譯成機器碼，使其成為真正的本地應用。
硬件抽象層（HAL)
硬件抽象層是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化，為了保護硬件廠商的知識產(chǎn)權(quán)，它隱藏了特定平臺的硬件接口細節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關(guān)性，可在多種平臺上進行移植。 從軟硬件測試的角度來看，軟硬件的測試工作都可分別基于硬件抽象層來完成，使得軟硬件測試工作的并行進行成為可能。通俗來講，就是將控制硬件的動作放在硬件抽象層中。
Linux內(nèi)核層
Android 的核心系統(tǒng)服務基于Linux 內(nèi)核，在此基礎上添加了部分Android專用的驅(qū)動。系統(tǒng)的安全性、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡協(xié)議棧和驅(qū)動模型等都依賴于該內(nèi)核。
Android系統(tǒng)的五層架構(gòu)就講到這，了解以上的知識對以后分析系統(tǒng)源碼有很大的幫助。
2.Android系統(tǒng)源碼目錄
我們要先了解Android系統(tǒng)源碼目錄，為后期源碼學習打下基礎。關(guān)于源碼的閱讀，你可以訪問http://androidxref.com/來閱讀系統(tǒng)源碼。當然，最好是將源碼下載下來。下載源碼可以使用清華大學開源軟件鏡像站提供的Android 鏡像：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/help/AOSP/ 。如果覺得麻煩也可以查找國內(nèi)的網(wǎng)盤進行下載，推薦使用該百度網(wǎng)盤地址下載：http://pan.baidu.com/s/1ngsZs，它提供了多個Android版本的的源碼下載。
整體結(jié)構(gòu)
各個版本的源碼目錄基本是類似，如果是編譯后的源碼目錄會多增加一個out文件夾，用來存儲編譯產(chǎn)生的文件。Android7.0的根目錄結(jié)構(gòu)說明如下表所示。
| Android源碼根目錄 | 描述 |
|---|---|
| abi | 應用程序二進制接口 |
| art | 全新的ART運行環(huán)境 |
| bionic | 系統(tǒng)C庫 |
| bootable | 啟動引導相關(guān)代碼 |
| build | 存放系統(tǒng)編譯規(guī)則及generic等基礎開發(fā)包配置 |
| cts | Android兼容性測試套件標準 |
| dalvik | dalvik虛擬機 |
| developers | 開發(fā)者目錄 |
| development | 應用程序開發(fā)相關(guān) |
| device | 設備相關(guān)配置 |
| docs | 參考文檔目錄 |
| external | 開源模組相關(guān)文件 |
| frameworks | 應用程序框架，Android系統(tǒng)核心部分，由Java和C++編寫 |
| hardware | 主要是硬件抽象層的代碼 |
| libcore | 核心庫相關(guān)文件 |
| libnativehelper | 動態(tài)庫，實現(xiàn)JNI庫的基礎 |
| ndk | NDK相關(guān)代碼，幫助開發(fā)人員在應用程序中嵌入C/C++代碼 |
| out | 編譯完成后代碼輸出在此目錄 |
| packages | 應用程序包 |
| pdk | Plug Development Kit 的縮寫，本地開發(fā)套件 |
| platform_testing | 平臺測試 |
| prebuilts | x86和arm架構(gòu)下預編譯的一些資源 |
| sdk | 應用程序包 |
| packages | sdk和模擬器 |
| system | 底層文件系統(tǒng)庫、應用和組件 |
| toolchain | 工具鏈文件 |
| tools | 工具文件 |
| Makefile | 全局Makefile文件，用來定義編譯規(guī)則 |
表3
從表3可以看出，系統(tǒng)源碼分類清晰，并且內(nèi)容龐大且復雜。接下來分析packages中的內(nèi)容，也就是應用層部分。
應用層部分
應用層位于整個Android系統(tǒng)的最上層，開發(fā)者開發(fā)的應用程序以及系統(tǒng)內(nèi)置的應用程序都是在應用層。源碼根目錄中的packages目錄對應著系統(tǒng)應用層。它的目錄結(jié)構(gòu)如表4所示。
| packages目錄 | 描述 |
|---|---|
| apps | 核心應用程序 |
| experimental | 第三方應用程序 |
| inputmethods | 輸入法目錄 |
| providers | 內(nèi)容提供者目錄 |
| screensavers | 屏幕保護 |
| services | 通信服務 |
| wallpapers | 墻紙 |
表4
從目錄結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，packages目錄存放著系統(tǒng)核心應用程序、第三方的應用程序和輸入法等等，這些應用都是運行在系統(tǒng)應用層的，因此packages目錄對應著系統(tǒng)的應用層。
應用框架層部分
應用框架層是系統(tǒng)的核心部分，一方面向上提供接口給應用層調(diào)用，另一方面向下與C/C++程序庫以及硬件抽象層等進行銜接。 應用框架層的主要實現(xiàn)代碼在/frameworks/base和/frameworks/av目錄下，其中/frameworks/base目錄結(jié)構(gòu)如表5所示。
| /frameworks/base目錄 | 描述 | /frameworks/base目錄 | 描述 |
|---|---|---|---|
| api | 定義API | cmds | 重要命令：am、app_proce等 |
| core | 核心庫 | data | 字體和聲音等數(shù)據(jù)文件 |
| docs | 文檔 | graphics | 圖形圖像相關(guān) |
| include | 頭文件 | keystore | 和數(shù)據(jù)簽名證書相關(guān) |
| libs | 庫 | location | 地理位置相關(guān)庫 |
| media | 多媒體相關(guān)庫 | native | 本地庫 |
| nfc-extras | NFC相關(guān) | obex | 藍牙傳輸 |
| opengl | 2D/3D 圖形API | packages | 設置、TTS、VPN程序 |
| sax | XML解析器 | services | 系統(tǒng)服務 |
| telephony | 電話通訊管理 | test-runner | 測試工具相關(guān) |
| tests | 測試相關(guān) | tools | 工具 |
| wifi | wifi無線網(wǎng)絡 |
表5
C/C++程序庫部分
系統(tǒng)運行庫層（Native)中的 C/C++程序庫的類型繁多，功能強大，C/C++程序庫并不完全在一個目錄中，這里給出幾個常用且比較重要的C/C++程序庫所在的目錄位置。
| 目錄位置 | 描述 |
|---|---|
| bionic/ | Google開發(fā)的系統(tǒng)C庫，以BSD許可形式開源。 |
| /frameworks/av/media | 系統(tǒng)媒體庫 |
| /frameworks/native/opengl | 第三方圖形渲染庫 |
| /frameworks/native/services/surfaceflinger | 圖形顯示庫，主要負責圖形的渲染、疊加和繪制等功能 |
| external/sqlite | 輕量型關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQLite的C++實現(xiàn) |
表6
講完 C/C++程序庫部分，剩下的部分我們在表3已經(jīng)給出：Android運行時庫的代碼放在art/目錄中。硬件抽象層的代碼在hardware/目錄中，這一部分是手機廠商改動最大的一部分，根據(jù)手機終端所采用的硬件平臺會有不同的實現(xiàn)。
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