Android系统架构开篇
Android系統龐大且錯綜復雜，Gityuan帶領大家初探Android系統整體架構，一窺其全貌。
一、引言
本文作為Android系統架構的開篇，起到提綱挈領的作用，從系統整體架構角度概要講解Android系統的核心技術點，帶領大家初探Android系統全貌以及內部運作機制。雖然Android系統非常龐大且錯綜復雜，需要具備全面的技術棧，但整體架構設計清晰。Android底層內核空間以Linux Kernel作為基石，上層用戶空間由Native系統庫、虛擬機運行環境、框架層組成，通過系統調用(Syscall)連通系統的內核空間與用戶空間。對于用戶空間主要采用C++和Java代碼編寫，通過JNI技術打通用戶空間的Java層和Native層(C++/C)，從而連通整個系統。
為了能讓大家整體上大致了解Android系統涉及的知識層面，先來看一張Google官方提供的經典分層架構圖，從下往上依次分為Linux內核、HAL、系統Native庫和Android運行時環境、Java框架層以及應用層這5層架構，其中每一層都包含大量的子模塊或子系統。
上圖采用靜態分層方式的架構劃分，眾所周知，程序代碼是死的，系統運轉是活的，各模塊代碼運行在不同的進程(線程)中，相互之間進行著各種錯終復雜的信息傳遞與交互流，從這個角度來說此圖并沒能體現Android整個系統的內部架構、運行機理，以及各個模塊之間是如何銜接與配合工作的。為了更深入地掌握Android整個架構思想以及各個模塊在Android系統所處的地位與價值，計劃以Android系統啟動過程為主線，以進程的視角來詮釋Android M系統全貌，全方位的深度剖析各個模塊功能，爭取各個擊破。這樣才能猶如庖丁解牛，解決、分析問題則能游刃有余。
二、Android架構
Google提供的5層架構圖很經典，但為了更進一步透視Android系統架構，本文更多的是以進程的視角，以分層的架構來詮釋Android系統的全貌，闡述Android內部的環環相扣的內在聯系。
系統啟動架構圖
圖解：Android系統啟動過程由上圖從下往上的一個過程是由Boot Loader引導開機，然后依次進入 -> Kernel -> Native -> Framework -> App，接來下簡要說說每個過程：
關于Loader層：
Boot ROM: 當手機處于關機狀態時，長按Power鍵開機，引導芯片開始從固化在?ROM里的預設代碼開始執行，然后加載引導程序到?RAM；
Boot Loader：這是啟動Android系統之前的引導程序，主要是檢查RAM，初始化硬件參數等功能。
2.1 Linux內核層
Android平臺的基礎是Linux內核，比如ART虛擬機最終調用底層Linux內核來執行功能。Linux內核的安全機制為Android提供相應的保障，也允許設備制造商為內核開發硬件驅動程序。
啟動Kernel的swapper進程(pid=0)：該進程又稱為idle進程, 系統初始化過程Kernel由無到有開創的第一個進程, 用于初始化進程管理、內存管理，加載Display,Camera Driver，Binder Driver等相關工作；
啟動kthreadd進程（pid=2）：是Linux系統的內核進程，會創建內核工作線程kworkder，軟中斷線程ksoftirqd，thermal等內核守護進程。?kthreadd進程是所有內核進程的鼻祖。
2.2 硬件抽象層 (HAL)
硬件抽象層 (HAL) 提供標準接口，HAL包含多個庫模塊，其中每個模塊都為特定類型的硬件組件實現一組接口，比如WIFI/藍牙模塊，當框架API請求訪問設備硬件時，Android系統將為該硬件加載相應的庫模塊。
2.3 Android Runtime & 系統庫
每個應用都在其自己的進程中運行，都有自己的虛擬機實例。ART通過執行DEX文件可在設備運行多個虛擬機，DEX文件是一種專為Android設計的字節碼格式文件，經過優化，使用內存很少。ART主要功能包括：預先(AOT)和即時(JIT)編譯，優化的垃圾回收(GC)，以及調試相關的支持。
這里的Native系統庫主要包括init孵化來的用戶空間的守護進程、HAL層以及開機動畫等。啟動init進程(pid=1),是Linux系統的用戶進程， init進程是所有用戶進程的鼻祖。
init進程會孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用戶守護進程；
init進程還啟動?servicemanager(binder服務管家)、?bootanim(開機動畫)等重要服務
init進程孵化出Zygote進程，Zygote進程是Android系統的第一個Java進程(即虛擬機進程)，?Zygote是所有Java進程的父進程，Zygote進程本身是由init進程孵化而來的。
2.4 Framework層
Zygote進程，是由init進程通過解析init.rc文件后fork生成的，Zygote進程主要包含：
加載ZygoteInit類，注冊Zygote Socket服務端套接字
加載虛擬機
提前加載類preloadClasses
提前加載資源preloadResouces
System Server進程，是由Zygote進程fork而來，?SystemServer是Zygote孵化的第一個進程，System Server負責啟動和管理整個Java framework，包含ActivityManager，WindowManager，PackageManager，PowerManager等服務。
Media Server進程，是由init進程fork而來，負責啟動和管理整個C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service等服務。
2.5 App層
Zygote進程孵化出的第一個App進程是Launcher，這是用戶看到的桌面App；
Zygote進程還會創建Browser，Phone，Email等App進程，每個App至少運行在一個進程上。
所有的App進程都是由Zygote進程fork生成的。
2.6 Syscall && JNI
Native與Kernel之間有一層系統調用(SysCall)層，見Linux系統調用(Syscall)原理;
Java層與Native(C/C++)層之間的紐帶JNI，見Android JNI原理分析。
三、通信方式
無論是Android系統，還是各種Linux衍生系統，各個組件、模塊往往運行在各種不同的進程和線程內，這里就必然涉及進程/線程之間的通信。對于IPC(Inter-Process Communication, 進程間通信)，Linux現有管道、消息隊列、共享內存、套接字、信號量、信號這些IPC機制，Android額外還有Binder IPC機制，Android OS中的Zygote進程的IPC采用的是Socket機制，在上層system server、media server以及上層App之間更多的是采用Binder IPC方式來完成跨進程間的通信。對于Android上層架構中，很多時候是在同一個進程的線程之間需要相互通信，例如同一個進程的主線程與工作線程之間的通信，往往采用的Handler消息機制。
想深入理解Android內核層架構，必須先深入理解Linux現有的IPC機制；對于Android上層架構，則最常用的通信方式是Binder、Socket、Handler，當然也有少量其他的IPC方式，比如殺進程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面說說Binder、Socket、Handler：
3.1 Binder
Binder作為Android系統提供的一種IPC機制，無論從系統開發還是應用開發，都是Android系統中最重要的組成，也是最難理解的一塊知識點，想了解為什么Android要采用Binder作為IPC機制？ 可查看我在知乎上的回答。深入了解Binder機制，最好的方法便是閱讀源碼，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾說過的一句話：Read The Fucking Source Code。下面簡要說說Binder IPC原理。
Binder IPC原理
Binder通信采用c/s架構，從組件視角來說，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驅動，其中ServiceManager用于管理系統中的各種服務。
想進一步了解Binder，可查看Binder系列—開篇，Binder系列花費了13篇文章的篇幅，從源碼角度出發來講述Driver、Native、Framework、App四個層面的整個完整流程。根據有些讀者反饋這個系列還是不好理解，這個binder涉及的層次跨度比較大，知識量比較廣，建議大家先知道binder是用于進程間通信，有個大致概念就可以先去學習系統基本知識，等后面有一定功力再進一步深入研究Binder機制。
Binder原理篇
| 0 | Binder系列—開篇 | Binder概述 |
| 1 | Binder系列3—啟動Service Manager | ServiceManager守護進程 注冊和查詢服務 |
| 2 | Binder系列4—獲取Service Manager | 獲取代理對象BpServiceManager |
| 3 | Binder系列5—注冊服務(addService) | 注冊Media服務 |
| 4 | Binder系列6—獲取服務(getService) | 獲取Media代理，以及DeathRecipient |
| 5 | Binder系列7—framework層分析 | framework層服務注冊和查詢，Binder注冊 |
| 6 | 理解Binder線程池的管理 | Binder的startThreadPool過程 |
| 7 | 徹底理解Android Binder通信架構 | startService為主線 |
| 8 | Binder系列10—總結 | Binder的簡單總結 |
| 9 | Binder IPC的權限控制 | clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity |
| 10 | Binder死亡通知機制之linkToDeath | Binder死亡通知機制 |
Binder驅動篇:
| 1 | Binder Driver初探 | 驅動open/mmap/ioctl，以及binder結構體 |
| 2 | Binder Driver再探 | Binder通信協議，內存機制 |
Binder使用篇:
| 1 | 如何使用Binder | Native層、Framwrok層自定義Binder服務 |
| 2 | 如何使用AIDL | App層自定義Binder服務 |
3.2 Socket
Socket通信方式也是C/S架構，比Binder簡單很多。在Android系統中采用Socket通信方式的主要有：
zygote：用于孵化進程，system_server創建進程是通過socket向zygote進程發起請求；
installd：用于安裝App的守護進程，上層PackageManagerService很多實現最終都是交給它來完成；
lmkd：lowmemorykiller的守護進程，Java層的LowMemoryKiller最終都是由lmkd來完成；
adbd：這個也不用說，用于服務adb；
logcatd:這個不用說，用于服務logcat；
vold：即volume Daemon，是存儲類的守護進程，用于負責如USB、Sdcard等存儲設備的事件處理。
等等還有很多，這里不一一列舉，Socket方式更多的用于Android framework層與native層之間的通信。Socket通信方式相對于binder比較簡單，這里省略。
3.3 Handler
Binder/Socket用于進程間通信，而Handler消息機制用于同進程的線程間通信，Handler消息機制是由一組MessageQueue、Message、Looper、Handler共同組成的，為了方便且稱之為Handler消息機制。
有人可能會疑惑，為何Binder/Socket用于進程間通信，能否用于線程間通信呢？答案是肯定，對于兩個具有獨立地址空間的進程通信都可以，當然也能用于共享內存空間的兩個線程間通信，這就好比殺雞用牛刀。接著可能還有人會疑惑，那handler消息機制能否用于進程間通信？答案是不能，Handler只能用于共享內存地址空間的兩個線程間通信，即同進程的兩個線程間通信。很多時候，Handler是工作線程向UI主線程發送消息，即App應用中只有主線程能更新UI，其他工作線程往往是完成相應工作后，通過Handler告知主線程需要做出相應地UI更新操作，Handler分發相應的消息給UI主線程去完成，如下圖：
由于工作線程與主線程共享地址空間，即Handler實例對象mHandler位于線程間共享的內存堆上，工作線程與主線程都能直接使用該對象，只需要注意多線程的同步問題。工作線程通過mHandler向其成員變量MessageQueue中添加新Message，主線程一直處于loop()方法內，當收到新的Message時按照一定規則分發給相應的handleMessage()方法來處理。所以說，Handler消息機制用于同進程的線程間通信，其核心是線程間共享內存空間，而不同進程擁有不同的地址空間，也就不能用handler來實現進程間通信。
上圖只是Handler消息機制的一種處理流程，是不是只能工作線程向UI主線程發消息呢，其實不然，可以是UI線程向工作線程發送消息，也可以是多個工作線程之間通過handler發送消息。更多關于Handler消息機制文章：
Android消息機制-Handler(framework篇)
Android消息機制-Handler(native篇)
Android消息機制3-Handler(實戰)
要理解framework層源碼，掌握這3種基本的進程/線程間通信方式是非常有必要，當然Linux還有不少其他的IPC機制，比如共享內存、信號、信號量，在源碼中也有體現，如果想全面徹底地掌握Android系統，還是需要對每一種IPC機制都有所了解。
四、核心提綱
博主對于Android從系統底層一路到上層都有自己的理解和沉淀，通過前面對系統啟動的介紹，相信大家對Android系統有了一個整體觀。接下來需抓核心、理思路，爭取各個擊破。后續將持續更新和完善整個大綱，不限于進程、內存、IO、系統服務架構以及分析實戰等文章。
當然本站有一些文章沒來得及進一步加工，有時間根據大家的反饋，不斷修正和完善所有文章，爭取給文章，再進一步精簡非核心代碼，增加可視化圖表以及文字的結論性分析。基于Android 6.0的源碼，專注于分享Android系統原理、架構分析的原創文章。
建議閱讀群體： 適合于正從事或者有興趣研究Android系統的工程師或者技術愛好者，也適合Android App高級工程師；對于尚未入門或者剛入門的App工程師閱讀可能會有點困難，建議先閱讀更基礎的資料，再來閱讀本站博客。
看到Android整個系統架構是如此龐大的, 該問如何學習Android系統, 以下是我自己的Android的學習和研究論，僅供參考如何自學Android。
從整理上來列舉一下Android系統的核心知識點概覽：
4.1 系統啟動系列
Android系統啟動-概述:
Android系統中極其重要進程：init, zygote, system_server, servicemanager 進程:
| 1 | init進程 | Linux系統中用戶空間的第一個進程, Init.main |
| 2 | zygote進程 | 所有Ａpp進程的父進程, ZygoteInit.main |
| 3 | system_server進程(上篇) | 系統各大服務的載體, forkSystemServer過程 |
| 4 | system_server進程(下篇) | 系統各大服務的載體, SystemServer.main |
| 5 | servicemanager進程 | binder服務的大管家, 守護進程循環運行在binder_loop |
| 6 | App進程 | 通過Process.start啟動App進程, ActivityThread.main |
再來看看守護進程(也就是進程名一般以d為后綴，比如logd，此處d是指daemon的簡稱), 下面介紹部分守護進程：
debuggerd
installd
lmkd
logd
4.2 系統穩定性系列
Android系統穩定性主要是異常崩潰(crash)和執行超時(timeout),:
| 1 | 理解Android ANR的觸發原理 | 觸發ANR的場景以及機理 |
| 2 | Input系統—ANR原理分析 | input觸發ANR的原理 |
| 3 | 理解Android ANR的信息收集過程 | AMS.appNotResponding過程分析,收集traces |
| 4 | 解讀Java進程的Trace文件 | kill -3 信息收集過程 |
| 5 | Native進程之Trace原理 | debuggerd -b 信息收集過程 |
| 6 | WatchDog工作原理 | WatchDog觸發機制 |
| 7 | 理解Java Crash處理流程 | AMS.handleApplicationCrash過程分析 |
| 8 | 理解Native Crash處理流程 | debuggerd守護進程 |
| 9 | global reference限制策略 | global reference |
4.3 Android進程系列
進程/線程是操作系統的魂，各種服務、組件、子系統都是依附于具體的進程實體。深入理解進程機制對于掌握Android系統整體架構和運轉機制是非常有必要的，是系統工程師的基本功，下面列舉進程相關的文章：
| 1 | 理解Android進程創建流程 | Process.start過程分析 |
| 2 | 理解殺進程的實現原理 | Process.killProcess過程分析 |
| 3 | Android四大組件與進程啟動的關系 | AMS.startProcessLocked過程分析組件與進程 |
| 4 | Android進程絕殺技--forceStop | force-stop過程分析徹底移除組件與殺進程 |
| 5 | 理解Android線程創建流程 | 3種不同線程的創建過程 |
| 6 | 徹底理解Android Binder通信架構 | 以start-service為線,闡述進程間通信機理 |
| 7 | 理解Binder線程池的管理 | Zygote fork的進程都默認開啟binder線程池 |
| 8 | Android進程生命周期與ADJ | 進程adj, processState以及lmk |
| 9 | Android LowMemoryKiller原理分析 | lmk原理分析 |
| 10 | 進程優先級 | 進程nice,thread priority以及scheduler |
| 11 | Android進程調度之adj算法 | updateOomAdjLocked過程 |
| 12 | Android進程整理 | 整理系統的所有進程/線程 |
4.4 四大組件系列
對于App來說，Android應用的四大組件Activity，Service，Broadcast Receiver， Content Provider最為核心，接下分別展開介紹：
| 1 | startActivity啟動過程分析 | Activity |
| 2 | 簡述Activity生命周期 | Activity |
| 3 | startService啟動過程分析 | Service |
| 4 | bindService啟動過程分析 | Service |
| 5 | 以Binder視角來看Service啟動 | Service |
| 6 | Android Broadcast廣播機制分析 | Broadcast |
| 7 | 理解ContentProvider原理 | ContentProvider |
| 8 | ContentProvider引用計數 | ContentProvider |
| 9 | Activity與Service生命周期 | Activity&&Service |
| 10 | 簡述Activity與Window關系 | Activity&&Window |
| 11 | 四大組件之綜述 | AMS |
| 12 | 四大組件之ServiceRecord | Service |
| 13 | 四大組件之BroadcastRecord | Broadcast |
| 14 | 四大組件之ContentProviderRecord | ContentProvider |
| 15 | 理解Android Context | Context |
| 16 | 理解Application創建過程 | Application |
| 17 | unbindService流程分析 | Service |
| 18 | 四大組件之ActivityRecord | Activity |
| 19 | AMS總結(一) | AMS |
4.5 圖形系統系列
圖形也是整個系統非常復雜且重要的一個系列，涉及WindowManager,SurfaceFlinger服務。
| 1 | WindowManager啟動篇 | Window |
| 2 | WMS之啟動窗口篇 | Window |
| 3 | 以Window視角來看startActivity | Window |
| 4 | Android圖形系統概述 | SurfaceFlinger |
| 5 | SurfaceFlinger啟動篇 | SurfaceFlinger |
| 6 | SurfaceFlinger繪圖篇 | SurfaceFlinger |
| 7 | Choreographer原理 | Choreographer |
4.6 系統服務篇
再則就是在整個架構中有大量的服務，都是基于Binder來交互的，Android系統服務的注冊過程也是在此之上的構建的。計劃針對部分核心服務來重點分析：
AMS服務
AMS啟動過程（一）
更多組件篇[見小節4.3]
Input系統
Input系統—啟動篇
Input系統—InputReader線程
Input系統—InputDispatcher線程
Input系統—UI線程
Input系統—進程交互
Input系統—ANR原理分析
PKMS服務
PackageManager啟動篇
Installd守護進程
Alarm服務
理解AlarmManager機制
JobScheduler服務
理解JobScheduler機制
BatteryService
Android耗電統計算法
PMS服務
DropBox服務
DropBoxManager啟動篇
UserManagerService
多用戶管理UserManager
更多系統服務
敬請期待
4.7 內存&&存儲篇
內存篇
Android LowMemoryKiller原理分析
Linux內存管理
Android內存分析命令
存儲篇
Android存儲系統之源碼篇
Android存儲系統之架構篇
Linux驅動篇
敬請期待
dalvik/art
解讀Java進程的Trace文件
4.8 工具篇
再來說說Android相關的一些常用命令和工具以及調試手段.
| 1 | 理解Android編譯命令 | build |
| 2 | 理解Android.bp | build |
| 2 | 性能工具Systrace | systrace |
| 3 | Android內存分析命令 | Memory |
| 4 | ps進程命令 | Process |
| 5 | Am命令用法 | Am |
| 6 | Pm命令用法 | Pm |
| 7 | 調試系列1：bugreport源碼篇 | bugreport |
| 8 | 調試系列2：bugreport實戰篇 | bugreport |
| 9 | dumpsys命令用法 | dumpsys |
| 10 | Android logd日志原理 | logd |
| 11 | 介紹gdb調試工具 | gdb |
| 12 | 介紹addr2line調試命令 | addr2line |
4.9 實戰篇
下面列舉處理過的部分較為典型的案例，供大家參考
| 1 | Binder Driver缺陷導致定屏的案例 | binder |
| 2 | 深度解讀ArrayMap優勢與缺陷 | ArrayMap |
| 3 | 數組越界導致系統重啟的案例 | 數組越界 |
| 4 | 一行Log引發多線程并發問題的案例 | 多線程并發 |
| 5 | 跑monkey壓力測試過程的凍屏案例 | monkey凍屏 |
| 6 | 深度剖析APP保活案例 | 保活 |
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五、結束語
Android系統之博大精深，包括Linux內核、Native、虛擬機、Framework，通過系統調用連通內核與用戶空間，通過JNI打通用戶空間的Java層和Native層，通過Binder、Socket、Handler等打通跨進程、跨線程的信息交換。只有真正閱讀并理解系統核心架構的設計，解決問題和設計方案才能做到心中無劍勝有劍，才能做到知其然知其所以然。當修煉到此，恭喜你對系統有了更高一個層次的理解，正如太極劍法，忘記了所有招式，也就練成了太極劍法。
再回過頭去看看那些API，看到的將不再是一行行代碼、一個個接口的調用，而是各種信息的傳遞與交互工作，而是背后成千上萬個小蝌蚪的動態執行流。記得《俠客行》里面的龍木二島主終其一生也無法參透太玄經，石破天卻短短數日練成絕世神功，究其根源是龍木二島主以靜態視角去解讀太玄經，而石破天把墻壁的圖案想象成無數游動的蝌蚪，最終成就絕世神功。一言以蔽之，程序代碼是死的，系統運轉是活的，要以動態視角去理解系統架構。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的Android系统架构开篇的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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