认识达内从这里开始

认真做教育专心促就业

Android开发工程师进阶指南：深入研究Android系统开篇

发布：济南IT培训
来源：互联网
时间：2018-04-16 13:11

    济南IT培训的小编我啊，看到在过去的几年,对于Android从底层一路到上层有不少自己的理解和沉淀,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.从源码角度,带领大家一睹Android系统架构; 从App到framework,native,乃至Linux内核; 从上至下地深度解读Android架构设计.
    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
    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
    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.
    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
    0Binder系列-开篇Binder概述
    1Binder系列3-启动Service ManagerServiceManager守护进程注册和查询服务
    2Binder系列4-获取Service Manager获取代理对象BpServiceManager
    3Binder系列5-注册服务(addService)注册Media服务
    4Binder系列6-获取服务(getService)获取Media代理,以及DeathRecipient
    5Binder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
    8Binder系列10-总结Binder的简单总结
    9Binder IPC的权限控制clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity
    10Binder死亡通知机制之linkToDeathBinder死亡通知机制
    驱动篇:
    序号文章名概述
    1Binder系列1-Binder Driver初探驱动open/mmap/ioctl,以及binder结构体
    2Binder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
    1Binder系列8-如何使用BinderNative层、Framwrok层自定义Binder服务
    2Binder系列9-如何使用AIDLApp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
    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:
    Android消息机制-Handler(framework篇)
    Android消息机制-Handler(native篇)
    Android消息机制3-Handler(实战)

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.

济南IT培训

    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
    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
    1init进程Linux系统中用户空间的第一个进程, Init.main
    2zygote进程所有App进程的父进程, ZygoteInit.main
    3system_server进程(上篇)系统各大服务的载体, forkSystemServer过程
    4system_server进程(下篇)系统各大服务的载体, SystemServer.main
    5servicemanager进程binder服务的大管家, 守护进程循环运行在binder_loop
    6app进程通过Process.start启动App进程, ActivityThread.main
    再来看看守护进程(进程名一般以d为后缀,比如logd), 先介绍以下部分,后缀再增加.
    debuggerd
    installd
    lmkd
    4.2 系统稳定性系列
    Android系稳定性主要是异常崩溃(crash)和执行超时(timeout), Android系统稳定性简述 :
    序号文章名概述
    1理解Android ANR的触发原理触发ANR的场景以及机理
    2Input系统-ANR原理分析input触发ANR的原理
    3理解Android ANR的信息收集过程AMS.appNotResponding过程分析,收集traces
    4ART虚拟机之Trace原理kill -3 信息收集过程
    5Native进程之Trace原理debuggerd -b 信息收集过程
    6WatchDog工作原理WatchDog触发机制
    7理解Java Crash处理流程AMS.handleApplicationCrash过程分析
    8理解Native Crash处理流程debuggerd守护进程
    4.3 Android进程系列
    进程对于系统非常重要,系统运转,各种服务、组件的载体都依托于进程,对进程理解越深刻,越能掌握系统整体架构.那么先来看看进程相关:
    序号文章名概述
    1理解Android进程创建流程Process.start过程分析
    2理解杀进程的实现原理Process.killProcess过程分析
    3Android四大组件与进程启动的关系AMS.startProcessLocked过程分析组件与进程
    4Android进程绝杀技--forceStopforce-stop过程分析彻底移除组件与杀进程
    5理解Android线程创建流程3种不同线程的创建过程
    6彻底理解Android Binder通信架构以start-service为线,阐述进程间通信机理
    7理解Binder线程池的管理Zygote fork的进程都默认开启binder线程池
    8Android进程生命周期与ADJ进程adj, processState以及lmk
    9Android LowMemoryKiller原理分析lmk原理分析
    10进程优先级进程nice,thread priority以及scheduler
    11Android进程调度之adj算法updateOomAdjLocked过程
    12Android进程整理整理系统的所有进程/线程
    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
    1startActivity启动过程分析Activity
    2简述Activity生命周期Activity
    3startService启动过程分析Service
    4bindService启动过程分析Service
    5以Binder视角来看Service启动Service
    6Android Broadcast广播机制分析Broadcast
    7理解ContentProvider原理ContentProvider
    8ContentProvider引用计数ContentProvider
    9Activity与Service生命周期Activity&&Service
    10简述Activity与Window关系Activity&&Window
    11四大组件之综述AMS
    12四大组件之ServiceRecordService
    13四大组件之BroadcastRecordBroadcast
    14四大组件之ContentProviderRecordContentProvider
    15理解Android ContextContext
    16理解Application创建过程Application
    17Android类加载器ClassLoaderclassloader
    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.
    序号文章名类别
    1WindowManager启动篇Window
    2WMS之启动窗口篇Window
    3以Window视角来看startActivityWindow
    4Android图形系统概述SurfaceFlinger
    5SurfaceFlinger启动篇SurfaceFlinger
    6SurfaceFlinger绘图篇SurfaceFlinger
    7Choreographer原理Choreographer
    4.6 系统服务篇
    再则就是在整个架构中有大量的服务,都是基于Binder来交互的,计划针对部分核心服务来重点分析:
    系统服务的注册过程, 见Android系统服务的注册方式
    AMS服务
    AMS启动过程(一)
    更多组件篇[见小节4.3]
    Input系统
    Input系统-启动篇
    Input系统-InputReader线程
    Input系统-InputDispatcher线程
    Input系统-UI线程
    Input系统-进程交互
    Input系统-ANR原理分析
    PKMS服务
    PackageManager启动篇
    Installd守护进程
    Alarm服务
    理解AlarmManager机制
    JobScheduler服务
    理解JobScheduler机制
    BatteryService
    Android耗电统计算法
    PMS服务
    DropBox服务
    DropBoxManager启动篇
    UserManagerService
    多用户管理UserManager
    更多服务介绍, 敬请期待...
    4.7 内存&&存储篇
    内存篇
    Android LowMemoryKiller原理分析
    Linux内存管理
    Android内存分析命令
    存储篇
    Android存储系统之源码篇
    Android存储系统之架构篇
    Linux驱动篇
    敬请期待
    dalvik/art
    ART虚拟机之Trace原理
    4.8 工具篇
    最后,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理解Android编译命令build
    2性能工具Systracesystrace
    3Android内存分析命令Memory
    4ps进程命令Process
    5Am命令用法Am
    6Pm命令用法Pm
    7调试系列1:bugreport源码篇bugreport
    8调试系列2:bugreport实战篇bugreport
    9dumpsys命令用法dumpsys

计划: 后续持续新增和完善整个大纲,不限于进程、内存、IO、系统服务框架,整体架构以及各种系统分析实战等文章.

更多济南IT培训相关咨询,请扫描下方二维码

济南IT培训