01 Android7.0系统启动流程-系统架构

作者: 凤邪摩羯 | 来源:发表于2021-01-31 16:08 被阅读0次

1.Android系统架构

Android系统架构分为五层，从上到下依次是应用层、应用框架层、系统运行库层、硬件抽象层和Linux内核层。

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1.1 应用层

系统内置的应用程序以及非系统级的应用程序都是属于应用层。负责与用户进行直接交互，通常都是用Java进行开发的。

1.2 应用框架层（Java Framework)

应用框架层为开发人员提供了可以开发应用程序所需要的API，我们平常开发应用程序都是调用的这一层所提供的API，当然也包括系统的应用。这一层的是由Java代码编写的，可以称为Java Framework。下面来看这一层所提供的主要的组件。

名称	功能描述
Activity Manager(活动管理器)	管理各个应用程序生命周期以及通常的导航回退功能
Location Manager(位置管理器)	提供地理位置以及定位功能服务
Package Manager(包管理器)	管理所有安装在Android系统中的应用程序
Notification Manager(通知管理器)	使得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）	提供应用程序使用的各种非代码资源，如本地化字符串、图片、布局文件、颜色文件等
Telephony Manager(电话管理器)	管理所有的移动设备功能
Package Manager(包管理器)	管理所有安装在Android系统中的应用程序
Window Manager（窗口管理器）	管理所有开启的窗口程序
Content Providers（内容提供器）	使得不同应用程序之间可以共享数据
View System（视图系统）	构建应用程序的基本组件

表1

1.3 系统运行库层（Native)

系统运行库层分为两部分，分别是C/C++程序库和Android运行时库。下面分别来介绍它们。

1.3.1 C/C++程序库

C/C++程序库能被Android系统中的不同组件所使用，并通过应用程序框架为开发者提供服务，主要的C/C++程序库如下表2所示。

名称	功能描述
OpenGL ES	3D绘图函数库
Libc	从BSD继承来的标准C系统函数库，专门为基于嵌入式Linux的设备定制
Media Framework	多媒体库，支持多种常用的音频、视频格式录制和回放。
SQLite	轻型的关系型数据库引擎
SGL	底层的2D图形渲染引擎
SSL	安全套接层，是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议
FreeType	可移植的字体引擎，它提供统一的接口来访问多种字体格式文件

表2

1.3.2 Android运行时库

运行时库又分为核心库和ART(5.0系统之后，Dalvik虚拟机被ART取代)。核心库提供了Java语言核心库的大多数功能，这样开发者可以使用Java语言来编写Android应用。相较于JVM，Dalvik虚拟机是专门为移动设备定制的，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。而替代Dalvik虚拟机的ART 的机制与Dalvik 不同。在Dalvik下，应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器转换为机器码，这会拖慢应用的运行效率，而在ART 环境中，应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，使其成为真正的本地应用。

1.4 硬件抽象层（HAL)

硬件抽象层是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化，为了保护硬件厂商的知识产权，它隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可在多种平台上进行移植。从软硬件测试的角度来看，软硬件的测试工作都可分别基于硬件抽象层来完成，使得软硬件测试工作的并行进行成为可能。通俗来讲，就是将控制硬件的动作放在硬件抽象层中。

1.5 Linux内核层

Android 的核心系统服务基于Linux 内核，在此基础上添加了部分Android专用的驱动。系统的安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型等都依赖于该内核。
Android系统的五层架构就讲到这，了解以上的知识对以后分析系统源码有很大的帮助。

二. Android架构

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图解： 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。

3.Android系统源码目录

我们要先了解Android系统源码目录，为后期源码学习打下基础。关于源码的阅读，你可以访问http://androidxref.com/来阅读系统源码。当然，最好是将源码下载下来。下载源码可以使用清华大学开源软件镜像站提供的Android 镜像：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/help/AOSP/ 。如果觉得麻烦也可以查找国内的网盘进行下载，推荐使用该百度网盘地址下载：http://pan.baidu.com/s/1ngsZs，它提供了多个Android版本的的源码下载。

3.1 整体结构

各个版本的源码目录基本是类似，如果是编译后的源码目录会多增加一个out文件夹，用来存储编译产生的文件。Android7.0的根目录结构说明如下表所示。

Android源码根目录	描述
abi	应用程序二进制接口
art	全新的ART运行环境
bionic	系统C库
bootable	启动引导相关代码
build	存放系统编译规则及generic等基础开发包配置
cts	Android兼容性测试套件标准
dalvik	dalvik虚拟机
developers	开发者目录
development	应用程序开发相关
device	设备相关配置
docs	参考文档目录
external	开源模组相关文件
frameworks	应用程序框架，Android系统核心部分，由Java和C++编写
hardware	主要是硬件抽象层的代码
libcore	核心库相关文件
libnativehelper	动态库，实现JNI库的基础
ndk	NDK相关代码，帮助开发人员在应用程序中嵌入C/C++代码
out	编译完成后代码输出在此目录
packages	应用程序包
pdk	Plug Development Kit 的缩写，本地开发套件
platform_testing	平台测试
prebuilts	x86和arm架构下预编译的一些资源
sdk	应用程序包
packages	sdk和模拟器
system	底层文件系统库、应用和组件
toolchain	工具链文件
tools	工具文件
Makefile	全局Makefile文件，用来定义编译规则

表3
从表3可以看出，系统源码分类清晰，并且内容庞大且复杂。接下来分析packages中的内容，也就是应用层部分。

3.2 应用层部分

应用层位于整个Android系统的最上层，开发者开发的应用程序以及系统内置的应用程序都是在应用层。源码根目录中的packages目录对应着系统应用层。它的目录结构如表4所示。

packages目录	描述
apps	核心应用程序
experimental	第三方应用程序
inputmethods	输入法目录
providers	内容提供者目录
screensavers	屏幕保护
services	通信服务
wallpapers	墙纸

表4

从目录结构可以发现，packages目录存放着系统核心应用程序、第三方的应用程序和输入法等等，这些应用都是运行在系统应用层的，因此packages目录对应着系统的应用层。

3.3 应用框架层部分

应用框架层是系统的核心部分，一方面向上提供接口给应用层调用，另一方面向下与C/C++程序库以及硬件抽象层等进行衔接。应用框架层的主要实现代码在/frameworks/base和/frameworks/av目录下，其中/frameworks/base目录结构如表5所示。

/frameworks/base目录	描述	/frameworks/base目录	描述
api	定义API	cmds	重要命令：am、app_proce等
core	核心库	data	字体和声音等数据文件
docs	文档	graphics	图形图像相关
include	头文件	keystore	和数据签名证书相关
libs	库	location	地理位置相关库
media	多媒体相关库	native	本地库
nfc-extras	NFC相关	obex	蓝牙传输
opengl	2D/3D 图形API	packages	设置、TTS、VPN程序
sax	XML解析器	services	系统服务
telephony	电话通讯管理	test-runner	测试工具相关
tests	测试相关	tools	工具
wifi	wifi无线网络

表5

3.4 C/C++程序库部分

系统运行库层（Native)中的 C/C++程序库的类型繁多，功能强大，C/C++程序库并不完全在一个目录中，这里给出几个常用且比较重要的C/C++程序库所在的目录位置。

目录位置	描述
bionic/	Google开发的系统C库，以BSD许可形式开源。
/frameworks/av/media	系统媒体库
/frameworks/native/opengl	第三方图形渲染库
/frameworks/native/services/surfaceflinger	图形显示库，主要负责图形的渲染、叠加和绘制等功能
external/sqlite	轻量型关系数据库SQLite的C++实现

表6
讲完 C/C++程序库部分，剩下的部分我们在表3已经给出：Android运行时库的代码放在art/目录中。硬件抽象层的代码在hardware/目录中，这一部分是手机厂商改动最大的一部分，根据手机终端所采用的硬件平台会有不同的实现。

4 系统启动系列