Android系统开篇

作者: 锐心凌志 | 来源:发表于2018-04-25 13:25 被阅读29次

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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。

android-arch1

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

点击查看大图

process_status

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。

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。

ServiceManager

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
0	Binder系列—开篇	Binder概述
1	Binder系列3—启动Service Manager	ServiceManager守护进程注册和查询服务
2	Binder系列4—获取Service Manager	获取代理对象BpServiceManager
3	Binder系列5—注册服务(addService)	注册Media服务
4	Binder系列6—获取服务(getService)	获取Media代理，以及DeathRecipient
5	Binder系列7—framework层分析	framework层服务注册和查询，Binder注册
6	理解Binder线程池的管理	Binder的startThreadPool过程
7	彻底理解Android Binder通信架构	startService为主线
8	Binder系列10—总结	Binder的简单总结
9	Binder IPC的权限控制	clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity
10	Binder死亡通知机制之linkToDeath	Binder死亡通知机制

驱动篇:

使用篇:

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，如下图：

handler_communication

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：

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。

四、核心提纲

2016年新的一年刚开始，首先祝大家、也祝自己在新的一年诸事顺心，事业蒸蒸日上。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。借着今天（元旦假日的最后一天），给自己的新的一年提前做一个计划，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博客；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。

博客定位： 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-booting

Android系统启动-概述: Android系统中极其重要进程：init, zygote, system_server, servicemanager 进程:

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.

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 |
| 2 | Input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 |
| 4 | ART虚拟机之Trace原理 | kill -3 信息收集过程 |
| 5 | Native进程之Trace原理 | debuggerd -b 信息收集过程 |
| 6 | WatchDog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：

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：

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 |
| 1 | WindowManager启动篇 | Window |
| 2 | WMS之启动窗口篇 | Window |
| 3 | 以Window视角来看startActivity | Window |
| 4 | Android图形系统概述 | SurfaceFlinger |
| 5 | SurfaceFlinger启动篇 | SurfaceFlinger |
| 6 | SurfaceFlinger绘图篇 | SurfaceFlinger |
| 7 | Choreographer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
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

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Systrace | systrace |
| 3 | Android内存分析命令 | Memory |
| 4 | ps进程命令 | Process |
| 5 | Am命令用法 | Am |
| 6 | Pm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 |
| 9 | dumpsys命令用法 | dumpsys |

五、结束语

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。博客会持续更新，各个击破，本文最近更新时间点: 2017.09.03.

说明：博主水平和精力有限，没有大量的时间反复校验文章，目前只是初稿，后续会不断整理和完善每一篇文章。另外，如果您发现文章逻辑、文字或表述存在错误，还望海涵，欢迎留言指正、或邮件gityuan@gmail.com，或微博反馈，谢谢！