Android framework學習

一：概述

       衆所周知，Android是一個基於Linux實現的操作系統。但對於Linux內核來說，Android也僅僅只是一個運行在內核之上的應用程序，與其他運行在內核之上的應用程序沒有任何區別。所以Android也需要運行環境，需要Linux內核在啓動完成後加載Android Framework運行所需要的資源。當Framework完成初始化後才能繼續啓動相應的APK應用程序。

背景知識&tips：1⃣️Android系統採用C/S架構；2⃣️絕大部分IPC通信採用Binder通信；3⃣️核心Service大多運行在System_server進程；4⃣️核心Service代碼大部分都在frameworks/base/services目錄下；5️⃣別一上來就看Binder！！！6⃣️別一開始看源碼就鑽牛角尖！！！

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二：Framework的整體理解

     其實我們寫的App並不是一個完整的程序。我們寫的只是一個套件組，就是一堆Activity，Service等等的組件。這個套件組給Framework框架組合在一起纔是一個完整的程序。

        在這裏先說一個概念，也就是EIT模型。E是Engine發動機，I是Interface接口，T是tire輪胎。也就是發動機通過接口接上輪胎，然後車子才能跑。然後框架提供的就是E&I，一般框架都是提供發動機和接口，讓我們來做輪胎，然後裝上就可以跑起來了。（這裏的I也可以理解爲抽象函數，因爲抽象函數就相當於接口嘛）抽象類也就是把發動機和接口，放在一個類裏。

        像Activity，提供了一個接口函數（卡隼函數）onCreate（），我們寫myActivity，就要重寫onCreate（），Activity這個抽象類就是發動機，onCreate（）就是接口，myActivity就是輪胎。當框架要Activity運行的時候調onCreate（）方法，就帶動了myActivity的運行。我們寫在onCreate（）中的代碼就得到了執行。

      Android框架這樣做的好處就是牢牢掌握控制權，要求開發者必須在我給你的接口中裝填代碼，我框架內容千變萬化你都不用管，你老老實實在我給你的接口填代碼就行了，整個生命週期都由我框架來掌控。試想，如果不通過這種模式，不是給App開發者提供接口，而是直接的函數調用，那框架就要受制於App開發者，這個函數用的人越多，函數改動的成本就越高。框架就被迫不能改變，慢慢也就死了。而通過EIT模型，提供給開發者的只是一個接口，框架對App開發者就是透明的，你只需要在接口中做事就行了，這樣就更規範和靈活。關於什麼時候new Activity的對象是由Framework框架來控制的。Manifest文件裏把Activity註冊上，是因爲Framework框架要new Activity的時候知道去哪找這個子類。而且這個對象有什麼初始值，比如響應什麼樣的intent。這樣App的啓動也就好理解了，點擊桌面圖標，由FrameWork框架捕獲這個事件，去找這個圖標對應的App的Manifest裏面找到要啓動的第一個Activity，就是那個在Manifest裏註明是main和luncher的。然後由Framework框架new出這個myActivity對象。自然也就new出了基類Activity對象，然後Framework框架調用Activity的onCreate（），實際對象是myActivity，執行的也就是myActivity的onCreate（）。這時候App就啓動了。

      由此可見，任何控制類程序都有一個入口，安卓應用程序同樣也是。 

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三：Framework啓動分析

       Framework運行的第一個Java虛擬機進程爲zygote（對應具體程序爲app_process，該程序位於system/bin目錄下），zygote是APK應用程序的父進程，此後所有的虛擬機進程都由zygote創建。

zygote有兩個功能：
1.接受請求創建新的Dalvik進程
2.共享類和資源（需要加載的資源在preload-classes文本文件中聲明）

3.1 Dalvik虛擬機進程間的關係

       對於Android來說，每一個應用程序對應着一個Linux 進程，每一個進程都是一個Dalvik虛擬機，Dalvik虛擬機是一種類似Java虛擬機的實現。

         zygote進程在啓動時會預先裝載共享類和共享資源，這些類及資源實際上就是SDK中定義的大部分類和資源。當zygote進程創建新進程時，新的APK進程只需裝載自身類和資源即可。共享的資源位於同一段物理內存空間中，zygote進程及其創建的Dalvik進程都可以訪問，這就解決了多個APK共享Framework資源的問題。

       zygote創建的第一個進程名爲SystemServer，SystemServer創建了一個Socket客戶端，並創建了ActivityManagerService線程來管理該客戶端。之後所有的Dalvik進程都是由該客戶端啓動的。當需要啓動新的APK進程時，AmS會通過該Socket客戶端向zygote進程的Socket服務端發送一個啓動命令，然後zygote就會創建(使用fork()創建新進程)出新的應用程序進程。

3.2 系統服務

     SystemServer進程內部運行着APK應用中能夠直接交互的大部分系統服務。比如WindowManagerService（簡稱WmS），ActivityManagerService（簡稱AmS），PackageManagerService（簡稱PmS）等。這些系統服務都是以一個線程的方式生存在SystemServer進程中。SystemServer啓動的各種服務線程如下所示：

• PowerManagerService電源管理服務
• ActivityManagerService管理Activity
• PackageManagerService程序包管理服務
• BatteryService電池管理服務
• LightService自然光強度感應傳感器服務
• VibratorService震動傳感器服務
• ClipboardService剪切板服務
• NetworkManagerService網絡管理服務
• InputMethodManagerService輸入法管理服務
• BluetoothService藍牙服務
• ...

3.3 Dalvik與Android Runtime（ART）

Dalvik是一種類Java虛擬機的實現，其執行的是class優化後的dex字節碼文件。Dalvik通過一個JIT（Just-In-Time）編譯器去解釋字節碼，但執行效率並不理想。

自動Android 4.4後安卓就內置了ART實現，從5.0開始更是直接拋棄了Dalvik全面使用ART。ART通過AOT機制（Ahead-Of-Time）在應程序安裝時將字節碼編譯成機器語言，因此執行速度更快。並且ART也完全兼容Dalvik。

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四：應用程序啓動分析

       在計算機的世界裏每個程序都有一個main()方法，程序代碼都是從main()方法開始執行，Android應用程序也不例外。

       當應用程序啓動時系統首先會爲其創建一個Dalvik虛擬機進程，並加載APK應用程序類及資源。然後，APK應用程序從ActivityThred的main()方法處開始執行。

      首先main()方法爲UI線程創建一個消息隊列（MessageQueue）。然後創建ActivityThread對象，ActivityThread初始化時會創建一個Handler和一個Binder。Binder負責接收遠程AmS的IPC調用，接收到調用後通過Handler將消息發送到消息隊列，UI主線程會異步地從消息隊列中取出消息並執行相應操作，比如start,stop,pause等。

       接着UI主線程調用Looper.loop()方法進入消息循環體，進入後就會不斷從消息隊列中讀取並處理消息。

       ActivityThread是APK程序的UI線程，也就是我們所說的主線程。主線程要求執行時間不能超過5秒，超過就會報ANR，這個5秒就是UI線程消息隊列循環一次的最大時間閾值。

     當ActivityThread接收到AmS發送的start某個Activity消息後，就會創建指定Activity對象。Activity又會創建PhoneWindow類，PhoneWindow創建DecorView，DecorView內部包含Activity.setContentView(R.layout.xxx)指定的佈局。

      創建完成後，Activity需要將佈局顯示在屏幕上，於是調用WindowManager.addView()方法。WindowManager爲Activity對應的窗口（Window）創建一個ViewRoot對象（每一個窗口對應一個ViewRoot對象），然後調用WmS提供的遠程接口將窗口（佈局）顯示到屏幕上。至此應用程序中的Activity就顯示在屏幕上了。

4.1 APK中的線程

      在現在操作系統中，任何應用程序都運行在線程之中。客戶端在啓動時系統會首先爲其分配一個線程，然後該線程從程序的入口處開始執行。對於包含Activity的客戶端程序，至少包含三個線程：

1. 主線程，又稱UI線程，也就是應用程序本身所在的線程，主要用於處理用戶消息以及繪製程序界面。
2. ViewRoot.W對象對應的線程，Activity啓動後會創建一個ViewRoot.W對象，W對象繼承自Binder，因此會啓動一個對象負責接收Linux Binder驅動的IPC調用。
3. ApplicationThread對象所對應的線程，該對象也繼承自Binder，因此也會啓動一個線程用於IPC調用。

4.2 自定義Thread與UI線程的區別

        客戶端小夥伴至少包含三個線程小弟，Activity啓動後會創建一個ViewRoot.W對象，同時ActivityThread會創建一個ApplicationThread對象，這兩個對象繼承消息總管Binder，每個Binder對應一個線程，負責接收Linux Binder驅動發送的IPC調用。還有一個是UI線程唄。

    對於UI線程，在啓動時已經創建了消息隊列（MessageQueue），既在ActivityThread的main()方法中已經使用Looper.prepareMainLooper()方法爲UI線程添加了Looper對象。程序員可以直接在Activity中定義Handler對象發送處理消息。

      而對於普通線程，需要手動調用Looper.prepareLooper()方法爲Thread創建消息隊列，這樣才能定義Handler處理消息。即不能直接在Thread中定義Handler。

       從使用場景上說，就是不能直接給Thread對象發消息，但是卻可以給UI線程發消息。

       UI線程是從ActivityThread運行的，在該類的main()方法中已經使用了Looper.prepareMainLooper()爲該線程添加了Looper對象，已經爲該線程創建了消息隊列，是自帶祕書光環的。因此，我們纔可以在Activity中去定義Handler對象，因爲創建Handler對象時其線程必須已經創建了消息隊列，裝卸工得配運輸帶要不然沒法幹活。而普通的Thread則沒有默認創建消息隊列，所以不能直接在Thread中直接定義Handler，這個就是我們不懂程序運行原理導致的困惑。

具體Handler的使用及解釋請移步Android異步通信機制詳解

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五：一些重要的類

下面是一些系統中常見的類及其功能介紹，通讀一遍會對理解Android源碼很有幫助。

兩個重要的系統服務

• WindowManagerService，管理所有的窗口，包括創建刪除窗口，隱藏顯示窗口，決定窗口的層級順序，指定當前正在與應用程序交互的窗口。
• ActivityManagerService，內存管理，進程管理，統一調度所有應用程序中的Activity。所有Activity的啓動必須通知AmS，AmS也決定了某個進程會不會被殺死。

兩個消息處理類

• KeyQ類：該類是WmS的內部類，繼承自KeyInputQueue，一旦創建就立即啓動一個線程，該線程會不斷讀取用戶UI操作消息，比如按鍵、觸摸屏、等，並把這些消息放到一個消息隊列QueueEvent類中。
• InputDispatcherThread類：該類一旦創建也會啓動一個線程，該線程會不斷地從QueueEvent中讀取用戶消息，並進行一定的過濾，過濾後發送給當前活動的而應用程序中。

其他常用類

• ActivityThread類，應用程序主線程類，所有的APK都有且僅有一個ActivityThread類，程序的入口爲該類中的static main()方法，ActivityThread所在的線程即爲UI線程或主線程。
• ViewRoot類，WmS管理客戶端窗口時，需要通知客戶端進行某種操作，這些都是通過IPC調用來完成的，而客戶端在接收到IPC後，都需要將該調用轉換成本地異步調用。ViewRoot繼承自Handler，其作用就是將遠程接口調用轉換成本地異步調用。
• W類，ViewRoot內部類，繼承自Binder，Wms通知客戶端時就是該類進行IPC調用。該類內部會向其所在的ViewRoot發送一個Handler消息，以便進行異步處理。
• Window類，是一個抽象類，提供了一套操作窗口的通用方法（Callback接口）。Activity就是通過實現這個Callback接口來獲得對消息的處理機會。因爲消息首先會由WmS傳遞給窗口中的View樹，View樹不處理消息的話纔會傳遞給Window，這時候就會回調Activity實現的Callback方法使Activity有機會處理事件。
• PhoneWindow類，是Window的具體實現類，其內部保存有DecorView對象。
• DecorView類，應用程序視圖的根佈局View，該類繼承自FrameLayout。客戶端使用WindowManager添加窗口就是將該類（及其子View）添加到WmS中，並將其所代表的視圖繪製到屏幕上。
• Activity類，該類APK程序最小運行單元。ActivityThread根據用戶的操作選擇加載哪個Activity。
• WindowManager類，該類是WindowManagerService在客戶端的管理類，客戶端通過WindowManager申請創建一個窗口，而具體創建窗口的任務是由WMS來完成的。

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六:Android framework形象化理解之：三個小夥伴

Android framework包含三個小夥伴：服務端、客戶端、linux驅動。

服務端

服務端主要包含兩個很重要的類：WindowManagerService（WMS）和ActivityManagerService（AMS）。（兩個大佬管理者服務）

客戶端

客戶端包含以下類：

ActivityThread：是安卓應用程序的主線程類，也就是UI線程或者稱爲主線程，所有的處理用戶消息，以及繪製頁面的工作都在該線程中完成。

Activity： ActivityThread會根據用戶的操作選擇讓哪個Activity對象上它的船。

PhoneWindow：富二代，繼承於牛氣的Window類，自己屋裏住着一個DecorView對象，像它老爸喜歡制定規則提供了一些通用窗口操作API。

Window：富一代，長得比較抽象，喜歡制定規則提供了一些通用的窗口操作API。它不喜歡被人管。所以呢，注意：WindowManagerService管理的窗口不是Window類，其實是View和ViewGroup。

DecorView：很能幹的傢伙，家產來自FrameLayout，比較注重外在喜歡打扮，DecorView是對FrameLayout進行了一些修飾，從名字就可以看出來。

ViewRoot：小管家。繼承於Handler，主要作用是把WMS的IPC調用轉換爲本地的一個異步調用。

W類：ViewRoot小助手，繼承於binder，是ViewRoot內部類。主要幫助ViewRoot實現把WMS的IPC調用轉換爲本地的一個異步調用。

WindowManager：客戶端如果想創建一個窗口得先告訴WindowManager一聲，然後它再和WindowManagerService交流一下看看能不能創建，客戶端不能直接和WMS交互。

Linux驅動

Linux驅動和Framework相關的主要是兩個部分：畫家SurfaceFlingger和快遞員Binder。

每一個窗口都對應一個畫Surface，SF主要是把各個Surface顯示到同一屏幕上。Binder是提供跨進程的消息傳遞。

從apk程序的運行過程去看看上面各個組件在啥時候幹啥活的

ActivityThread從main()函數中就開始動起來，然後調用prepareMainLooper()爲UI線程創建一個消息快遞通道即MessageQueue。

接着創建ActivityThread對象，創建過程會創建一個消息裝卸工Handler對象和一個快遞員Binder對象，其中Binder負責接收遠程Ams的IPC調用，接收到調用後讓Handler把消息裝到消息快遞隊列，UI線程很忙的都是異步的從消息快遞隊列中取出消息並執行相應操作，比如 start、stop、pause。

然後UI線程讓隊列調用Looper.loop()方法進入消息循環體，進入後就會不斷地從消息隊列中讀取並處理消息。

當ActivityThread接收到Ams發送start某個Activity的快遞後就會創建指定的Activity對象。Activity會先按窗戶再去按玻璃和貼窗花，所以先創建PhoneWindow->DecorView->創建相應的View或ViewGroup。創建完成後就可以讓大家欣賞了，調用WindowManager把界面顯示到屏幕上，然後創建ViewRoot，然後調用Wms提供的遠程接口添加一個窗口並顯示到屏幕上。

接下來就是用戶的操作，事件線程不斷的把消息快遞發到事件隊列中去，然後事件分發線程祕書逐個取出消息，然後調用Wms中的相應函數處理該消息。

 

文章的優秀參考資料：

1. https://blog.csdn.net/zheng_weichao/article/details/79403180
2. https://www.jianshu.com/p/37e5a8e45d6b
3. https://www.zhihu.com/question/46486807?sort=created
4. https://blog.csdn.net/yuanzeyao/article/details/42418977
5. https://developer.android.com/design/