Android系統框架

首先看系統架構框架圖如下：

android的系統架構和其操作系統一樣，採用了分層的架構。從架構圖看，android分爲四個層，從高層到低層分別是應用程序層、應用程序框架層、系統運行庫層(包含系統庫和Android運行庫)和linux核心層。

• Applications
• Application Framework
• Libraries
• Android Runtime
• Linux Kernel

Android本身是一套軟件堆疊(Software Stack)，主要分爲三層：操作系統、中間件、應用程序。
Android的中間件可以再細分出兩層，底層是函數庫(Library)和虛擬機(Virtual Machine; VM)，上層爲應用程序框架(Application Framework)。上面架構圖中藍色部分爲Java語言開發，綠色部分爲C/C++開發，紅色的Kernel層爲C開發，黃色部分爲Dalvik VM部分。

以下分別介紹每一層的作用

• 應用程序層(Applications)

Android會同一系列核心應用程序包一起發佈，該應用程序包包括email客戶端，SMS短消息程序，日曆，地圖，瀏覽器，聯繫人管理程序等。所有的應用程序都是使用JAVA語言編寫的。

• 應用程序框架層(Application Framework)

開發人員也可以完全訪問核心應用程序所使用的API框架。該應用程序的架構設計簡化了組件的重用;任何一個應用程序都可以發佈它的功能塊並且任何其 它的應用程序都可以使用其所發佈的功能塊(不過得遵循框架的安全性限制)。同樣，該應用程序重用機制也使用戶可以方便的替換程序組件。

隱藏在每個應用後面的是一系列的服務和系統, 其中包括;

Views System：豐富而又可擴展的視圖(Views)，可以用來構建應用程序， 它包括列表(lists)，網格(grids)，文本框(text boxes)，按鈕(buttons)， 甚至可嵌入的web瀏覽器。

Content Providers(內容提供器)：使得應用程序可以訪問另一個應用程序的數據(如聯繫人數據庫)， 或者共享它們自己的數據。

Resource Manager(資源管理器)：提供非代碼資源的訪問，如本地字符串，圖形，和佈局文件( layout files )

Notification Manager(通知管理器)：使得應用程序可以在狀態欄中顯示自定義的提示信息。。通知列設定在手機的頂部，像短信(short Message)，Voice mail都會在此進行提示。

Activity Manager(Activity管理)：用來管理應用程序生命週期並提供常用的導航回退功能。

• 函數庫層(Libraries)

Android 包含一些C/C++庫，這些庫能被Android系統中不同的組件使用。它們通過 Android 應用程序框架爲開發者提供服務。以下是一些核心庫：
System C library – 一個從 BSD 繼承來的標準 C 系統函數庫( libc )， 它是專門爲基於 embedded linux 的設備定製的。

Media Libraries – 基於 PacketVideo OpenCORE;該庫支持多種常用的音頻、視頻格式回放和錄製，同時支持靜態圖像文件。編碼格式包括MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG 。

Surface Manager – 對顯示子系統的管理，並且爲多個應用程序提 供了2D和3D圖層的無縫融合。

LibWebCore – 一個最新的web瀏覽器引擎用，支持Android瀏覽器和一個可嵌入的web視圖。

SGL -底層的2D圖形引擎。

3D Libraries -基於OpenGL ES 1.0 APIs實現;該庫可以使用硬件 3D加速(如果可用)或者使用高度優化的3D軟加速。

Free Type - 位圖(bitmap)和矢量(vector)字體顯示。

SQLite – SQLite是一套開放源碼的關係數據庫，一個對於所有應用程序可用，功能強勁的輕型關係型數據庫引擎。

SSL – Secure Socket Layer用於保護網頁通訊的協議。

• Android運行時庫層(Android Runtime)

Android雖然使用Java程序語言來開發應用程序，但是卻不使用一般大家目前在用的J2ME版本來執行Java程序，而是採用Android自有的Android Runtime來執行。

Android Runtime包含下面兩個核心。

Core Libraries

Android 包括了一個核心庫，該核心庫提供了JAVA編程語言核心庫的大多數功能。

Dalvik Virtual Machine

每一個Android應用程序都在它自己的進程中運行，都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例。Dalvik被設計成一個設備可以同時高效地運行 多個虛擬系統。 Dalvik虛擬機執行(.dex)的Dalvik可執行文件，該格式文件針對小內存使用做了優化。同時虛擬機是基於寄存器的，所有的類都經由JAVA編 譯器編譯，然後通過SDK中 的 “dx” 工具轉化成.dex格式由虛擬機執行。

Dalvik虛擬機有許多地方是參考Java虛擬機的設計，Dalvik虛擬機所執行的中間代碼並非是Java虛擬機所執行的Java Bytecode，同時也不直接執行Java類(Java Class File)，而是依靠轉換工具將Java bytecode轉爲Dalvik VM執行時特有的dex(Dalvik Executable) 格式，成爲.dex。Dalvik VM與Java VM最大的不同在於Java VM是Stack-based，而Dalvik VM是(register-based)。以技術層面來看Register-based VM的特性有個很大的好處，那就是對於目前主流的硬件架構，很容易與現有系統整合且達到最優化，而所需要的資源也相對較少。甚至在硬件實現VM上會比較容 易實現。最重要的是Dalvik並不是由J2ME實現，而不存在J2ME授權相關的問題。

通常來說，Java比較慢不單單只是因爲Virtual Machine的關係，Java的程序編譯成Bytecode也是關鍵因素之一，因爲Java VM採用了Stack-based的方式來產生指令，所以所有的變量都需要push, pop操作，所以就會多出不少指令，而Dalvik VM則採用Register-based方式，變量都存儲在寄存器中，相比較而言，Dalvik VM的指令就會少一點，速度也就會更加快一點。

• 操作系統層(Linux Kernel)

Android平臺的操作系統用的是Linux，內核版本爲2.6版，包含的主要功能有安全(Security)、內存管理(Memory Management)、進程管理(Process Managemen)、網絡協議棧(Network Stack)、硬件驅動(Driver Model)等，Linux內核也同時作爲硬件和軟件棧之間的抽象層。

關於 Android 對 kernel 的修改，Google 的簡報還提供了兩個重點：
       Binder (IPC)：提供有效率的程序間溝通管道(Inter-Process Communication)。Android 系統中有很多服務，而上層的應用程序經常要取用這些服務，一般的 Linux 系統已經提供了不少 IPC 的方式，不過 Android 還是搞了套自己的。雖說文件中解釋原因爲「一般 IPC 會造成額外資源花費，以及安全問題」，但其實這些都是可以基於原有架構在 kernel 外頭解決的，爲何要改在 kernel 裏頭，筆者對此存疑，也只能等找時間去研究程序代碼才知了。
       Power Management：與桌上型計算機或筆記型計算機不同，手持裝置的電源一向相當有限，必須無所不用其極的去想辦法省電，但又不損及順暢的使用經驗。Android 在此採取了頗爲積極的作法：「沒有人說要用，就關掉」。例如某程序在放 MP3 音樂，於是此程序會需要 CPU 的計算能力，那就得開口要。如果與此同時沒其它程序在執行，那麼 LCD 顯示器就可能被關掉，藉以省電。另一特別處，是在於 Linux kernel 一般考慮的都是在計算機上的作法，所以多半隻有進入暫停、休眠等等的選擇，而不會如此細緻的去控制到各個小裝置的電源供應。
系統函式庫

這裏說的系統函式庫是指 “native libraries”，是跑在系統裏頭的函式庫，採用的語言不是 Java，提供一些基礎建設。裏頭有幾個值得一提的組件：

       Bionic：這是 Android 版的 libc。libc 是 GNU/Linux 以及其它類似 Unix 系統上最基礎的函式庫，一般最常用的是 glibc，就是 GNU 做的 libc。不然在比較小型的裝置上也可以用 uclibc。不論是 glibc or uclibc，版權都是LGPL (GPL 的略爲弱化版)。看到這大概可以猜到了吧，又是 Copyleft 問題。官方的說法是，除了版權問題以外，還考慮必須輕量以及快速，所以才做了自己的 libc。不過輕量、快速，本來就是小型裝置用的 uclibc 一開始的目標，因此，最主要的恐怕還是版權問題。
       Webkit：鼎鼎大名的 Apple Safari 瀏覽器背後的引擎就是 Webkit，Android 也包含進去了。離線使用的 html 配上 html 5 的一些新發展，產生了各種有趣的可能，這部分值得另文介紹，這裏就不再贅述。
Surface Flinger：提供把各種”surface”組合在一起的能力。在這裏 surface 解釋爲程序想要顯示在屏幕的東西，可能同一屏幕上有來自不同程序的內容，而這些內容有可能是 2D 顯示或是 3D 顯示等等之類。Surface flinger 就是把這些東西結合起來，一起送到屏幕上。目前程序代碼還沒公佈，不過 2D 跟 3D 的混合顯示一直都是問題，根本原因是我們通常告訴 3D 顯示卡的東西都是一些「我要在哪里哪里畫上什麼形狀，貼上某某材質然後旋轉多少度」之類的事情，也就是說，我們並不知道最後顯示出來會長什麼樣子，那是顯示卡上頭的 GPU 去算出來的。一般這些東西是顯示在一個有裝飾的窗口裏頭，這裝飾通常是 2D 效果。接下來假定我們想要旋轉這整個窗口，而且裏頭的東西還要繼續動，那等於要隨時把握 3D 窗口裏的東西長什麼樣子，然後把它跟 2D 的窗口框框結合，然後再開始轉動。目前在一般 GNU/Linux 上這件事情還沒有處理的非常好，Android 怎麼做，值得在程序代碼公佈之後注意。
      硬件抽象層 (Hardware Abstraction Libraries)：這就是前文所述的 userspace 驅動程序，如果想要將 Android 在某硬件平臺上執行，基本上完成這些驅動程序就行了。其內定義了 Android 對各硬件裝置例如顯示芯片、聲音、數字相機、GPS、GSM 等等的需求。