學習筆記1-深入理解Android內核設計思想

4.1 計算機體系結構（Computer Architecture）

4.1.1 馮·諾依曼結構

兩個深遠影響的觀點：

• 採用二進制，拋棄十進制

• 程序存儲（stored-program）

4.1.2 哈佛結構

對馮諾依曼結構的改進與完善，區別在指令與數據並不保存在同一個存儲器。

這意味着：

• 指令與數據可以有不同的的數據寬度；

• 執行速度更快。

計算機結構的基本元素：

• 中央處理器（CPU）

• 內存儲器

• I/O設備

4.2 什麼是操作系統

定義：

計算機操作系統是負責管理系統硬件，併爲上層應用提供穩定編程接口和人機交互界面的軟件集合。

最核心的工作：硬件管理與抽象。

肩負兩大重任：

• 面向下層：管理硬件（CPU、內存、Flash、各種IO設備）

• 面向上層：一方面，爲用戶提供可用的人機交互界面；另一方面，負責爲第三方程序的研發提供便捷、可靠、高效的API。

操作系統的難點：進程和內存管理、硬件驅動的支持等，這正是Linux的長處所在。

4.3 進程間通信的經典實現

進程間的通信（Inter-process communication，IPC）是指運行在不同進程（不論是否在同一臺機器）中的若干線程間的數據交換。

實現方式：消息傳遞、管道、文件共享、操作系統提供的公共信息機制等等。

4.3.1 共享內存（Shared Memory）

一種常用的IPC機制，優勢：共享內存區域，減少數據的複製操作，速度快。

實現步驟：

• 創建內存共享區

• 映射內存共享區

• 訪問內存共享區

• 進程間通信

• 撤銷內存映射區

• 刪除內存共享區

4.3.2 管道（Pipe）

一種常見的IPC方式

• 分立管道的兩邊，進行數據的傳輸通信

• 管道是單向的

• 一根管道同時具有“讀取”端（read end）和“寫入”端（write end）

• 管道有容量限制

4.3.3 UNIX Domain Socket(UDS)

專門針對單機內的進程間通信，有時稱爲IPC Socket。

Network Socket是以TCP/IP協議棧爲基礎，UDS因爲是本地內的“安全可靠操作”，實現機制上並不依賴於這些協議。

典型流程：

UDS的基本流程與傳統Socket一致，只是在參數上有區分：

• 服務器端監聽IPC請求；

• 客戶端發起IPC申請；

• 雙方成功建立起IPC連接；

• 客戶端向服務端發送數據，證明IPC通信是有效的

4.3.4 Remote Procedure Calls(RPC)

涉及的通信雙方通常運行於兩臺不同的機器中。

4.4 同步機制的經典實現

同步：如果多個進程間存在時序關係，需要協同工作以完成一項任務

互斥：如果多個進程並不滿足協同的條件，而只是因爲共享具有排他性的資源時所產生的關係。

4.4.1 信號量(Semaphore)

涉及的元素：信號量（S）、PV原語操作（有時稱wait()、signal()）。

S：共享資源的可用數量

P: 減少S的計數（進入共享區的操作）

V：增加S的計數（退出共享區的操作）

4.4.2 Mutex

是Mutual Exclusion的縮寫，即互斥體

4.4.3 管程（Monitor）

一種控制更爲簡單的同步手段。

可以被多個進程/線程安全訪問的對象（object）或模塊（module)。

具備安全性、互斥性、共享性。

4.4.4 Linux Futex

核心優勢是Fast。

4.4.5 同步範例

生產者與消費者問題：

兩個進程共享一塊大小爲N的緩衝區，其中一個進程負責填充數據（生產者），另一個進程負責讀取數據（消費者）。

問題的核心有兩點：

• 當緩衝區滿時，禁止生產者繼續添加數據，直到消費者讀取了部分數據；

• 當緩衝區空時，消費者應等待對方繼續生產後再執行操作。

解決方式：信用量，用到3個Semaphore，功能如下：

• S_emptyCount: 用於生產者獲取可用的的緩衝空間大小，初始N

• S_fillCount: 用於消費者獲取可用的數據大小，初始爲0

• S_mutex: 用於操作緩衝區，初始爲1

生產者的執行步驟：

• 循環開始；

• Produce_item;

• P(S_emptyCount)

• P(S_mutex)

• Put_item_to_buffer

• V(S_mutex)

• V(S_fillCount)

• 繼續循環

消費者的執行步驟：

• 循環開始

• P(S_fillCount)

• P(S_mutex)

• Read_item_from_buffer

• V(S_mutex)

• V(S_emptyCount)

• Consume

• 繼續循環

4.5 Android中的同步機制

4.5.1 進程間同步 - Mutex

頭文件：frameworks/native/include/utils/Mutex.h

既可以處理進程內同步、又可以解決進程間同步。

4.5.2 條件判斷 - Condition

頭文件：frameworks/native/include/utils/Condition.h

核心思想：判斷“條件是否已經滿足”，如果滿足則馬上返回，繼續執行未完成的動作，否則就進行休眠等待，直到條件滿足時有人喚醒它。

4.5.3 “柵欄、障礙” - Barrier

頭文件：frameworks/native/services/surfaceflinger/Barrier.h

Barrier是填充了“具體條件”的Condition，專門爲SurfaceFlinger而設計。

通常被用於對某線程是否初始化完成進行判斷，這種場景具有不可逆性。

4.5.4 加解鎖的自動化操作 - Autolock

在Mutex類內部的嵌套類Autolock，實現加、解鎖的自動化操作。

當Auto構造時，會主動調用內部成員變量mLock的lock()方法獲取一個鎖。

而析構時正好相反，調用它的unlock()方法釋放鎖。

4.5.5 讀寫鎖 - ReaderWriterMutex

基礎仍是mutex，特點是 允許有多個對象共享Read鎖，但同時卻只能有唯一一個對象擁有Write鎖。

4.6 操作系統內存管理基礎

內存管理是操作系統的重點和難點

內存管理重點理解幾個核心：虛擬內存、內存分配與回收、內存保存。

4.6.1 虛擬內存（Virtual Memory）

虛擬內存：爲大體積程序的運行提供了可能。

基本思想：

• 將外存儲器的部分空間作爲內存的擴展

• 當內存資源不足時，系統將按照一定算法自動挑選優先級低的數據塊，並把它們存儲到硬盤中。

• 後續如果需要用到硬盤中的這些數據塊，系統將產生“缺頁”指令，然後把它們交換回內存中。

• 這些操作是由操作系統內部內核自動完成，對上層應用“完全透明”。

涉及3種不同的地址空間：

1、邏輯地址

是程序編譯後所產生的地址，Segment Selector(段選擇子， 16bit) + Offset (偏移值，32bit)

2、線性地址

是邏輯地址經過分段機制轉換後形成的

3、物理地址

是指機器真實的物理內存所能表示的地址空間範圍，64KB內存的物理地址範圍是 0x0000 - 0xFFFF

4.6.2 內存保護（Memory Protection）

4.6.3 內存分配與回收

分Native層（C/C++）、Java層

4.6.4 進程間通信 - mmap

IPC方式: 通過映射同一塊物理內存來共享內存，減少數據複製次數，提高效率。

mmap可以將某個設備或者文件映射到應用進程的內存空間中，這樣訪問這塊內存就相當於對設備/文件進行讀寫，而不需要通過read()、write()。

4.6.5 寫時拷貝技術（Copy on Write）

基本思想：多個對象在起始時共享某些資源（如代碼段、數據段），直到某個對象需要修改該資源才擁有自己的一份拷貝。

4.7 Android中的Low Memory Killer

Linux底層內核的內存監控機制：OOMKiller，核心思想：按照優先級順序，從低到高逐步殺掉進程，回收內存。

優先級的設定策略需綜合以下幾個因素：

• 進程消耗的內存

• 進程佔用的CPU時間

• oom_adj(OOM權重)

Android擴展出自己的內存監控體系，Linux的“內存殺手”要等到系統資源“瀕臨絕境”的情況下才產生效果，而Android則實現了“不同梯級”的Killer（Low Memory Killer（LMK））。

LMK的源碼在內核工程的driver/staging/android/Lowmemorykiller.c中。

4.8 Android匿名共享內存（Anonymous Shared Memory）

Anonymous Shared Memory(簡稱Ashmem)是Android特有的內存共享機制，可以將制定的物理內存分別映射到各個進程自己的虛擬地址空間中，從而便捷地實現進程間的內存共享。

應用實例：基於ashmem設備來實現跨進程內存共享，如MemoryDealer。

匿名共享內存涉及設備驅動、Binder原理等一系列技術，比較難理解，等學習相關基礎知識，再來攻克。

4.9 JNI

JNI(Java Native Interface)是一種允許運行於JVM的Java程序去調用（反向亦然）本地代碼的編程框架。

有3種情況需要用到JNI：

• 應用程序需要一些平臺相關的feature的支持，而Java無法滿足

• 兼容以前的用其他語言書寫的代碼庫

• 應用程序的某些關鍵操作對運行速度要求較高。

JNI涉及以下兩方面：

• Java Code -> Native Code

• Native Code -> Java Code

4.9.1 Java函數的本地實現

創建一個可供Java代碼調用的本地函數步驟：

• 將需要本地實現的Java方法加上native聲明；

• 使用javac命令編譯Java類

• 使用javah生成.h頭文件

• 在本地代碼中實現native方法

• 編譯上述的本地方法，生成動態鏈接庫

• 在Java類中加載這一動態鏈接庫

• Java代碼中其他地方可以正常調用這個native方法

4.9.2 本地代碼訪問JVM

上節內容的“逆向”操作，本地層（C/C++）訪問JVM空間（Java）。

4.10 Java中的反射機制

4.11 學習Android系統的兩條線索

主線：操作系統的體系結構、硬件組成

輔線：在主線的基礎上，以Android系統的5層框架爲輔，逐一解析各層框架中的重要元素，或拾級而上，或深入淺出，直到問題的最根源處。