Android 工具之系统四层体系结构详解

最新推荐文章于 2025-07-28 17:41:27 发布

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本文深入解析Android系统五层架构：应用程序层、应用框架层、本地库与运行时环境、Linux内核与驱动层，以及HAL层。详述各层功能与核心组件，如DalvikVM、Binder机制和YAFFS2文件系统。

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这是常见安卓系统体系结构图，还有一种是在C库与底层中间加了一个HAL层，《Android 工具之系统五层框架体系结构详解》。这篇主要说这种四层结构体系：

Android系统架构图
很明显四层：接下来一一讲解：

Java应用程序层：

Android会同一系列核心应用程序包一起发布，该应用程序包包括客户端，SMS短消息程序，日历，地图，浏览器，联系人管理程序等。所有的应用程序都是使用JAVA语言编写的。

这些应用程序都是调用应用程序框架层的接口写的，显然你自己也可以使用Java通过Java原生接口JNI(Java Native Interface)的方式，配合Android NDK来开发原生程序，它允许Java代码和其他语言写的代码（通常为Ｃ和Ｃ＋＋，形成的代码称为本地代码）进行交互．使用Java与本地已编译的代码交互，通常会丧失平台可移植性．但有些情况下这样做是可以接受的，甚至是必须的。

Java应用程序层是你可以看得见的一层，那些捆绑的应用你可以通过虚拟机打开，也可以通过相应的API在自己的应用中直接调用。

Java应用程序框架层

这一层刚刚已经提到了一下，他其实就是隐藏在每个应用后面的是一系列的服务和系统。

应用框架层为应用开发者提供了用以访问核心功能的API框架．在遵循框架安全性限制的前提下，任何一个应用都可以调用这些核心功能 API来发布自己的功能组件．应用框架层提供了各种服务和管理工具，包括了应用开发所需的界面管理、数据访问、应用层的消息传递、应用包的管理、电话管理、定位管理以及 Google Talk服务等功能。

Android Framework框架包含了3个主要部分：服务端、客户端、Linux驱动。

【服务端：

ActivityManagerService(Ams):负责管理所有应用程序中的Activity,它掌握所有Activity的情况，具有所有调度Activity生命周期的能力，简单来说，ActivityManagerService是管理和掌控所有的Activity.
WindowManagerService(Wms):控制窗口的显示、隐藏以及窗口的层序，简单来说，它就是管理窗口的，大多数和View有关系的都要和它打交道。
KeyQ类:它是Wms的一个内部类，一旦创建就会启动一个新线程，这个线程会不断地接收和读取用户的UI操作消息，并把这些消息放到消息队列QueueEvent中。
InputDispatcherThread类：该类也是一旦创建就会启动一个新线程，这个线程会不断地从上面的QueueEvent中取出用户的消息进行一定的过滤，再将这些消息发送给当前活动的客户端程序中.

客户端：

ActivityThread类：主线程类，即UI线程类，我们的程序入口就是从ActivityThread的main()函数入口的。它根据Ams的要求（通过IApplicationThread接口，Ams为Client,ActivityThread.ApplicationThread为Server）负责调度和执行activities、broadcasts和其他操作。
ViewRoot类：很重要的一个类，负责客户端与Wms的交互：内部类有W类，W类继承与Binder，所以他与ApplicationThread的角色差不多，只不过它对应的是Wms，当Wms想与客户端进行通信的时候，Wms就调用这个类。内部又有ViewRootHandler类继承于Handler，所以他能在W类接收到Wms的消息后把这个消息传送到UI线程中。同时界面绘制的发起点也是在这里面：performTraversals();
W类：ViewRoot的帮手，继承与Binder，是ViewRoot内部类。主要帮助ViewRoot实现把Wms的IPC（进程间通信）调用转换为本地的一个异步调用。
Activity类：这个类我们比较熟悉，APK运行的最小单位。
PhoneWindow类：继承自Window类，它里面会放一个DecorView，它提供了一组统一窗口操作的API。
Window类：提供一些通用的窗口操作API.
DecorView类：这是我们所能看到的View的所有，它继承自FrameLayout，我们写的布局view就是放在它这个里面。
ApplicationThread类：继承鱼Binder,当Ams想与客户端通信时（即调用客户端的方法时），Ams调用的就是这个类。
Instrumentation类：负责直接与Ams对话，比如当客户端想与Ams进行通信时（即调用Ams服务里的方法），都是它去实现单项调用Ams，所有想调用Ams的操作都集中到它这里，它负责单向调用Ams。
WindowManager：客户端如果想创建一个窗口得先告诉WindowManager一声，然后它再和WindowManagerService交流一下看看能不能创建，客户端不能直接和WMS交互。

Linux驱动：

Linux驱动和Framework相关的主要是两个部分：画家SurfaceFlingger和快递员Binder。每一个窗口都对应一个画Surface，SF主要是把各个Surface显示到同一屏幕上。Binder是提供跨进程的消息传递。】

我们在开发应用时都是通过框架来与Android底层进行交互，接触最多的就是应用框架层了。

应用程序框架可以说是一个应用程序的核心，是所有参与开发的程序员共同使用和遵守的约定，大家在其约定上进行必要的扩展，但程序始终保持主体结构的一致性。其作用是让程序保持清晰和一目了然，在满足不同需求的同时又不互相影响。

Android系统提供给应用开发者的本身就是一个框架，所有的应用开发都必须遵守这个框架的原则。我们在开发应用时就是在这个框架上进行扩展。Android应用框架功能如下:

　　*android.app：提供高层的程序模型和基本的运行环境。
　　*android.content：包含对各种设备上的数据进行访问和发布。
　　*android.database：通过内容提供者浏览和操作数据库。
　　*android.graphics：底层的图形库，包含画布、颜色过滤、点、矩形，可以将它们直接绘制到屏幕上。
　　*android.location：定位和相关服务的类。
　　*android.media：提供一些类管理多种音频、视频的媒体接口。
　　android.net：提供帮助网络访问的类，超过通常的java.net.接口。
　　*android.os：提供了系统服务、消息传输和IPC机制。
　　*android.opengl：提供OpenGL的工具。
　　*android.provider：提供访问Android内容提供者的类。
　　*android.telephony：提供与拨打电话相关的API交互。
　　*android.view：提供基础的用户界面接口框架。
　　*android.util：涉及工具性的方法，例如时间日期的操作。
　　*android.webkit：默认浏览器操作接口。
　　*android.widget：包含各种UI元素（大部分是可见的）在应用程序的布局中。
如果觉得不够清晰，可以自己查阅Android API文档。

C、C++本地库和Android运行时环境

开发者可以在自己的应用中使用C、C++本地库中的接口来方便地实现官方 API 未实现的功能．例如， Facebook提供了一个开源的Java库，开发者可以在自己的应用中嵌入 Facebook的部分社交功能，第３方类库独立于 Android系统架构实现，但与系统架构处于相同的地位，都是使用内核层来提供服务，实现、封装功能模块，供应用层调用。

Android 包含一些C/C++库，这些库能被Android系统中不同的组件使用。它们通过 Android 应用程序框架为开发者提供服务。以下是一些核心库：

系统 C 库 - 一个从BSD (Berkeley Software Distribution，伯克利软件套件)，Unix的衍生系统继承来的标准C系统函数库 Libc )，它是专门为基于Embedded linux的设备定制的。

媒体库 - 基于PacketVideo OpenCORE;该库支持多种常用的音频、视频格式回放和录制，同时支持静态图像文件。编码格式包括MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG 。

Surface Manager - 对显示子系统的管理，并且为多个应用程序提供了2D和3D图层的无缝融合。

LibWebCore - 一个最新的web浏览器引擎用，支持Android浏览器和一个可嵌入的web视图。

Android运行时环境（Android Runtime）提供了核心链接库（Core Libraries）和 Dalvik VM虚拟系统（Dalvik Virtual Machine），采用 Java开发的应用程序编译成 apk程序代码后，交给 Android操作环境来执行。

Android采用 Dalvik VM来代替 Java VM，熟悉 Java SE开发环境的开发人员可以很快地学会开发 Android应用程序。将写好的 Java程序“.java”先编译成“.class”程序，这个过程和开发 Java SE是相同的；接下来再次编译成可以在 Dalvik VM执行的“.dex”程序，最后要包装成 Android可以执行的文件“.apk”

每个Android 应用都运行在自己的进程上， Dalvik 虚拟机为它分配自有的实例。 Dalvik 使一台设备能运行多个虚拟机程序但消耗较少的资源。

Linux内核与驱动层

Android是基于不同版本的 Linux内核开发出来的， Linux内核层包括系统层安全机制、内存管理、进程管理、网络堆栈及一系列的驱动模块，位于硬件与其他的软件层之间，提供与硬件的交互．

Android内核与标准 Linux 内核在文件系统、进程间通信机制、内存管理等方面存在不同：

Android内核中增加了标准 Linux 内核中没有采纳的 YAFFS2文件系统。 YAFFS2(Yet Another Flash File System,2nd edition) 是专用于 Flash 的文件系统，对 NAND-Flash 芯片有着良好的支持。 YAFFS2 是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保护，可以有效地避免意外断电对文件系统一致性和完整性的影响。

Android 增加了一种进程间的通信机制 IPC Binder ，在内核源代码中，驱动程序文件为 coredroid/include/linux/binder.h 和 coredroid/drivers/android/binder.c 。 Binder 通过守护进程 Service Manager 管理系统中的服务，负责进程间的数据交换。各进程通过 Binder 访问同一块共享内存，以达到数据通信的机制。

Android 内核采用了一种不用于标准 Linux 内核的低内存管理策略。在标准 Linux内核当中，使用一种叫做 OOM （ Out of Memory) 的低内存管理策略；当内存不足时，系统检查所有的进程，并对进程进行限制评分，获得最高分的进程将被关闭（内核进程除外）。 Android 系统采用的则是一种叫作LMK （ Low Memory Killer ）的机制，这种机制将进程按照重要性进行分级、分组。内存不足时，将处于最低级别组的进程关闭。例如，在移动设备当中， UI 界面处于最高级别，所以该进程永远不会被中止，这样，在终端用户看来，系统是稳定运行的。在 Andorid 内核源码中， LMK 的位置 coredroid/drivers/misc/lowme -morykiller.c

Android Linux内核核心驱动主要包括：

Android Binder，基于OpenBinder框架的一个驱动，用于提供Android平台的进程间通讯（IPC，inter-process communication）。

Android 中每个应用都是一个独立的系统进程，而资源的管理和分配是以进程为单位进行的，通常情况下一个进程不能直接访问另一个进程的资源．为了实现进程通信， Android系统引入了 Binder机制，该机制是 OpenBinder在 Linux中的具体实现．这种通信基于 Client/Service模型，通信的双方都必须创建一个 IBinder接口，进行通信时， Client首先通过系统的 ServiceManager获取目标 Service的代理对象，并通过这个代理对象调用Service提供的功能接口，调用请求会通过 Binder驱动发送给Service，而Service的处理结果也会通过 Binder驱动发送给 Client．

源代码位于drivers/staging/android/binder.c

Android电源管理（PM），一个基于标准Linux电源管理系统的轻量级的Android电源管理驱动，针对嵌入式设备做了很多优化。

源代码位于kernel/power/earlysuspend.c

                    kernel/power/consoleearlysuspend.c
                    kernel/power/fbearlysuspend.c
                    kernel/power/wakelock.c
                    kernel/power/userwakelock.c

低内存管理器（Low Memory Killer），相对于Linux标准OOM（Out Of Memory）机制更加灵活，它可以根据需要杀死进程来释放需要的内存。

源代码位于drivers/staging/android/lowmemorykiller.c

匿名共享内存（ashmem），为进程间提供大块共享内存，同时为内核提供回收和管理这个内存的机制。

源代码位于mm/ashmem.c

Android PMEM（Physical），PMEM用于向用户空间提供连续的物理内存区域，DSP和某些设备只能工作在连续的物理内存上。

源代码位于drivers/misc/pmem.c

Android Logger，一个轻量级的日志设备，用于抓取Android系统的各种日志。

源代码位于drivers/staging/android/logger.c

Android Alarm，提供了一个定时器用于把设备从睡眠状态唤醒，同时它也提供了一个即使在设备睡眠时也会运行的时钟基准，

源代码位于drivers/rtc/alarm.c

USB Gadget驱动，一个基于标准Linux USB gadget驱动框架的设备驱动，Android的USB驱动是基于gaeget框架的，

源代码位于drivers/usb/gadget/

Android Ram Console，为了提供调试功能，Android允许将调试日志信息写入一个被称为RAM Console的设备里，它是一个基于RAM的Buffer。

源代码位于drivers/staging/android/ram_console.c。

Android timed device，提供了对设备进行定时控制功能，目前支持vibrator和LED设备。

源代码位于drivers/staging/android/timed_output.c(timed_gpio.c)。

Yaffs2文件系统，Android采用Yaffs2作为MTD nand flash文件系统，源代码位于fs/yaffs2/目录下。Yaffs2是一个快速稳定的应用于NAND和NOR Flash的跨平台的嵌入式设备文件系统，同其他Flash文件系统相比，Yaffs2使用更小的内存来保存他的运行状态，因此它占用内存小；Yaffs2的垃圾回收非常简单而且快速，因此能达到更好的性能；Yaffs2在大容量的NAND Flash上性能表现尤为明显，非常适合大容量的Flash存储。

参考链接：

1. https://blog.youkuaiyun.com/songkai320/article/details/51802282

2. https://www.cnblogs.com/wangcMove/p/7602903.html Android Framework 初探