Android系统框架和启动流程

Android系统框架

Android系统框架采用分层结构，由下至上依次为：

硬件层：

• Android系统的物理基础，包括CPU、GPU、RAM等硬件组件

Linux内核层（Linux Kernel）：

• Linux内核负责管理硬件、内存和系统进程，提供设备驱动程序，确保设备的安全性和稳定性

硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）：

• HAL允许Android在不同硬件上运行，为硬件厂商提供标准接口，实现硬件与上层软件的解耦

• HAL层运行在用户空间中

• 硬件抽象层 (HAL) 提供标准界面， 向更高级别的 Java API 框架显示设备硬件功能。 HAL 包含多个库模块， 其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一个界面， 例如相机或蓝牙模块。 当框架API 要求访问设备硬件时， Android 系统将为该硬件组件加载库模块。

Android运行时（Android Runtime，ART）：

• 运行时库分为核心库和 ART（Android 5.0 之后， Dalvik 虚拟机被 ART 取代）。
• 核心库与 API：
  • Java 核心库：ART 提供了一组核心 Java 库，包括 java.lang、java.util 等，支持应用的基本功能。
  • Android API：ART 集成了 Android 框架 API，如 android.app、android.content 等，提供访问系统功能和硬件资源的接口。
• ART功能：
  • 编译与执行机制
    • Ahead-of-Time (AOT) 编译：ART 默认使用 AOT 编译，在应用安装时将字节码编译为机器码，存储在设备上，从而提高应用的启动和执行速度。
    • Just-In-Time (JIT) 编译：从 Android 7.0（API 级别 24）开始，ART 引入 JIT 编译，能够在运行时动态编译和优化代码，进一步提升性能。
  • 内存管理与垃圾回收
    • 内存管理：ART 提供高效的内存管理系统，负责分配和回收应用的内存。
    • 垃圾回收 (GC)：ART 使用多种垃圾回收算法，如分代回收和并发标记清除，以减少回收过程中的停顿时间，提升用户体验。
  • 安全机制
    • 应用沙盒：每个 Android 应用都在自己的沙盒环境中运行，限制其对其他应用和系统资源的访问。
    • 权限管理：ART 与系统权限管理协同工作，确保应用只能访问已授权的资源和功能。
  •  调试与性能分析
    • 调试支持：ART 提供调试工具，如 adb 和 ddms，帮助开发者调试和分析应用。
    • 性能分析：ART 提供性能分析工具，如 traceview 和 systrace，帮助开发者优化应用性能。

原生守护进程和库（Native Daemons and C/C++Libraries）：

• 原生守护进程：包括init、healthd、logd等，负责系统初始化、健康监测、日志记录等关键任务。

• 原生库：如libc、liblog、libutils等，提供底层功能，如内存管理、字符串操作等。

• 其他主要的库：

  • Media Framework：支持流行的媒体编解码器，使应用能够轻松地使用和播放多媒体组件

  • SQLite：一个轻量级的嵌入式关系数据库，为应用提供快速的本地数据库功能
  • Freetype：一个快速且灵活的字体引擎，使开发者能够为应用组件设置样式，提供丰富的文本显示体验
  • SSL：用于实现 Android 设备与其他设备（如服务器、其他移动设备、路由器等）之间的安全通信
  • SGL：一个用低级代码实现的图形库，能够高效地为 Android 平台渲染图形，与 Android 图形管道的更高级组件协同工作
  • Surface Manager：负责确保应用屏幕的平滑渲染，通过组合 2D 和 3D 图形进行渲染，并通过离屏缓冲提高渲染效率
  • OpenGL ES： Android 系统中用于 2D 和 3D 图形绘制的开放图形库，基于 OpenGL ES 1.0 API 标准实现，支持生成二维、三维图像。在 Android 系统中，OpenGL ES 与 EGL 紧密配合，负责图形的渲染和显示。当应用需要进行 3D 图形渲染时，Android 系统会调用 OpenGL ES 提供的函数来完成相应的绘制工作。
  • WebKit： 一个开源的浏览器引擎，用于驱动 Android 浏览器和内嵌的 WebView。它负责解析和渲染 HTML、CSS 和 JavaScript 等网页内容。在 Android 系统中，WebKit 使得应用程序能够嵌入网页视图，实现与网页的交互。例如，当一个应用需要显示网页内容时，可以通过 WebView 来加载和显示网页，而 WebView 内部则使用 WebKit 来进行渲染
  • OpenMax AL ：原生多媒体处理的重要组成部分。它提供了一组 C 语言接口，使得开发者可以直接从原生代码（C/C++）中调用这些接口进行音视频处理。

应用框架层（Application Framework，Java API）：

• 提供系统API，以Java类、接口和预编译代码的形式为应用程序提供高层次服务
• 管理类：
  • Activity Manager：管理应用程序的生命周期和活动栈。
  • Resource Manager：提供对非代码资源的访问。
  • Notifications Manager：管理应用程序的用户通知。
  • Window Manager：管理应用程序的窗口。
  • Package Manager：管理应用程序的安装和卸载。
  • Telephony Manager：提供对电话功能的访问。
  • Location Manager：提供对设备位置信息的访问。
  • 其他的还有传感器管理、wifi管理、网络连接管理、电源管理、蓝牙管理等
• Content Providers：允许应用程序之间共享数据。
• View System：提供创建用户界面的视图集合。

应用层（Application Layer， APP）：

• 位于最顶层，包括系统应用和用户安装的应用，这些应用利用应用框架提供的API与底层系统交互。

Android系统启动流程

Loader 层

• Boot ROM：设备加电后，首先运行 Boot ROM 中的代码，它负责初始化硬件并加载第一阶段的 Bootloader。Boot ROM 是固化在设备中的只读存储器，其主要功能是启动设备的硬件并加载后续的启动程序。
• Bootloader：通常分为多个阶段（如 Primary 和 Secondary），负责验证签名、加载内核和 initramfs 到内存。常见的 Bootloader 如 U-Boot 或厂商定制版本。它会初始化设备的硬件环境，设置启动参数，并最终将控制权交给内核。

Kernel 层

• swapper 进程（idle 进程）：内核启动后，首先创建 swapper 进程（pid=0），它是系统初始化过程中内核创建的第一个进程，用于初始化进程管理、内存管理等相关工作。接着 swapper 进程会创建两个进程：kthreadd 进程（pid=2）和 init 进程（pid=1）。
• kthreadd 进程：kthreadd 进程是 Linux 系统的内核进程，会创建内核工作线程 kworker、软中断线程 ksoftirqd、thermal 等一系列内核守护进程。kthreadd 进程是所有内核进程的鼻祖。
• 内核进程管理：内核负责进程的创建、调度和管理。进程调度器根据调度算法选择合适的进程在 CPU 上运行，以实现多任务的并发执行。内核还提供了进程间通信（IPC）机制，如信号量、消息队列等，以便进程之间进行数据交换和同步。
• 内核 init 进程
  • 内核通过调用 start_kernel 函数进入内核启动阶段，在 rest_init 函数中通过 kernel_thread 函数创建 init 进程（pid=1）。
  • 加载驱动：init 进程调用kernel_init_freeable----do_basic_setup----do_initcalls等函数加载Display、Camera Driver、Binder Driver 等驱动
  • 内核 init 进程变成用户态：init 进程一开始运行于内核态，属于一个内核线程。它通过挂载根文件系统，并运行用户空间的 init 程序，完成从内核态到用户态的转变。

Native 层

• init 进程初始化：
  • 第一阶段：初始化基本系统环境，如设置内核参数、挂载必要的文件系统等。还会初始化 Android 属性服务和 SELinux。
  • 第二阶段：执行 init.rc 脚本，启动系统服务，如 ueventd、servicemanager、zygote 等。
• Zygote 进程启动：Zygote 是 Android 应用程序的孵化器，它预加载常用的类库和资源，为应用程序的快速启动做准备。Zygote 通过复制自身来创建新进程，因此具有较快的启动速度。
• 启动 SystemServer：SystemServer 是 Android 系统服务的容器，负责启动各种系统服务。它会加载多个系统服务，如 ActivityManagerService 和 WindowManagerService。
• HAL 层：HAL（Hardware Abstraction Layer）位于 Native 层和 Linux 内核驱动之间，为 Android 框架提供统一的硬件接口，屏蔽硬件差异。HAL 包含多个库模块，每个模块为特定类型的硬件组件实现一个界面，如音频、蓝牙、相机、传感器等。
• bootanim 服务：在 init 进程的第二阶段，会启动 bootanim 服务，该服务负责显示 Android 系统的开机动画，直到系统完全启动并准备好用户界面。

Framework 层

• SystemServer 初始化：SystemServer 进程启动后，初始化各种系统服务，如 ActivityManagerService、PackageManagerService、WindowManagerService 等。
• 系统服务启动：各个系统服务根据自身的职责进行初始化，如 ActivityManagerService 负责管理应用程序的活动，PackageManagerService 负责管理应用程序的安装和卸载等。
• 启动 Launcher：当系统服务准备就绪后，启动 Launcher（主屏幕）应用程序，为用户提供交互界面。

App 层

• 应用程序启动：用户点击应用程序图标后，系统通过 ActivityManagerService 发送请求到 Zygote 进程，Zygote 进程会 fork 自己创建一个新进程，这个新进程就是应用程序的进程。新进程会继承 Zygote 进程预加载的类库和资源，从而加快应用程序的启动速度。
• ActivityThread 创建：每个应用程序都有一个独立的进程，在应用程序启动时，创建 ActivityThread，用于管理应用程序的组件和消息循环。
• 应用程序组件启动：ActivityThread 启动应用程序的组件，如 Activity、Service、BroadcastReceiver 等，完成应用程序的初始化和运行。