Android 系统架构深度解析

Android 系统采用分层的软件架构设计，各层之间通过明确定义的接口进行通信。下面我将从底层到上层全面解析 Android 的系统架构。

一、整体架构分层

Android 系统主要分为五个层次，从上到下依次为：

应用层 (Applications)
    ↓
应用框架层 (Application Framework)
    ↓
系统运行库层 (Libraries + Android Runtime)
    ↓
硬件抽象层 (HAL)
    ↓
Linux 内核层 (Linux Kernel)

二、各层详细解析

1. Linux 内核层 (Linux Kernel)

核心功能：

• 硬件驱动（显示驱动、相机驱动、蓝牙驱动等）

• 进程管理

• 内存管理

• 安全机制

• 网络协议栈

关键特性：

• 基于 Linux 内核（长期支持版本）

• 添加了 Android 特有驱动（如 Binder IPC）

• 电源管理优化（Wake locks）

• 低内存 killer (LMK) 机制

2. 硬件抽象层 (HAL)

设计目的：

• 标准化硬件接口

• 解耦内核与框架层

• 方便厂商实现硬件驱动

主要模块：

HAL 模块	功能描述
Camera HAL	提供相机硬件抽象接口
Audio HAL	音频输入输出抽象
Sensor HAL	各类传感器统一接口
GPS HAL	定位服务硬件抽象
Display HAL	显示输出控制

实现方式：

• 动态链接库 (.so 文件)

• 通过 hw_get_module() 加载

3. 系统运行库层

(1) 原生 C/C++ 库

库名称	功能描述
Surface Manager	合成窗口管理器
Media Framework	多媒体编解码支持
SQLite	轻量级数据库引擎
OpenGL ES	3D 图形渲染
WebKit	浏览器引擎（现用Chromium）
SSL	安全套接字层

(2) Android Runtime (ART)

核心改进：

• Ahead-of-Time (AOT) 编译

• 改进的垃圾回收机制

• 更好的调试支持

与 Dalvik 对比：

特性	Dalvik	ART
编译方式	JIT (即时编译)	AOT (预编译)
安装时间	快	慢（首次安装）
运行速度	较慢	更快
存储空间	占用少	占用多

4. 应用框架层 (Application Framework)

核心服务：

(1) 系统服务

服务	功能描述
Activity Manager	管理应用生命周期
Window Manager	窗口管理和布局
Package Manager	应用安装和权限管理
Resource Manager	资源访问管理
Notification Manager	通知系统

(2) 通信机制

• Binder IPC：高性能进程间通信

• Handler：线程间消息传递

• Content Providers：跨应用数据共享

(3) 组件系统

组件	功能描述
Activity	用户界面载体
Service	后台服务
Broadcast Receiver	系统事件响应
Content Provider	数据共享机制

5. 应用层 (Applications)

核心应用类型：

• 系统预装应用（设置、通讯录等）

• 第三方应用

• 桌面小部件（App Widgets）

• 输入法应用

三、关键系统进程

1. Zygote 进程

• 所有应用进程的父进程

• 预加载核心类和资源

• 采用 Copy-on-Write (COW) 机制

2. System Server 进程

• 承载大部分系统服务

• 包括：

  • ActivityManagerService

  • PackageManagerService

  • WindowManagerService

3. 应用进程

• 每个应用默认运行在独立进程

• 进程名通常为包名

• 可通过 AndroidManifest.xml 配置

四、启动流程解析

1. 启动时序

Boot ROM → Bootloader → Linux Kernel → Init → Zygote → System Server → Launcher

2. 关键阶段

Zygote 启动：

// ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
    // 1. 注册Zygote socket
    registerZygoteSocket();
    
    // 2. 预加载类和资源
    preload();
    
    // 3. 启动SystemServer
    startSystemServer();
    
    // 4. 进入循环等待fork请求
    runSelectLoop();
}

System Server 启动：

// SystemServer.java
private void run() {
    // 1. 启动引导服务
    startBootstrapServices(); // AMS, PMS等
    
    // 2. 启动核心服务
    startCoreServices(); // Battery, Usage等
    
    // 3. 启动其他服务
    startOtherServices(); // Window, Input等
    
    // 4. 进入主循环
    Looper.loop();
}

五、通信机制架构

1. Binder IPC 架构

Client Process → Binder Driver → Server Process
       ↑               ↑              ↑
   Binder Proxy    Binder驱动     Binder Stub

2. 主要通信方式对比

方式	适用场景	性能	安全性
Binder	跨进程方法调用	高	高
Socket	大数据量传输	中	中
Shared Memory	高性能数据共享	最高	低
Intent	简单跨组件通信	低	高

六、安全架构

1. 安全机制分层

应用沙盒 → 应用签名 → 权限系统 → SELinux → Linux权限

2. 关键安全特性

• 应用沙盒：每个应用有独立UID和文件空间

• 权限系统：

  • 普通权限

  • 危险权限（运行时申请）

  • 特殊权限（如SYSTEM_ALERT_WINDOW）

• SELinux：强制访问控制

• Verified Boot：启动链验证

七、性能优化架构

1. 渲染优化

• HWUI：硬件加速渲染管道

• RenderThread：独立渲染线程

• VSYNC：统一刷新信号

2. 内存管理

• Low Memory Killer：按优先级回收进程

• Jemalloc：高效内存分配器

• ASHMEM：匿名共享内存

3. 电源管理

• JobScheduler：任务批量处理

• Doze模式：深度睡眠状态

• App Standby：不常用应用限制

八、架构演进趋势

1. 模块化：Project Treble 引入 Vendor 接口

2. 性能优化：ART持续改进，引入Cloud编译

3. 安全增强：强化SELinux策略，引入Scudo分配器

4. 新形态支持：Foldables, Automotive等

理解Android系统架构有助于：

• 更高效地开发应用

• 更好地进行性能优化

• 更深入地排查系统问题

• 更准确地把握技术演进方向