安卓第二夜：有趣的架構

安卓第二夜：有趣的架構

Linux系統架構

先來看常見的Linux系統架構，你可以參考Linux的架構

核心是系統的底層。Linux開機後，核心即啟動，並存活於屬於自己的記憶體空間，即核心空間(kernel space)。核心的一大功能是和硬體通訊。核心中包含各種驅動程式，這些驅動程式既能實現底層的硬體讀寫操作，又包含硬體使用邏輯。比如一台印表機的驅 動，會把列印指令放在記憶體中的A位置，把列印資料放在記憶體中的B位置。印表機讀取指令後，會從B位置取得資料列印。在核心上層，驅動程式的功能被抽象為函 數調用，比如printx(data)。這個函數調用隱藏了許多細節，比如如何執行讀寫，以及A和B的具體位置。

除了抽象硬體外，核心還維護著Linux的許多重要運行機制，比如虛擬記憶體、調度器、訊號以及處理序間通訊(IPC)。核心的功能介面是系統調用(system call)函數。

使用者使用C或者C++編寫的程式，將編譯成機器碼，運行成為一個進程(process)。 每個進程都會有一個自己的進程空間。進程空間存活於核心空間之外的使用者空間(user space)。進程空間中包含程式的代碼和資料。不同進程的進程空間相互獨立。進程間如果想要相互交流，需要借用特殊的處理序間通訊(IPC)機制。進程空 間中有棧(stack)和堆(heap)。當執行到新的函數調用時，棧頂會增加一幀(stack frame)，用於記錄該函數的資料和返回地址。當函數執行完成時，該幀會彈出，並根據返回地址接著執行母程式的指令。堆中的空間由程式自由分配。你可以 進一步參考Linux從程式到進程。

Linux的程式大多是C和C++編寫。代碼被編譯為機器碼，以便電腦理解。常用的代碼被編譯成庫(library)。程式員可以從自己的程式中調用庫函數，來重複利用已有代碼。程式中調用庫函數時，庫中包含的機器代碼會載入入程式對應的進程空間。

Android架構

我們現在來看看安卓的架構。Android的底層使用的是Linux核心。在使用者空間中，每個應用也會運行為一個進程。但安卓細節方面和傳統Linux差別很大。

HAL

安卓驅動硬體的方式與Linux不盡相同。傳統Linux的驅動完全存活於核心空間。Android則在核心外部增加了硬體抽象層(HAL, Hardware Abstraction Layer)，把一部分驅動功能放到HAL層中。你或許會奇怪，安卓為什麼費盡麻煩增加一個HAL呢？為了保護原始碼。Linux核心採用了GPL協議， 所以硬體生產商想要支援Linux系統，必須遵照GPL協議公開硬體驅動的原始碼。但這些原始碼中包含有許多硬體的設計資訊，牽涉到硬體生產商的核心利 益。而增加了HAL層之後，硬體廠商就不需要開放所有的驅動代碼了。

我們來看看HAL的具體工作方式。安卓的HAL存活在使用者空間，它與核心驅動通訊。但HAL是個“空殼”，安卓會根據需要，載入不同的動態庫，比如調用電腦時，載入libprinter.so。這個動態庫是由硬體廠商提供的。比 如上面的印表機，硬體廠商可以把讀寫功能做成驅動。而“指令寫入位置A、資料寫入位置B”這樣的高層邏輯，則編譯成庫檔案(.so)。當我們使用印表機打 印時，我們將列印需求和資料發送給HAL。HAL載入對應的動態庫，通過核心驅動的讀寫功能，將指令寫入印表機的記憶體位置A，資料寫入位置B。印表機預裝 的程式從位置A讀到列印指令，就會從位置B讀取資料，實現列印。這樣，HAL實際上把部分驅動功能放入到動態庫中，核心中的驅動只保留最基本的讀寫操作功能。部分驅動功能從核心空間轉移到了使用者空間。由於高層邏輯是編譯好的.so檔案，印表機廠商不用擔心如指令位置A、資料位元置B這樣的資訊泄露。

安卓的HAL模組是從Linux核心導 出的，所以原始碼公開。HAL是Apache協議，並不要求它的配套程式，如硬體驅動的源碼公開。由於這些庫函數沒有直接調用核心，所以不需要釋放源代 碼。通過HAL層，安卓保護了硬體廠商的商業利益，鼓勵了硬體廠商對安卓系統的支援。

當然，Linux開發小組對此很不高興，把安卓的開發分支從Linux核心中刪除。

安卓的HAL模組是從Linux核心導 出的，所以原始碼公開。HAL是Apache協議，並不要求它的配套程式，如硬體驅動的源碼公開。由於這些庫函數沒有直接調用核心，所以不需要釋放源代 碼。通過HAL層，安卓保護了硬體廠商的商業利益，鼓勵了硬體廠商對安卓系統的支援。

當然，Linux開發小組對此很不高興，把安卓的開發分支從Linux核心中刪除。

Dalvik虛擬機器

安卓的應用是由Java編寫的，而包括 HAL在內的Linux的庫都是由C/C++編寫的，這個落差由Dalvik虛擬機器銜接的。當一個應用運行時，進程空間內將包含一個Dalvik虛擬機器。 Java程式編譯為位元組碼檔案，運行在Dalvik虛擬機器中。根據Java代碼中的要求，Dalvik通過JNI(Java Native Interface)調用底層的C/C++編寫的功能。JNI是從Java中調用C/C++模組的介面。由於上層介面的標準化，位元組碼可以暢通無阻的跨平台

Dalvik虛擬機器內部是一個“虛擬”進程空間，有自己的棧和堆，管理代碼的運行流程。如果這以“虛擬”進程空間不足，Dalvik內建的記憶體回收(garbage collection)機制會自動清空堆上不再使用的對象。自動的記憶體回收簡化了程式員的工作，但速度較慢。手動記憶體管理效率高，但需要更多的編程，且容易犯錯。記憶體回收的具體原理可參考Java記憶體管理與記憶體回收。 

當然，Oracle不高興，認為Dalvik是對JVM赤裸裸的抄襲。

Core Library和Android Framework

Android程式員的主要工作是編寫Dalvik上啟動並執行Java程式。Google提供了核心類庫(Java core library)，它包括Java的常用類庫，如:

java.lang

java.util

java.math

java.net

...

這些類庫的API，與Oracle的官方API相同，所以你可以按照同樣的方法調用。

核心類庫中還包括Dalvik虛擬機器的調用介面：

dalvik.annotation

dalvik.bytecode

dalvik.system

安卓程式員還可以調用一些針對安卓的類庫，即安卓架構(Android Framework)。這些類庫對應安卓的特定功能。通過它們，我們可以操縱安卓上的各個功能模組，從觸屏到GPS，從視圖元素到資料庫。如：

android.database

android.bluetooth

android.gesture

...

安卓相關的類庫列表

核心類庫和安卓架構是安卓程式員的左膀右臂。再加上Java語言本身的邏輯，這就是安卓程式員戰鬥著的世界了。我會在以後的文章中，繼續深入這個戰場。

多謝微博 @文藝複興記 指導我Dalvik的相關內容。下面資料也協助了我理解：

http://sujaiantony.wordpress.com/2012/06/25/an-android-101-hardware-and-hal

總結

HAL

Dalvik

Core Library

Android Framework

本文連結：http://www.cnblogs.com/vamei/p/3769067.html