Android 核心剖析

鴨脖發表於2012-10-01
Android
Android作業系統是基於Linux實現的，然而Android的核心價值卻不是Linux，所以說，Android的核心不是指Linux，本書不是一本介紹Linux的書。這就好比蘋果的作業系統iOS是基於Unix實現的，然而iOS的核心價值卻不是Unix。
　　那麼，Android的核心是什麼，它的核心價值都包含什麼？
　　大家聽過和Android核心最多的詞語應該是“Android Framework”以及“Dalvik虛擬機器”，那麼，這兩個核心部分從內部執行機制的角度來看，到底扮演著什麼角色，彼此之間如何協同工作呢？瞭解清楚了這些，也就瞭解了所謂Android的核心價值，即Android核心。
　　從程式的角度來看，Android的執行環境如下圖所示：
  

　　當Linux核心啟動後，此時系統的狀態和普通的Linux系統基本相同，通過配置Linux中的init.rc檔案，可以指定核心啟動後都要執行什麼程式，而這之後所啟動的程式才是Android系統和普通Linux應用系統的區別。
　　init.rc中所啟動的一個重要程式被稱作zygote程式，如上圖中紅色邊框所示，zygote這個英文單詞的意思是“受精卵”，本書將其稱為“種子程式”，從程式的角度來看，種子程式僅僅是一個Linux程式而已，它和一個只包含main()函式的C程式所產生的程式是同一個級別，如上圖中雙實線邊框所示。
　　種子程式裡面所執行的程式基本上就是Android核心的精華所在，其內部主要完成了兩件事情。第一件事情是裝載了一段程式程式碼，這些程式碼都是用C語言寫的，這段程式碼的作用只是為了能夠執行Java編譯器編譯出的位元組碼，這段程式碼就是傳說中的Java虛擬機器，在Android中稱為Dalvik虛擬機器。
　　第二件事情必須基於第一件事情之後，即當Dalvik虛擬機器程式碼初始化完成後，從一個名為ZygoteInit.java類中的main()函式中開始執行。這裡大家就奇怪了，Dalvik虛擬機器如何知道ZygoteInit這個Java類在哪個Jar包裡面？實際上，這個Jar包的目錄位置資訊正是在init.rc中進行配置的，只不過沒有直接指定，而是使用一個標誌符，當這個標誌符是“zygote”時，Dalvik虛擬機器就會從“硬編碼”的字串中得到ZygoteInit類所在的Jar包，而這個Jar包正是framework.jar。
　　接下來的事情即是簡單的，又是複雜的。所謂簡單是指，ZygoteInit類中main()函式所做的事情和Linux本身就沒多大關係了，理論上完全可以在該main()函式中實現任意簡單的功能；所謂複雜是指，該main()函式中才剛剛開始啟動Android的核心功能。
　　在ZygoteInit類中的main()函式中，首先載入一些類檔案，這些類將作為以後所有其它Apk程式共享的類，接著，會建立一個Socket服務端，該服務端將用於通過Socket啟動新程式。
　　該程式之所以被稱為“種子”程式的原因就是，當其內部的Socket服務端收到啟動新的Apk程式的請求時，會使用Linux的一個系統呼叫folk()函式從自身複製出一個新的程式，新程式和Zygote程式將共享已經裝載的類，這些類都是在framework.jar中定義的。
　　以上從程式的角度分析了Android核心的概念，下面從圖形使用者介面的角度再來看看Android核心的含義。大家都知道，Linux核心所提供的功能主要包括：
　　l 程式排程
　　l 記憶體管理
　　l 驅動模型
　　這些功能都是和使用者介面沒有關係的，核心一般僅僅會通過USB介面或者RS232串列埠輸出一些狀態資訊，而對於視窗作業系統而言，這還遠遠不夠，最重要的就是作業系統應該提供一套使用者介面子系統，該子系統包含如何建立、刪除視窗，以及使用者如何和視窗進行互動，同時還應該提供一套介面程式庫，以便第三方開發商能夠基於該介面庫快速的開發一些視窗應用程式。而這就是Android最核心的內容，完成這些功能的程式碼大部分都在那個framework.jar檔案中，Dalvik虛擬機器只不過是執行這些功能程式碼的一個環境而已。
　　因此，如果考慮圖形使用者介面，則一個Android應用程式的內部關係如下圖所示：
  

　　首先，內部模組可分為三個大部分，分別是：
　　第一部分，Linux驅動端。該模組重新把標準Linux驅動抽象為Android所定義的硬體介面，從而保持了Android核心程式碼的獨立性，即當Linux驅動有變動時，只需要修改該適配層，而不需要再修改Android核心的程式碼。該驅動端也被稱作硬體抽象層(Harware Abstarction Layout)。
　　第二部分，Framework服務端，該服務端主要進行輸入訊息的處理，並將訊息傳遞給視窗管理服務執行緒(WmS)，WmS內部會根據當前所有應用視窗的層次關係，決定應該把這個訊息派發給哪個視窗。除了WmS外，還包含一個核心執行緒元件，即Activity管理執行緒(AmS)，Activity是Android中定義的一個程式片段，這個片段可理解為“可以被動態載入的程式”，即，當應用執行緒啟動後，可以根據使用者的操作，有選擇的載入不同的Activity。
　　第三部分，Apk應用程式客戶端。每一個Apk應用程式的客戶端都是從ActivityThread類中的main()函式開始執行，這和一個普通的Java程式完全相同，當ActivityThread啟動後，會向AmS報告說“自己已經啟動了，請告訴我要執行哪一個Activity片段”，AmS會通過程式間通訊(Inter Process Communication)的方式把要載入的Activity資訊告訴給ActivityThread，從而ActivityThread執行指定的Activity，而在Activity內部會呼叫Framework中提供的各種新增視窗的函式進行視窗的新增和刪除。
　　Android核心剖析就是圍繞以上過程進行徹底的剖析。

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