作者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 歡迎轉載，也請保留這段宣告。謝謝！
學習安卓的架構，是從作業系統的角度理解安卓。安卓使用Linux核心，但安卓的架構又與常見的Linux系統有很大的區別。我們先來回顧一下傳統的Linux架構，再來看安卓的變化。
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。比如一臺印表機的驅動，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式呼叫，比如printx(data)。這個函式呼叫隱藏了許多細節，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的許多重要執行機制，比如虛擬記憶體、排程器、訊號以及程式間通訊(IPC)。核心的功能介面是系統呼叫(system call)函式。
使用者使用C或者C++編寫的程式，將編譯成機器碼，執行成為一個程式(process)。每個程式都會有一個自己的程式空間。程式空間存活於核心空間之外的使用者空間(user space)。程式空間中包含程式的程式碼和資料。不同程式的程式空間相互獨立。程式間如果想要相互交流，需要借用特殊的程式間通訊(IPC)機制。程式空間中有棧(stack)和堆(heap)。當執行到新的函式呼叫時，棧頂會增加一幀(stack frame)，用於記錄該函式的資料和返回地址。當函式執行完成時，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從程式到程式。
一個程式空間
Linux的程式大多是C和C++編寫。程式碼被編譯為機器碼，以便計算機理解。常用的程式碼被編譯成庫(library)。程式設計師可以從自己的程式中呼叫庫函式，來重複利用已有程式碼。程式中呼叫庫函式時，庫中包含的機器程式碼會載入入程式對應的程式空間。
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，每個應用也會執行為一個程式。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程式碼了。
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，比如呼叫計算機時，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)。當我們使用印表機列印時，我們將列印需求和資料傳送給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、資料位置B這樣的資訊洩露。
左為Linux，右為安卓HAL
安卓的HAL模組是從Linux核心匯出的，所以原始碼公開。HAL是Apache協議，並不要求它的配套程式，如硬體驅動的原始碼公開。由於這些庫函式沒有直接呼叫核心，所以不需要釋放原始碼。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。當一個應用執行時，程式空間內將包含一個Dalvik虛擬機器。Java程式編譯為位元組碼檔案，執行在Dalvik虛擬機器中。根據Java程式碼中的要求，Dalvik通過JNI(Java Native Interface)呼叫底層的C/C++編寫的功能。JNI是從Java中呼叫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臺執行。
Dalvik VM
Dalvik虛擬機器內部是一個“虛擬”程式空間，有自己的棧和堆，管理程式碼的執行流程。如果這以“虛擬”程式空間不足，Dalvik內建的垃圾回收(garbage collection)機制會自動清空堆上不再使用的物件。自動的垃圾回收簡化了程式設計師的工作，但速度較慢。手動記憶體管理效率高，但需要更多的程式設計，且容易犯錯。垃圾回收的具體原理可參考Java記憶體管理與垃圾回收。
當然，Oracle不高興，認為Dalvik是對JVM赤裸裸的抄襲。
Core Library和Android Framework
Android程式設計師的主要工作是編寫Dalvik上執行的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呼叫。
核心類庫中還包括Dalvik虛擬機器的呼叫介面：
- dalvik.annotation
- dalvik.bytecode
- dalvik.system
安卓程式設計師還可以呼叫一些針對安卓的類庫，即安卓框架(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，從檢視元素到資料庫。如：
- android.database
- android.bluetooth
- android.gesture
- ...
核心類庫和安卓框架是安卓程式設計師的左膀右臂。再加上Java語言本身的邏輯，這就是安卓程式設計師戰鬥著的世界了。我會在以後的文章中，繼續深入這個戰場。
多謝微博 @文藝復興記 指導我Dalvik的相關內容。下面資料也幫助了我理解：
http://sujaiantony.wordpress.com/2012/06/25/an-android-101-hardware-and-hal/
總結
HAL
Dalvik
Core Library
Android Framework
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