Android 淺探(二)：系統架構

Android 淺探(二)：系統架構

Oct 11th, 2008 by Mr. Holiday

本篇目的在儘量不觸及技術細節的情況下簡介 Android 架構，並探討其設計的特殊處，以及在版權上的意義。主要資料來源為 Anatomy & Physiology of an Android，有興趣深入研究的讀者可參考。
首先來一張現在大概已經很有名的圖片：
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由下到上，可以看到紅色的 kernel 層，綠色的系統函式庫，黃色的虛擬機器，以及藍色的 Java 程式碼。以下將一一介紹。

Linux kernel

必也正名乎：一般所稱 Linux，其實是統稱，指根基在 Linux kernel 以及其他許多跟 kernel 不見得有關的軟體所組成的作業系統。最早，Linux 一詞其實是專指 kernel，它提供了系統底層與硬體間的基本平台，讓其他程式可以在上頭執行。其最早作者是 Linus Torvalds，他用自己的名字，加上採用了與 Unix 系統相容的介面，將自己的作品命名為 Linux。

如前所述，在 Linux kernel 上頭執行的程式，跟 kernel 本身不見得有關係。可以是自由軟體，也可以完全不是。把它加上一些自由軟體，例如基本的函式庫、工具、圖形介面，應用程式等等，所組成的一套完整作業系統，才是一般所稱的 Linux。為了避免誤解，而且也為了正確傳達自身的貢獻，自由軟體基金會建議大家稱呼這樣的一套作業系統為 GNU/Linux。其中的原因是，kernel 提供底層機制，但系統中重要的元件幾乎都是來自於 GNU，也就是自由軟體基金會。

希望大家還沒被這些名詞搞混。要弄清這些不同的原因是，Android 是在 Linux kernel 上頭運作的，但他並不是 GNU/Linux。因為在一般 GNU/Linux 裡面會有的東西，Android 很多都沒有。

Linux kernel 的版權是 GNU General Public License version 2 (GPLv2)，這又是什麼玩意呢？GPLv2 是所謂的 Copyleft 版權，簡單來說，就是為了確保智慧財產能夠繼續公開流傳，所以任何基於此創作的延伸創作，都自動採用了相同版權。GPL本身還有個特色，就是「共同運作」也算是延伸的一部分，意思是說你的程式沒直接改GPL的程式碼，但是連結了GPL的東西跟你的程式共同運作，那你的程式也必須採用GPL版權。

舉例來講，假定今天某公司覺得某GPL軟體不錯，拿來改了改，放在自己的產品裡頭拿出去賣，那某公司就一定要明確的一起散佈修改後的程式碼。如果沒有，那就是觸犯版權了。有個組織叫 GPL Violations，專門抓這種案例，國內公司如 D-Link 以及 ASUS 都上過榜。這下問題來了：如果你是硬體廠商，希望你的硬體能在 Linux kernel 下運作，那麼就必須要有驅動程式。驅動程式就是按照硬體的規格寫的程式，用來告訴 kernel 怎麼操作這個硬體。如果驅動程式的程式碼公開，等於硬體規格也公開的差不多了。許多廠商不願意這麼做，所以就提供編好的驅動程式，但不提供原始碼。版權所有者，也就是 Linus Torvalds 以及其他許許多多的 kernel 作者們，為了支援盡可能多的硬體，對這種行為是採取睜一隻眼閉一隻眼的態度，也就是目前這種編譯好的驅動程式，算是處在灰色地帶。

既然 Android 採用了 Linux kernel，當然得照遊戲規矩來。但我們從前文可知，Android 的重點就是商業應用，他們可不願意系統裡有什麼「灰色地帶」，於是採用了一些手法來繞過這問題。他們把驅動程式移到 “userspace”，也就是說，把驅動程式變成在 Linux kernel 上頭跑，而不是一起跑的東西，這樣就可以避過GPL。然後，在 kernel 這邊開個小門，讓本來不能直接控制到硬體的 “userspace” 程式也可以碰得到，這樣只要把「開個小門」的程式碼公佈就行啦。事實上，目前因為 Android 已經發行，所以依法他們已經公開了對 kernel 的修改，其原始碼在 http://git.android.com/。

走筆至此，可以看出 Google 的原則之一 “Do no evil” 是很有意思的。他們自己的確承諾，而且也願意公開 Android 的程式碼，但是他們給了其他人 “Do evil” 的選擇。這樣還算不算是 Do no evil 呢？當作哲學問題吧。

關於 Android 對 kernel 的修改，Google 的簡報還提供了兩個重點：

Binder (IPC)：提供有效率的程式間溝通管道(Inter-Process Communication)。Android 系統中有很多服務，而上層的應用程式經常要取用這些服務，一般的 Linux 系統已經提供了不少 IPC 的方式，不過 Android 還是搞了套自己的。雖說文件中解釋原因為「一般 IPC 會造成額外資源花費，以及安全問題」，但其實這些都是可以基於原有架構在 kernel 外頭解決的，為何要改在 kernel 裡頭，筆者對此存疑，也只能等找時間去研究程式碼才知了。
Power Management：與桌上型電腦或筆記型電腦不同，手持裝置的電源一向相當有限，必須無所不用其極的去想辦法省電，但又不損及順暢的使用經驗。Android 在此採取了頗為積極的作法：「沒有人說要用，就關掉」。例如某程式在放 MP3 音樂，於是此程式會需要 CPU 的計算能力，那就得開口要。如果與此同時沒其他程式在執行，那麼 LCD 顯示器就可能被關掉，藉以省電。另一特別處，是在於 Linux kernel 一般考慮的都是在電腦上的作法，所以多半只有進入暫停、休眠等等的選擇，而不會如此細緻的去控制到各個小裝置的電源供應。

系統函式庫

這裡說的系統函式庫是指 “native libraries”，是跑在系統裡頭的函式庫，採用的語言不是 Java，提供一些基礎建設。裡頭有幾個值得一提的元件：

Bionic：這是 Android 版的 libc。libc 是 GNU/Linux 以及其他類似 Unix 系統上最基礎的函式庫，一般最常用的是 glibc，就是 GNU 做的 libc。不然在比較小型的裝置上也可以用 uclibc。不論是 glibc or uclibc，版權都是LGPL (GPL 的略為弱化版)。看到這大概可以猜到了吧，又是 Copyleft 問題。官方的說法是，除了版權問題以外，還考慮必須輕量以及快速，所以才做了自己的 libc。不過輕量、快速，本來就是小型裝置用的 uclibc 一開始的目標，因此，最主要的恐怕還是版權問題。
Webkit：鼎鼎大名的 Apple Safari 瀏覽器背後的引擎就是 Webkit，Android 也包含進去了。離線使用的 html 配上 html 5 的一些新發展，產生了各種有趣的可能，這部分值得另文介紹，這裡就不再贅述。
Surface Flinger：提供把各種”surface”組合在一起的能力。在這裡 surface 解釋為程式想要顯示在螢幕的東西，可能同一螢幕上有來自不同程式的內容，而這些內容有可能是 2D 顯示或是 3D 顯示等等之類。Surface flinger 就是把這些東西結合起來，一起送到螢幕上。目前程式碼還沒公布，不過 2D 跟 3D 的混合顯示一直都是問題，根本原因是我們通常告訴 3D 顯示卡的東西都是一些「我要在哪裡哪裡畫上什麼形狀，貼上某某材質然後旋轉多少度」之類的事情，也就是說，我們並不知道最後顯示出來會長什麼樣子，那是顯示卡上頭的 GPU 去算出來的。一般這些東西是顯示在一個有裝飾的視窗裡頭，這裝飾通常是 2D 效果。接下來假定我們想要旋轉這整個視窗，而且裡頭的東西還要繼續動，那等於要隨時把握 3D 視窗裡的東西長什麼樣子，然後把它跟 2D 的視窗框框結合，然後再開始轉動。目前在一般 GNU/Linux 上這件事情還沒有處理的非常好，Android 怎麼做，值得在程式碼公布之後注意。
硬體抽象層 (Hardware Abstraction Libraries)：這就是前文所述的 userspace 驅動程式，如果想要將 Android 在某硬體平台上執行，基本上完成這些驅動程式就行了。其內定義了 Android 對各硬體裝置例如顯示晶片、聲音、數位相機、GPS、GSM 等等的需求。

Android Runtime 前文已有涉及，這裡不再重複。另外藍色部分的 “Application Framework” 主要是跟如何在 Android 上寫程式有關係，之後將另文介紹。

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