原文参考：

http://gityuan.com/android/

一、引言

Android系统非常庞大、错中复杂，其底层是采用Linux作为基底，上层采用包含虚拟机的Java层以及Native层，通过系统调用(Syscall)连通系统的内核空间与用户空间。用户空间主要采用C++和Java代码，通过JNI技术打通用户空间的Java层和Native层(C++/C)，从而融为一体。

Google官方提供了一张经典的四层架构图，从下往上依次分为Linux内核、系统库和Android运行时环境、框架层以及应用层这4层架构，其中每一层都包含大量的子模块或子系统。这只是如垒砖般地分层，并没有表达Android整个系统的内部架构、运行机理，以及各个模块之间是如何衔接与配合工作的。为了更深入地掌握Android整个架构思想以及各个模块在Android系统所处的地位与价值，计划以Android系统启动过程为主线，以进程的视角来诠释Android M系统全貌，全方位的深度剖析各个模块功能，争取各个击破。这样才能犹如庖丁解牛，解决、分析问题则能游刃有余。

二、Android架构

Google提供的4层架构图很经典，但为了更进一步透视Android系统架构，本文更多的是以进程的视角，以分层的架构来诠释Android系统的全貌，阐述Android内部的环环相扣的内在联系。

系统启动架构图

点击查看大图

图解： Android系统启动过程由上图从下往上的一个过程：Loader -> Kernel -> Native -> Framework -> App，接来下简要说说每个过程：

2.1 Loader层

  • Boot ROM: 当手机处于关机状态时，长按Power键开机，引导芯片开始从固化在ROM里的预设出代码开始执行，然后加载引导程序到RAM；
  • Boot Loader：这是启动Android系统之前的引导程序，主要是检查RAM，初始化硬件参数等功能。

2.2 Kernel层

Kernel层是指Android内核层，到这里才刚刚开始进入Android系统。

  • 启动Kernel的0号进程：初始化进程管理、内存管理，加载Display,Camera Driver，Binder Driver等相关工作；
  • 启动kthreadd进程（pid=2）：是Linux系统的内核进程，会创建内核工作线程kworkder，软中断线程ksoftirqd，thermal等内核守护进程。kthreadd进程是所有内核进程的鼻祖。

2.3 Native层

这里的Native层主要包括init孵化来的用户空间的守护进程、HAL层以及开机动画等。启动init进程(pid=1),是Linux系统的用户进程，init进程是所有用户进程的鼻祖。

  • init进程会孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用户守护进程；
  • init进程还启动servicemanager(binder服务管家)、bootanim(开机动画)等重要服务
  • init进程孵化出Zygote进程，Zygote进程是Android系统的第一个Java进程，Zygote是所有Java进程的父进程，Zygote进程本身是由init进程孵化而来的。

2.4 Framework层

  • Zygote进程，是由init进程通过解析init.rc文件后fork生成的，Zygote进程主要包含：
    • 加载ZygoteInit类，注册Zygote Socket服务端套接字；
    • 加载虚拟机；
    • preloadClasses；
    • preloadResouces。
  • System Server进程，是由Zygote进程fork而来，System Server是Zygote孵化的第一个进程，System Server负责启动和管理整个Java framework，包含ActivityManager，PowerManager等服务。
  • Media Server进程，是由init进程fork而来，负责启动和管理整个C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service，等服务。

2.5 App层

  • Zygote进程孵化出的第一个App进程是Launcher，这是用户看到的桌面App；
  • Zygote进程还会创建Browser，Phone，Email等App进程，每个App至少运行在一个进程上。
  • 所有的App进程都是由Zygote进程fork生成的。

2.6 Syscall && JNI

  • Native与Kernel之间有一层系统调用(SysCall)层，见Linux系统调用(Syscall)原理;
  • Java层与Native(C/C++)层之间的纽带JNI，见Android JNI原理分析。

三、通信方式

无论是Android系统，还是各种Linux衍生系统，各个组件、模块往往运行在各种不同的进程和线程内，这里就必然涉及进程/线程之间的通信。对于IPC(Inter-Process Communication, 进程间通信)，Linux现有管道、消息队列、共享内存、套接字、信号量、信号这些IPC机制，Android额外还有Binder IPC机制，Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket机制，在上层system server、media server以及上层App之间更多的是采用Binder IPC方式来完成跨进程间的通信。对于Android上层架构中，还多时候是在同一个进程的线程之间需要相互通信，例如同一个进程的主线程与工作线程之间的通信，往往采用的Handler消息机制。

想深入理解Android内核层架构，必须先深入理解Linux现有的IPC机制；对于Android上层架构，则最常用的通信方式是Binder、Socket、Handler，当然也有少量其他的IPC方式，比如杀进程Process.killProcess()采用的是signal方式。下面说说Binder、Socket、Handler：

3.1 Binder

Binder作为Android系统提供的一种IPC机制，无论从系统开发还是应用开发，都是Android系统中最重要的组成，也是最难理解的一块知识点，想了解为什么Android要采用Binder作为IPC机制？ 可查看我在知乎上的回答。深入了解Binder机制，最好的方法便是阅读源码，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾说过的一句话：Read The Fucking Source Code。下面简要说说Binder IPC原理。

Binder IPC原理

Binder通信采用c/s架构，从组件视角来说，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驱动，其中ServiceManager用于管理系统中的各种服务。

  • 想进一步了解Binder，可查看Binder系列—开篇，Binder系列花费了13篇文章的篇幅，从源码角度出发来，讲述Driver、Native、Framework、App四个层面的整个完整流程。根据有些读者反馈这个系列还是不好理解，这个binder涉及的层次跨度比较大,知识量比较广, 建议大家先知道binder是用于进程间通信,有个大致概念就可以.先去学习系统基本知识,等后面有一定功力再进一步深入研究Binder.

Native层面:

  • Binder系列3—启动Service Manager
  • Binder系列4—获取Service Manager
  • Binder系列5—注册服务(addService)
  • Binder系列6—获取服务(getService)

Driver层面:

  • Binder系列1—Binder Driver初探
  • Binder系列2—Binder Driver再探

Framework层面:

  • Binder系列7—framework层分析
  • Binder系列8—如何使用Binder

App层面

  • Binder系列9—如何使用AIDL
  • Binder系列10—总结

3.2 Socket

Socket通信方式也是C/S架构，比Binder简单很多。在Android系统中采用Socket通信方式的主要：

  • zygote：用于孵化进程，系统进程system_server孵化进程时便通过socket向zygote进程发起请求；
  • installd：用于安装App的守护进程，上层PackageManagerService很多实现最终都是交给它来完成；
  • lmkd：lowmemorykiller的守护进程，Java层的LowMemoryKiller最终都是由lmkd来完成；
  • adbd：这个也不用说，用于服务adb；
  • logcatd:这个不用说，用于服务logcat；
  • vold：即volume Daemon，是存储类的守护进程，用于负责如USB、Sdcard等存储设备的事件处理。

等等还有很多，这里不一一列举，Socket方式更多的用于Android framework层与native层之间的通信。Socket通信方式相对于binder非常简单，所以一直没有写相关文章，为了成一个体系，下次再补上。

3.3 Handler

Binder/Socket用于进程间通信，而Handler消息机制用于同进程的线程间通信，Handler消息机制是由一组MessageQueue、Message、Looper、Handler共同组成的，为了方便且称之为Handler消息机制。

有人可能会疑惑，为何Binder/Socket用于进程间通信，能否用于线程间通信呢？答案是肯定，对于两个具有独立地址空间的进程通信都可以，当然也能用于共享内存空间的两个线程间通信，这就好比杀鸡用牛刀。接着可能还有人会疑惑，那handler消息机制能否用于进程间通信？答案是不能，Handler只能用于共享内存地址空间的两个线程间通信，即同进程的两个线程间通信。很多时候，Handler是工作线程向UI主线程发送消息，即App应用中只有主线程能更新UI，其他工作线程往往是完成相应工作后，通过Handler告知主线程需要做出相应地UI更新操作，Handler分发相应的消息给UI主线程去完成，如下图：

由于工作线程与主线程共享地址空间，即Handler实例对象mHandler位于线程间共享的内存堆上，工作线程与主线程都能直接使用该对象，只需要注意多线程的同步问题。工作线程通过mHandler向其成员变量MessageQueue中添加新Message，主线程一直处于loop()方法内，当收到新的Message时按照一定规则分发给相应的handleMessage()方法来处理。所以说，而Handler消息机制用于同进程的线程间通信的核心是线程间共享内存空间，而不同进程拥有不同的地址空间，也就不能用handler来实现进程间通信。

上图只是Handler消息机制的一种处理流程，是不是只能工作线程向UI主线程发消息呢，其实不然，可以是UI线程想工作线程发送消息，也可以是多个工作线程之间通过handler发送消息。更多关于Handler消息机制文章：

  • Android消息机制-Handler(framework篇)
  • Android消息机制-Handler(native篇)
  • Android消息机制3-Handler(实战)

要理解framework层源码，掌握这3种基本的进程/线程间通信方式是非常有必要，当然Linux还有不少其他的IPC机制，比如共享内存、信号、信号量，在源码中也有体现，如果想全面彻底地掌握Android系统，还是需要对每一种IPCd机制都有所了解。

四、计划提纲

2016年新的一年刚开始，首先祝大家、也祝自己在新的一年诸事顺心，事业蒸蒸日上。在过去的一年，对于Android从底层一路到上层有不少自己的理解和沉淀，但总体较零散，未成体系。借着今天（元旦假日的最后一天），给自己的新的一年提前做一个计划，把知识进行归档整理与再学习，从而加深对Android架构的理解。通过前面对系统启动的介绍，相信大家对Android系统有了一个整体观，接下来需要抓核心、理思路，争取各个击破。

说明：不少文章还没来得及进一步加工，大篇章的源码，有读者跟我反馈，看着看着就睡着。那说明看我的文章能解决失眠问题,也不失为功德一件.计划前期会先理一遍，后期有时间还会回过来把所有文章再修整修整，增加可视化图表与结论分析。

博客定位：基于Android 6.0的源码，专注于分享Android系统原理、架构分析的原创文章。建议阅读群体：适合于正从事或者有兴趣研究Android系统的工程师或者爱好者，也适合Android app高级工程师； 对于尚未入门或者刚入门的app程序员阅读可能会困难些，可能不是很适合。

4.0 学习开篇

看到Android整个系统架构是如此庞大的, 该问如何学习Android系统, 以下是我自己琢磨的Android的学习和研究论,仅供参考:

  • 如何自学Android

4.1 系统启动篇

Android系统启动过程中，有几个非常重要的进程：init、Zygote、system_server进程:

  • Android系统启动—init篇
  • Android系统启动—Zygote篇
  • Android系统启动—SystemServer篇
    • SystemServer上篇
    • SystemServer下篇

4.2 系统服务篇

再则就是在整个架构中有大量的服务，都是基于Binder来交互的，计划针对部分核心服务来重点分析：

  • Android服务篇-ActivityManagerService
    • AMS启动过程（一）
    • Android进程调度之adj算法
  • Android服务篇-PackageManagerService
  • Android服务篇-WindowManagerService
  • Android服务篇-BatteryService
    • Android耗电统计算法
  • Android服务篇-PowerManagerService
  • 更多服务介绍, 敬请期待…

4.3 四大组件篇

对于App来说，Android应用的四大组件Activity，Service，Broadcast Receiver， Content Provider最为核心，那么我们需要分别展开对其他的分解：

  • Android组件-Activity
    • startActivity启动过程分析
    • 简述Activity生命周期
  • Android组件-Service
    • startService启动过程分析
    • 以Binder视角来看Service启动
  • Android组件-Broadcast Receiver
    • Android Broadcast广播机制分析
  • Android组件-Content Provider
    • 理解ContentProvider原理(一)

4.4 进程篇

有了这些，中间还缺少关于虚拟机ART的介绍，会需要对ART分析，后续还需要开展对ART虚拟机的一系列文章。回顾整个架构，谈谈系统性能，需要先掌握进程、内存、IO这些层面知识，这里牵涉面较广，从底层Linux层直至上层App

  • 理解Android进程创建流程
  • 理解Android进程启动之全过程
  • 理解杀进程的实现原理
  • Android进程绝杀技–forceStop
  • Android进程整理
  • Android进程生命周期与ADJ
  • 进程优先级
  • Android进程调度之adj算法

4.5 内存&&存储篇

  • 内存篇
    • Android LowMemoryKiller原理分析
    • Linux内存管理
  • 存储篇
    • Android存储系统之源码篇
    • Android存储系统之架构篇
  • Linux驱动篇
    • 敬请期待

4.6 工具篇

最后，说说Android相关的一些常用命令和工具以及调试手段.

  • 理解Android编译命令
  • 性能工具Systrace
  • Android内存分析命令
  • ps进程命令
  • Am命令用法
  • Pm命令用法
  • dumpsys命令用法
  • 调试系列1：bugreport源码篇
  • 调试系列2：bugreport实战篇
  • 调试系列3：dropBox源码篇
  • 调试系列4：debuggerd源码篇

4.7 系统分析篇

Android往往会有一些crash, anr等异常抛出, 只有先明白整个处理流程,才能再进一步分析具体问题. 这里先展开原理篇.

  • 理解Android Crash处理流程
  • 理解Native Crash处理流程
  • Android ANR原理分析
  • WatchDog工作原理

后续,还有系统分析的实战篇, 敬请期待.


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