柚子快報邀請碼778899分享：Android系統(tǒng)架構(gòu)簡介

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目錄

一、總體架構(gòu)

二、各層詳細介紹

2.1. Linux內(nèi)核層

2.1.1. 核心組件

2.1.2. 功能

2.1.3. 特點

2.2. 硬件抽象層（HAL）

2.2.1. 作用

2.2.2. 特點

2.2.3. 包含內(nèi)容

2.3. 系統(tǒng)運行庫層

2.3.1. Android運行時（Android Runtime, ART）

2.3.2. C/C++庫

2.4. 應用框架層

2.4.1. 主要組件

2.4.2. 功能概述

2.5. 應用層

2.5.1. 內(nèi)容

2.5.2. 特點

三、架構(gòu)特點

3.1. 模塊化設(shè)計

3.2. 安全性

3.3. 高效性

3.4. 靈活性

四、總結(jié)

Android系統(tǒng)架構(gòu)是一個復雜而多層次的結(jié)構(gòu)，它基于Linux內(nèi)核，并在此基礎(chǔ)上擴展了豐富的功能和應用程序。以下是對Android系統(tǒng)架構(gòu)的簡介。

一、總體架構(gòu)

Android系統(tǒng)架構(gòu)主要分為幾個層次，從下到上依次為：Linux內(nèi)核層、硬件抽象層（HAL）、系統(tǒng)運行庫層（包括Android運行時和C/C++庫）、應用框架層以及應用層。這種分層架構(gòu)使得Android系統(tǒng)既具有高度的可定制性，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

二、各層詳細介紹

2.1. Linux內(nèi)核層

Linux內(nèi)核層作為Android系統(tǒng)架構(gòu)的底層，扮演著至關(guān)重要的角色。

2.1.1. 核心組件

安全性：Linux內(nèi)核內(nèi)置了多種安全機制，如權(quán)限管理、訪問控制列表（ACLs）、強制訪問控制（如SELinux）、以及內(nèi)核級的加密支持等，這些機制共同為Android系統(tǒng)提供了強大的安全保障。 內(nèi)存管理：Linux內(nèi)核通過虛擬內(nèi)存系統(tǒng)、頁面緩存、交換空間等技術(shù)高效地管理物理內(nèi)存和磁盤空間，確保應用程序和系統(tǒng)服務(wù)能夠穩(wěn)定、高效地運行。 進程管理：內(nèi)核負責進程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步、通信以及終止。它使用復雜的調(diào)度算法來確保所有進程都能公平地獲得CPU時間，同時提供進程間通信（IPC）機制。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：Linux內(nèi)核支持完整的TCP/IP協(xié)議棧，包括IPv4和IPv6、ARP、ICMP、TCP、UDP等，使得Android設(shè)備能夠輕松接入互聯(lián)網(wǎng)，進行網(wǎng)絡(luò)通信。 驅(qū)動模型：Linux內(nèi)核采用模塊化的驅(qū)動模型，允許設(shè)備驅(qū)動程序在運行時動態(tài)加載和卸載。這為Android設(shè)備提供了廣泛的硬件支持能力，包括觸摸屏、攝像頭、GPS、藍牙等。

2.1.2. 功能

Linux內(nèi)核層為Android系統(tǒng)提供了以下核心系統(tǒng)服務(wù)：

硬件驅(qū)動：通過內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動程序，Android系統(tǒng)能夠與底層硬件進行交互，控制硬件設(shè)備的功能。文件系統(tǒng)：支持多種文件系統(tǒng)（如ext4、f2fs等），用于存儲和檢索文件及數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，支持互聯(lián)網(wǎng)接入和各種網(wǎng)絡(luò)應用。進程間通信：提供多種機制（如管道、消息隊列、共享內(nèi)存、套接字等），以實現(xiàn)進程間的數(shù)據(jù)交換和同步。

2.1.3. 特點

開源性：Linux內(nèi)核的開源特性使得Android系統(tǒng)能夠基于它進行廣泛的定制和優(yōu)化，促進了技術(shù)創(chuàng)新和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。穩(wěn)定性：經(jīng)過多年的發(fā)展和優(yōu)化，Linux內(nèi)核已成為業(yè)界公認的穩(wěn)定、可靠的操作系統(tǒng)內(nèi)核之一。靈活性：模塊化設(shè)計使得Linux內(nèi)核能夠根據(jù)實際需求進行裁剪和擴展，滿足不同設(shè)備和應用場景的需求。硬件兼容性：廣泛的硬件支持能力是Linux內(nèi)核的又一重要特點，這使得Android系統(tǒng)能夠運行在從智能手機到平板電腦、智能電視等多種設(shè)備上。

Linux內(nèi)核層是Android系統(tǒng)架構(gòu)的基石，為Android系統(tǒng)提供了強大的核心系統(tǒng)服務(wù)和靈活的硬件支持能力。

2.2. 硬件抽象層（HAL）

硬件抽象層（HAL，Hardware Abstraction Layer）是對硬件設(shè)備的具體實現(xiàn)進行抽象，為上層軟件提供統(tǒng)一的接口。

2.2.1. 作用

抽象硬件細節(jié)：HAL通過提供統(tǒng)一的接口，隱藏了底層硬件的具體實現(xiàn)細節(jié)，使上層應用能夠更專注于業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)，而無需關(guān)心硬件的具體型號、規(guī)格等。提高可移植性和可擴展性：由于HAL的存在，上層軟件可以在不同的硬件平臺上運行而無需進行大量修改，從而提高了軟件的可移植性。同時，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，HAL也可以方便地擴展以支持新的硬件特性。

2.2.2. 特點

統(tǒng)一的接口：HAL為上層軟件提供了一個標準的、與硬件無關(guān)的接口，使得軟件開發(fā)者可以更加專注于應用程序的開發(fā)，而無需擔心硬件的兼容性問題。降低開發(fā)復雜度：通過使用HAL，開發(fā)者可以編寫與硬件無關(guān)的代碼，從而簡化了軟件開發(fā)過程，降低了開發(fā)復雜度。提高系統(tǒng)安全性：HAL為操作系統(tǒng)提供了一個額外的隔離層，防止了直接的硬件操作可能引入的風險，提高了系統(tǒng)的安全性。

2.2.3. 包含內(nèi)容

多個庫模塊：HAL通常包含多個庫模塊，每個模塊都為特定類型的硬件組件實現(xiàn)一個界面。例如，有針對相機的HAL庫、針對藍牙的HAL庫等。這些庫模塊共同構(gòu)成了HAL的完整功能集。驅(qū)動程序接口：HAL通過驅(qū)動程序接口與底層硬件進行通信。驅(qū)動程序是硬件和軟件之間的橋梁，它們負責將高級命令轉(zhuǎn)化為硬件能夠理解的低級指令。HAL則為這些驅(qū)動程序提供了一個統(tǒng)一的、高級的接口。

應用場景：

嵌入式系統(tǒng)：在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，HAL是不可或缺的一部分。它使得嵌入式軟件能夠在不同的硬件平臺上運行，提高了軟件的可移植性和可維護性。操作系統(tǒng)開發(fā)：在操作系統(tǒng)開發(fā)中，HAL為操作系統(tǒng)提供了一個與硬件交互的接口。這使得操作系統(tǒng)能夠在不同的硬件平臺上運行，而無需為每種硬件都編寫專門的代碼。Android系統(tǒng)：在Android系統(tǒng)中，HAL作為系統(tǒng)架構(gòu)中的一個關(guān)鍵層，為上層應用提供了統(tǒng)一的硬件訪問接口。同時，它也保護了硬件廠商的商業(yè)機密，因為HAL層位于用戶空間，不屬于Linux內(nèi)核。

2.3. 系統(tǒng)運行庫層

Android系統(tǒng)架構(gòu)中的系統(tǒng)運行庫層包含了多個關(guān)鍵組件，主要為上層應用提供必要的服務(wù)和支持。

2.3.1. Android運行時（Android Runtime, ART）

歷史沿革：早期Android系統(tǒng)使用Dalvik虛擬機來執(zhí)行DEX文件（Dalvik Executable文件）。然而，從Android 5.0（Lollipop）版本開始，Dalvik被ART（Android Runtime）所取代。功能：ART通過預先編譯（Ahead-Of-Time, AOT）應用程序代碼為機器代碼，顯著提高了應用程序的運行效率。相較于Dalvik虛擬機在運行時即時編譯（Just-In-Time, JIT）的方式，ART的預編譯機制減少了應用程序啟動時間和執(zhí)行時的性能開銷。優(yōu)勢：ART還支持更多的編譯時優(yōu)化，如提升應用程序的響應速度、降低功耗等，從而為用戶帶來更好的使用體驗。

2.3.2. C/C++庫

概述：系統(tǒng)運行庫層還包括了一系列用C和C++編寫的庫文件，這些庫為Android應用提供了豐富的底層服務(wù)。 主要庫：

OpenGL ES：用于圖形處理，支持開發(fā)者在Android平臺上創(chuàng)建高性能的2D和3D圖形。OpenSL ES：專注于音頻處理，提供了一套跨平臺的音頻API，使開發(fā)者能夠創(chuàng)建高質(zhì)量的音頻應用。SQLite：輕量級的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，廣泛應用于Android應用中，用于存儲和管理應用程序數(shù)據(jù)。Media Framework：多媒體處理框架，支持視頻、音頻的播放、錄制以及編解碼等功能。其他庫：還包括如SSL（安全套接層）用于網(wǎng)絡(luò)通信安全、WebKit用于網(wǎng)頁瀏覽等。 作用：這些C/C++庫通過應用程序框架層向上層應用提供接口，使得開發(fā)者能夠利用這些強大的功能來構(gòu)建豐富多彩的應用程序。

Android系統(tǒng)架構(gòu)中的系統(tǒng)運行庫層通過ART和一系列C/C++庫為上層應用提供了強大的運行環(huán)境和底層服務(wù)支持，是Android系統(tǒng)不可或缺的一部分。

2.4. 應用框架層

應用框架層（Framework Layer）在Android系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，它位于操作系統(tǒng)和應用程序之間，為開發(fā)者提供了一系列核心功能和服務(wù)，以便構(gòu)建高效、功能豐富的應用程序。

2.4.1. 主要組件

1. Activity Manager（活動管理器）

功能：負責管理應用程序中的Activity生命周期、任務(wù)棧以及應用程序的啟動和切換等。它確保Activity能夠正確地在不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，如啟動、暫停、停止和銷毀，并管理任務(wù)棧的創(chuàng)建、銷毀和切換。重要性：Activity Manager是Android系統(tǒng)中一個核心的服務(wù)組件，與其他系統(tǒng)組件緊密協(xié)作，確保應用程序的正常運行和用戶體驗。

2. Content Providers（內(nèi)容提供器）

功能：允許應用程序之間共享數(shù)據(jù)。通過Content Provider，一個應用程序可以將其數(shù)據(jù)存儲（如SQLite數(shù)據(jù)庫、文件等）以統(tǒng)一的方式暴露給其他應用程序，同時保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。重要性：Content Provider在跨應用數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)備份與恢復、數(shù)據(jù)安全控制等方面發(fā)揮著重要作用。

3. Broadcast Receivers（廣播接收器）

功能：用于接收和處理系統(tǒng)或應用發(fā)送的廣播消息。它可以監(jiān)聽系統(tǒng)廣播事件（如設(shè)備啟動或關(guān)閉、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化等），也可以接收應用內(nèi)部發(fā)送的自定義廣播消息。重要性：Broadcast Receiver是實現(xiàn)應用內(nèi)部通信和系統(tǒng)事件監(jiān)聽的重要機制，增強了應用程序的交互性和響應性。

4. Services（服務(wù)）

功能：用于執(zhí)行長時間運行的任務(wù)或處理與用戶界面無關(guān)的操作。它可以在應用程序的生命周期內(nèi)獨立于用戶界面運行，并且可以在應用程序被銷毀后繼續(xù)運行。重要性：Service是Android開發(fā)中非常重要的組件之一，它可以幫助開發(fā)者實現(xiàn)各種后臺任務(wù)和功能，提升應用程序的用戶體驗。

5. Intent（意圖）

功能：一種用于在應用內(nèi)部或應用之間傳遞消息的機制。它可以用于啟動活動、啟動服務(wù)、發(fā)送廣播等操作，并可以攜帶數(shù)據(jù)（如文本、圖片等）以便在不同組件之間傳遞信息。重要性：Intent是實現(xiàn)Android應用程序中不同組件之間通信和交互的重要手段，增強了應用的功能和靈活性。

2.4.2. 功能概述

應用框架層提供了一系列API，供應用開發(fā)者構(gòu)建應用。這些API涵蓋了應用程序的生命周期管理、數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)事件監(jiān)聽、后臺任務(wù)處理等多個方面。通過應用框架層，開發(fā)者可以更加高效地利用Android系統(tǒng)提供的資源和服務(wù)，構(gòu)建出功能豐富、用戶體驗良好的應用程序。

2.5. 應用層

Android系統(tǒng)架構(gòu)的應用層是用戶與Android設(shè)備交互的直接界面，包含了豐富的系統(tǒng)應用和第三方應用。這一層是建立在應用框架層之上的，通過調(diào)用框架層提供的API來實現(xiàn)各種功能。

2.5.1. 內(nèi)容

系統(tǒng)應用：Android系統(tǒng)自帶了一系列核心應用，如電話、短信、聯(lián)系人、日歷、瀏覽器等。這些應用為用戶提供了基本的通信、信息管理和網(wǎng)絡(luò)瀏覽等功能。系統(tǒng)應用通常預裝在設(shè)備上，并享有較高的權(quán)限和優(yōu)先級。 第三方應用：除了系統(tǒng)應用外，Android還允許用戶從應用商店（如Google Play）下載并安裝第三方應用。這些應用涵蓋了游戲、社交、購物、娛樂、工具等各個領(lǐng)域，極大地豐富了Android生態(tài)系統(tǒng)的功能性和多樣性。

2.5.2. 特點

多語言支持：Android系統(tǒng)支持多種編程語言來開發(fā)應用程序，其中Java是最常用的語言之一。通過Android SDK（軟件開發(fā)工具包），開發(fā)者可以使用Java編寫Android應用。此外，Android NDK（原生開發(fā)套件）還允許開發(fā)者使用C/C++等語言編寫性能要求較高的部分，如游戲引擎或圖像處理算法。這種多語言支持使得開發(fā)者可以根據(jù)項目需求選擇最合適的編程語言。 API豐富：應用框架層為開發(fā)者提供了豐富的API，涵蓋了UI設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體處理等多個方面。這些API的存在大大降低了Android應用開發(fā)的難度和門檻，使得開發(fā)者能夠更加專注于應用的功能實現(xiàn)和用戶體驗優(yōu)化。 開放性：Android系統(tǒng)的開放性是其最大的特點之一。Android源代碼是開放的，任何開發(fā)者都可以查看、修改和分發(fā)Android代碼。這種開放性促進了Android生態(tài)系統(tǒng)的繁榮和發(fā)展，吸引了大量的開發(fā)者和廠商加入到Android陣營中來。 安全性：盡管Android系統(tǒng)具有高度的開放性，但Android團隊也一直致力于提高系統(tǒng)的安全性。Android系統(tǒng)通過沙箱機制、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)加密等多種手段來保護用戶數(shù)據(jù)和隱私安全。同時，Android還提供了豐富的安全API和工具來幫助開發(fā)者構(gòu)建更加安全的應用。

Android系統(tǒng)架構(gòu)的應用層是用戶與設(shè)備交互的直接界面，包含了豐富的系統(tǒng)應用和第三方應用。這些應用基于應用框架層提供的API構(gòu)建而成，并通過多種編程語言和豐富的API支持來實現(xiàn)各種功能。Android系統(tǒng)的開放性、安全性和多語言支持等特點為開發(fā)者提供了廣闊的舞臺和強大的支持。

三、架構(gòu)特點

Android系統(tǒng)的架構(gòu)特點可以歸納為以下幾個方面。

3.1. 模塊化設(shè)計

定義與優(yōu)勢：Android系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，意味著整個系統(tǒng)被劃分為多個獨立的功能模塊，每個模塊都有自己的職責和功能。這種設(shè)計使得系統(tǒng)易于擴展和維護，因為開發(fā)者可以獨立地更新或替換某個模塊，而不會影響其他模塊的正常運行。層次交互：各層之間通過定義良好的接口進行交互，這種清晰的層次結(jié)構(gòu)有助于減少系統(tǒng)各組件之間的耦合度，提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可維護性。

3.2. 安全性

Linux內(nèi)核層：Android系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核，繼承了Linux在安全性方面的諸多優(yōu)點。Linux內(nèi)核層提供了強大的安全機制，如權(quán)限管理、進程隔離等，這些機制共同構(gòu)成了Android系統(tǒng)的安全防線。沙箱機制：Android系統(tǒng)使用“沙箱”機制將多個應用分隔開來，每個應用都有自己的進程空間和資源，互不干擾。這種機制有效地防止了應用之間的惡意攻擊和數(shù)據(jù)竊取。權(quán)限管理：Android系統(tǒng)在安裝應用時會詢問用戶是否賦予該應用所需權(quán)限，用戶可以根據(jù)自己的需求進行授權(quán)。這種權(quán)限管理機制使得用戶能夠更好地控制自己的隱私和數(shù)據(jù)安全。

3.3. 高效性

ART或Dalvik虛擬機：Android系統(tǒng)采用了ART（Android Runtime）或Dalvik虛擬機來執(zhí)行應用程序。ART在Android 5.0（Lollipop）及更高版本中引入，相比Dalvik，ART通過優(yōu)化字節(jié)碼的執(zhí)行方式，如使用即時編譯器（JIT）和預編譯（AOT）等技術(shù)，提高了應用程序的運行效率。資源優(yōu)化：Android系統(tǒng)在編譯時會對資源文件進行優(yōu)化處理，如將XML文件編譯成二進制文件以提高解析效率。同時，Android還采用了多種緩存機制來減少不必要的計算和IO操作，進一步提高系統(tǒng)性能。

3.4. 靈活性

應用框架層：Android系統(tǒng)的應用框架層提供了豐富的API和工具，這些API和工具覆蓋了從用戶界面設(shè)計到數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)通信等各個方面。開發(fā)者可以利用這些API和工具輕松地構(gòu)建出各種功能強大、界面美觀的應用程序。多語言支持：Android系統(tǒng)支持多種編程語言進行應用開發(fā)，如Java、Kotlin、C++等。這種多語言支持使得開發(fā)者可以根據(jù)自己的技術(shù)背景和項目需求選擇合適的編程語言進行開發(fā)。開放性和定制性：Android系統(tǒng)是一個開放式的系統(tǒng)，允許開發(fā)者自由定制和修改系統(tǒng)。這種開放性和定制性使得Android系統(tǒng)能夠適應不同廠商和用戶的需求，推動技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

四、總結(jié)

Android系統(tǒng)架構(gòu)由六層組成，從下至上依次為：

Linux內(nèi)核層：提供系統(tǒng)的底層支持，包括硬件驅(qū)動、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等核心功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 硬件抽象層（HAL）：為上層軟件提供統(tǒng)一的硬件訪問接口，隱藏硬件細節(jié)，使開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒂趹眠壿嫷膶崿F(xiàn)。 Native庫：包含一系列用C/C++編寫的系統(tǒng)庫，如OpenGL ES（圖形處理）、OpenSL ES（音頻處理）、SQLite（數(shù)據(jù)庫）等，為Android應用提供底層服務(wù)。 Android運行時（ART）：自Android 5.0起成為默認的應用執(zhí)行環(huán)境，通過預先編譯應用程序代碼為機器碼，提高運行效率。 應用框架層：提供豐富的API和工具，支持開發(fā)者構(gòu)建應用，包括Activity管理、內(nèi)容提供者、廣播接收器、服務(wù)等核心組件。 應用層：包含系統(tǒng)應用和第三方應用，這些應用基于應用框架層提供的API構(gòu)建，為用戶提供豐富的功能和體驗。

這六層架構(gòu)共同構(gòu)成了Android系統(tǒng)的完整體系，為開發(fā)者提供了靈活的開發(fā)環(huán)境和強大的功能支持。

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