Android Framework系列（系统架构篇）

目录

一、引言

二、Android架构

2.1 Linux内核层

2.2 硬件抽象层 (HAL)

2.3 Android Runtime & 系统库

2.4 Framework层

2.5 App层

2.6 Syscall && JNI

三、通信方式

3.1 Binder

3.2 Socket

3.3 Handler

四、核心提纲

4.1 系统启动系列

4.2 系统稳定性系列

4.3 Android进程系列

4.4 四大组件系列

4.5 图形系统系列

4.6 系统服务篇

4.7 内存&&存储篇

4.8 工具篇

4.9 实战篇

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一、引言

上图采用静态分层方式的架构划分，众所周知，程序代码是死的，系统运转是活的，各模块代码运行在不同的进程(线程)中，相互之间进行着各种错终复杂的信息传递与交互流，

从这个角度来说此图并没能体现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5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

图解： Android系统启动过程由上图从下往上的一个过程是由Boot Loader引导开机，然后依次进入 -> Kernel -> Native -> Framework -> App，接来下简要说说每个过程：

关于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。

2.1 Linux内核层

Android平台的基础是Linux内核，比如ART虚拟机最终调用底层Linux内核来执行功能。Linux内核的安全机制为Android提供相应的保障，也允许设备制造商为内核开发硬件驱动程序。

• 启动Kernel的swapper进程(pid=0)：该进程又称为idle进程, 系统初始化过程Kernel由无到有开创的第一个进程, 用于初始化进程管理、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。

2.2 硬件抽象层 (HAL)

硬件抽象层 (HAL) 提供标准接口，HAL包含多个库模块，其中每个模块都为特定类型的硬件组件实现一组接口，比如WIFI/蓝牙模块，当框架API请求访问设备硬件时，Android系统将为该硬件加载相应的库模块。

2.3 Android Runtime & 系统库

每个应用都在其自己的进程中运行，都有自己的虚拟机实例。ART通过执行DEX文件可在设备运行多个虚拟机，DEX文件是一种专为Android设计的字节码格式文件，经过优化，使用内存很少。

ART主要功能包括：预先(AOT)和即时(JIT)编译，优化的垃圾回收(GC)，以及调试相关的支持。

这里的Native系统库主要包括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(即虚拟机进程)，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
  • 提前加载类preloadClasses
  • 提前加载资源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，WindowManager，PackageManager，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，很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机制。

Binder原理篇：

序号	文章名	概述
1	Binder系列—开篇	Binder概述
2	Binder系列3—启动Service Manager	ServiceManager守护进程 注册和查询服务
3	Binder系列4—获取Service Manager	获取代理对象BpServiceManager
4	Binder系列5—注册服务(addService)	注册Media服务
5	Binder系列6—获取服务(getService)	获取Media代理，以及DeathRecipient
6	Binder系列7—framework层分析	framework层服务注册和查询，Binder注册
7	理解Binder线程池的管理	Binder的startThreadPool过程
8	彻底理解Android Binder通信架构	startService为主线
9	Binder系列10—总结	Binder的简单总结
10	Binder IPC的权限控制	clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity
11	Binder死亡通知机制之linkToDeath	Binder死亡通知机制

Binder驱动篇：

序号	文章名	概述
1	Binder系列1—Binder Driver初探	驱动open/mmap/ioctl，以及binder结构体
2	Binder系列2—Binder Driver再探	Binder通信协议，内存机制

Binder使用篇：

序号	文章名	概述
1	Binder系列8—如何使用Binder	Native层、Framwrok层自定义Binder服务
2	Binder系列9—如何使用AIDL	App层自定义Binder服务

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通信方式的主要有：

• zygote：用于孵化进程，system_server创建进程是通过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比较简单，这里省略。

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，Handler消息机制用于同进程的线程间通信，其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线程向工作线程发送消息，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IPC机制都有所了解。

四、核心提纲

看到Android整个系统架构是如此庞大的, 该问如何学习Android系统, 以下是我自己的Android的学习和研究论，仅供参考如何自学Android。

从整理上来列举一下Android系统的核心知识点概览：

4.1 系统启动系列

Android系统启动-概述: Android系统中极其重要进程：init, zygote, system_server, servicemanager 进程：

序号	进程启动	概述
1	init进程	Linux系统中用户空间的第一个进程, Init.main
2	zygote进程	所有Ａpp进程的父进程, ZygoteInit.main
3	system_server进程(上篇)	系统各大服务的载体, forkSystemServer过程
4	system_server进程(下篇)	系统各大服务的载体, SystemServer.main
5	servicemanager进程	binder服务的大管家, 守护进程循环运行在binder_loop
6	app进程	通过Process.start启动App进程, ActivityThread.main

再来看看守护进程(也就是进程名一般以d为后缀，比如logd，此处d是指daemon的简称), 下面介绍部分守护进程：

• debuggerd
• installd
• lmkd
• logd

4.2 系统稳定性系列

Android系统稳定性主要是异常崩溃(crash)和执行超时(timeout):

序号	文章名	概述
1	理解Android ANR的触发原理	触发ANR的场景以及机理
2	Input系统—ANR原理分析	input触发ANR的原理
3	理解Android ANR的信息收集过程	AMS.appNotResponding过程分析,收集traces
4	解读Java进程的Trace文件	kill -3 信息收集过程
5	Native进程之Trace原理	debuggerd -b 信息收集过程
6	WatchDog工作原理	WatchDog触发机制
7	理解Java Crash处理流程	AMS.handleApplicationCrash过程分析
8	理解Native Crash处理流程	debuggerd守护进程
9	global reference限制策略	global reference

4.3 Android进程系列

进程/线程是操作系统的魂，各种服务、组件、子系统都是依附于具体的进程实体。深入理解进程机制对于掌握Android系统整体架构和运转机制是非常有必要的，是系统工程师的基本功，下面列举进程相关的文章：

序号	文章名	概述
1	理解Android进程创建流程	Process.start过程分析
2	理解杀进程的实现原理	Process.killProcess过程分析
3	Android四大组件与进程启动的关系	AMS.startProcessLocked过程分析组件与进程
4	Android进程绝杀技–forceStop	force-stop过程分析彻底移除组件与杀进程
5	理解Android线程创建流程	3种不同线程的创建过程
6	彻底理解Android Binder通信架构	以start-service为线,阐述进程间通信机理
7	理解Binder线程池的管理	Zygote fork的进程都默认开启binder线程池
8	Android进程生命周期与ADJ	进程adj, processState以及lmk
9	Android LowMemoryKiller原理分析	lmk原理分析
10	进程优先级	进程nice,thread priority以及scheduler
11	Android进程调度之adj算法	pdateOomAdjLocked过程
12	Android进程整理	整理系统的所有进程/线程
13	[解读Android进程优先级ADJ算法]	(http://gityuan.com/2018/05/19/android-process-adj/)

4.4 四大组件系列

对于App来说，Android应用的四大组件Activity，Service，Broadcast Receiver， Content Provider最为核心，接下分别展开介绍：

序号	文章名	概述
1	startActivity启动过程分析	Activity
2	简述Activity生命周期	Activity
3	startService启动过程分析	Service
4	bindService启动过程分析	Service
5	以Binder视角来看Service启动	Service
6	Android Broadcast广播机制分析	Broadcast
7	理解ContentProvider原理	ContentProvider
8	ContentProvider引用计数	ContentProvider
9	Activity与Service生命周期	Activity&&Service
10	简述Activity与Window关系	Activity&&Window
11	四大组件之综述	AMS
12	四大组件之ServiceRecord	Service
13	四大组件之BroadcastRecord	Broadcast
14	四大组件之ContentProviderRecord	ContentProvider
15	理解Android Context	Context
16	理解Application创建过程	Application
17	unbindService流程分析	Service
18	四大组件之ActivityRecord	Activity

4.5 图形系统系列

图形也是整个系统非常复杂且重要的一个系列，涉及WindowManager,SurfaceFlinger服务。

序号	文章名	概述
1	WindowManager启动篇	Window
2	WMS之启动窗口篇	Window
3	以Window视角来看startActivity	Window
4	Android图形系统概述	SurfaceFlinger
5	SurfaceFlinger启动篇	SurfaceFlinger
6	SurfaceFlinger绘图篇	SurfaceFlinger
7	Choreographer原理	Choreographer

4.6 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，Android系统服务的注册过程也是在此之上的构建的。计划针对部分核心服务来重点分析：

• AMS服务
  • AMS启动过程（一）
  • 更多组件篇[见小节4.3]
• Input系统
  • Input系统—启动篇
  • Input系统—InputReader线程
  • Input系统—InputDispatcher线程
  • Input系统—UI线程
  • Input系统—进程交互
  • Input系统—ANR原理分析
• PKMS服务
  • PackageManager启动篇
  • Installd守护进程
• Alarm服务
  • 理解AlarmManager机制
• JobScheduler服务
  • 理解JobScheduler机制
• BatteryService
  • Android耗电统计算法
• PMS服务
• DropBox服务
  • DropBoxManager启动篇
• UserManagerService
  • 多用户管理UserManager
• 更多系统服务
  • 敬请期待

4.7 内存&&存储篇

• 内存篇
  • Android LowMemoryKiller原理分析
  • Linux内存管理
  • Android内存分析命令
• 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
• dalvik/art
  • 解读Java进程的Trace文件

4.8 工具篇

再来说说Android相关的一些常用命令和工具以及调试手段.

序号	文章名	类别
1	理解Android编译命令	build
2	理解Android.bp	build
3	性能工具Systrace	systrace
4	Android内存分析命令	Memory
5	ps进程命令	Process
6	Am命令用法	Am
7	Pm命令用法	Pm
8	调试系列1：bugreport源码篇	bugreport
9	调试系列2：bugreport实战篇	bugreport
10	dumpsys命令用法	dumpsys
11	Android logd日志原理	logd
12	介绍gdb调试工具	gdb
13	介绍addr2line调试命令	addr2line

4.9 实战篇

下面列举处理过的部分较为典型的案例，供大家参考

序号	文章名	类别
1	Binder Driver缺陷导致定屏的案例	binder
2	深度解读ArrayMap优势与缺陷	ArrayMap
3	数组越界导致系统重启的案例	数组越界
4	一行Log引发多线程并发问题的案例	多线程并发
5	跑monkey压力测试过程的冻屏案例	monkey冻屏
6	深度剖析APP保活案例	保活

参考：https://blog.csdn.net/weixin_44826221/article/details/109801446