Android 系统架构

Android 系统架构分层

1.安卓四层架构

从上到下依次是： 应用层、应用架构层、系统运行库层、硬件抽象层和Linux内核层，如图：

一、Linux 内核层（Linux Kernel）

位置：架构最底层，基于 Linux 内核（如 Android 14 基于 Linux 5.15+）。
作用：提供硬件基础支持和核心系统服务，是 Android 与硬件交互的桥梁。
核心功能：

• 硬件驱动管理：包括 CPU 调度、内存管理（MMU）、设备驱动（摄像头、屏幕、传感器等）、网络协议栈（TCP/IP）、文件系统（ext4、f2fs）等。
• 安全与权限控制：通过 Linux 的用户权限（UID/GID）、进程隔离（PID）等机制，保证不同应用和进程的独立运行。
• 电源管理：通过内核的电源管理模块（如 PMIC 驱动）实现休眠、唤醒、低功耗模式等。
• 进程间通信（IPC）基础：提供管道、信号量等底层 IPC 机制，为上层的 Binder 等机制提供支持。

举例：当用户触摸屏幕时，触摸屏的硬件驱动会将信号传递给 Linux 内核，再由内核转发给上层处理。

二、硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer, HAL）

位置：位于 Linux 内核层之上，是连接内核驱动与上层框架的中间层。
作用：屏蔽硬件差异，为上层提供统一的硬件操作接口，使 Android 系统能兼容不同厂商的硬件（如不同型号的摄像头、传感器）。
核心功能：

• 硬件接口标准化：针对每种硬件（如相机、音频、传感器）定义统一的接口（如Camera HAL、Audio HAL），厂商需按照接口实现具体驱动逻辑。
• 隔离硬件细节：上层框架（如应用框架层）无需关心硬件的具体实现，只需调用 HAL 提供的接口即可操作硬件。
• 适配不同硬件：厂商可在不修改上层代码的情况下，通过修改 HAL 实现来适配自家硬件。

举例：不同手机厂商的摄像头硬件不同，但通过Camera HAL接口，上层的相机应用框架可以统一调用open()、capture()等方法控制摄像头。

三、系统运行时库层（Libraries & Android Runtime）

位置：位于 HAL 之上，为上层提供核心的库支持和运行环境。
组成：包括C/C++ 系统库和Android 运行时（ART） 两部分。

1. C/C++ 系统库

提供底层功能支持，上层框架和应用通过 JNI（Java Native Interface）调用这些库：

• Bionic：Android 的 C 标准库，基于 BSD 修改，适配移动设备，提供内存管理、字符串处理等基础功能。
• Media Framework：多媒体处理库，支持音频、视频的编码 / 解码（如 MP3、H.264）。
• Surface Manager：管理屏幕显示，负责多窗口的合成与渲染。
• SQLite：轻量级数据库引擎，支持应用数据的本地存储（如联系人、短信数据）。
• OpenGL ES：2D/3D 图形渲染库，用于游戏、UI 动画等图形处理。
• WebKit：浏览器引擎，支持网页渲染（如 WebView 组件）。

2. Android 运行时（ART）

• 作用：负责 Android 应用的运行环境，替代了早期的 Dalvik 虚拟机（Android 5.0 起全面使用 ART）。
• 核心功能
  • 虚拟机管理：将应用的 DEX 字节码（Android 特有的字节码格式）编译为机器码（通过 AOT 预编译或 JIT 即时编译），提升运行效率。
  • 内存管理：包括垃圾回收（GC）、内存分配 / 释放，优化移动设备的内存使用。
  • 线程管理：支持多线程调度，与 Linux 内核的线程机制结合，实现并发处理。

四、应用框架层（Application Framework）

位置：位于系统运行时库层之上，提供面向开发者的 API，是安卓开发的核心框架。
作用：封装复杂的底层逻辑，提供标准化的组件和服务，简化应用开发。
核心组件与服务：

• 四大组件：
  • Activity：管理应用的界面与用户交互（如一个页面对应一个 Activity）。
  • Service：后台运行的服务（如音乐播放、下载任务），无界面。
  • Broadcast Receiver：接收系统或应用发出的广播（如电量低、网络变化）并响应。
  • Content Provider：实现跨应用数据共享（如联系人应用通过 Content Provider 向其他应用提供联系人数据）。
• 核心服务：
  • Activity Manager：管理 Activity 的生命周期、任务栈（如启动、暂停、销毁 Activity）。
  • Package Manager：管理应用的安装、卸载、权限验证（如解析 APK 文件、检查应用权限）。
  • Window Manager：管理窗口的创建、显示、焦点切换（如弹窗、全屏显示）。
  • Notification Manager：管理通知的展示（如状态栏通知、横幅通知）。
  • Binder IPC：Android 特有的跨进程通信机制，用于不同进程间的调用（如应用调用系统服务）。

五、应用层（Applications）

位置：架构最上层，是用户直接接触的层。
组成：包括系统应用和第三方应用。

• 系统应用：Android 系统预装的应用，如 launcher（桌面）、电话、短信、相机、设置等，通常由系统厂商开发，基于应用框架层实现。
• 第三方应用：开发者通过 Android SDK 开发的应用，如微信、抖音、游戏等，运行在应用层，依赖底层框架提供的服务。

运行机制：应用以 APK（Android Package）文件形式安装，运行在独立的进程中（由 ART 管理），通过应用框架层与底层交互。

总结：五层架构的协作流程

以 “用户点击相机图标拍照” 为例：

1. 应用层：相机应用接收用户点击事件，通过Intent请求启动拍照功能。
2. 应用框架层：Activity Manager调度相机页面，Camera Manager（系统服务）通过 Binder 调用底层。
3. 系统运行时库层：Camera Framework（C++ 库）通过 JNI 调用 HAL 接口。
4. HAL 层：Camera HAL将上层请求转换为硬件操作指令，传递给内核驱动。
5. Linux 内核层：摄像头驱动控制硬件完成拍照，将图像数据逐级返回给应用层，最终显示在屏幕上。