【轉】Android系統開篇
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1、引言
Android系統很是龐大、錯綜複雜，其底層是採用Linux做爲基底，上層採用包含虛擬機的Java層以及Native層，經過系統調用(Syscall)連通系統的內核空間與用戶空間。用戶空間主要採用C++和Java代碼，經過JNI技術打通用戶空間的Java層和Native層(C++/C)，從而融爲一體。git
Google官方提供了一張經典的四層架構圖，從下往上依次分爲Linux內核、系統庫和Android運行時環境、框架層以及應用層這4層架構，其中每一層都包含大量的子模塊或子系統。這只是如壘磚般地分層，並無表達Android整個系統的內部架構、運行機理，以及各個模塊之間是如何銜接與配合工做的。爲了更深刻地掌握Android整個架構思想以及各個模塊在Android系統所處的地位與價值，計劃以Android系統啓動過程爲主線，以進程的視角來詮釋Android M系統全貌，全方位的深度剖析各個模塊功能，爭取各個擊破。這樣才能猶如庖丁解牛，解決、分析問題則能遊刃有餘。程序員
2、Android架構
Google提供的4層架構圖很經典，但爲了更進一步透視Android系統架構，本文更多的是以進程的視角，以分層的架構來詮釋Android系統的全貌，闡述Android內部的環環相扣的內在聯繫。算法
系統啓動架構圖微信
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圖解： Android系統啓動過程由上圖從下往上的一個過程：Loader -> Kernel -> Native -> Framework -> App，接來下簡要說說每一個過程：架構
2.1 Loader層
- Boot ROM: 當手機處於關機狀態時，長按Power鍵開機，引導芯片開始從固化在
ROM裏的預設出代碼開始執行，而後加載引導程序到RAM； - Boot Loader：這是啓動Android系統以前的引導程序，主要是檢查RAM，初始化硬件參數等功能。
2.2 Kernel層
Kernel層是指Android內核層，到這裏纔剛剛開始進入Android系統。app
- 啓動Kernel的swapper進程(pid=0)：該進程又稱爲idle進程, 系統初始化過程Kernel由無到有開創的第一個進程, 用於初始化進程管理、內存管理，加載Display,Camera Driver，Binder Driver等相關工做；
- 啓動kthreadd進程（pid=2）：是Linux系統的內核進程，會建立內核工做線程kworkder，軟中斷線程ksoftirqd，thermal等內核守護進程。
kthreadd進程是全部內核進程的鼻祖。
2.3 Native層
這裏的Native層主要包括init孵化來的用戶空間的守護進程、HAL層以及開機動畫等。啓動init進程(pid=1),是Linux系統的用戶進程，init進程是全部用戶進程的鼻祖。框架
- init進程會孵化出ueventd、logd、healthd、installd、adbd、lmkd等用戶守護進程；
- init進程還啓動
servicemanager(binder服務管家)、bootanim(開機動畫)等重要服務 - init進程孵化出Zygote進程，Zygote進程是Android系統的第一個Java進程(即虛擬機進程)，
Zygote是全部Java進程的父進程，Zygote進程自己是由init進程孵化而來的。
2.4 Framework層
- Zygote進程，是由init進程經過解析init.rc文件後fork生成的，Zygote進程主要包含：
- 加載ZygoteInit類，註冊Zygote Socket服務端套接字；
- 加載虛擬機；
- preloadClasses；
- preloadResouces。
- System Server進程，是由Zygote進程fork而來，
System Server是Zygote孵化的第一個進程，System Server負責啓動和管理整個Java framework，包含ActivityManager，PowerManager等服務。 - Media Server進程，是由init進程fork而來，負責啓動和管理整個C++ framework，包含AudioFlinger，Camera Service，等服務。
2.5 App層
- Zygote進程孵化出的第一個App進程是Launcher，這是用戶看到的桌面App；
- Zygote進程還會建立Browser，Phone，Email等App進程，每一個App至少運行在一個進程上。
- 全部的App進程都是由Zygote進程fork生成的。
2.6 Syscall && JNI
- Native與Kernel之間有一層系統調用(SysCall)層，見Linux系統調用(Syscall)原理;
- Java層與Native(C/C++)層之間的紐帶JNI，見Android JNI原理分析。
3、通訊方式
不管是Android系統，仍是各類Linux衍生系統，各個組件、模塊每每運行在各類不一樣的進程和線程內，這裏就必然涉及進程/線程之間的通訊。對於IPC(Inter-Process Communication, 進程間通訊)，Linux現有管道、消息隊列、共享內存、套接字、信號量、信號這些IPC機制，Android額外還有Binder IPC機制，Android OS中的Zygote進程的IPC採用的是Socket機制，在上層system server、media server以及上層App之間更多的是採用Binder IPC方式來完成跨進程間的通訊。對於Android上層架構中，不少時候是在同一個進程的線程之間須要相互通訊，例如同一個進程的主線程與工做線程之間的通訊，每每採用的Handler消息機制。socket
想深刻理解Android內核層架構，必須先深刻理解Linux現有的IPC機制；對於Android上層架構，則最經常使用的通訊方式是Binder、Socket、Handler，固然也有少許其餘的IPC方式，好比殺進程Process.killProcess()採用的是signal方式。下面說說Binder、Socket、Handler：
3.1 Binder
Binder做爲Android系統提供的一種IPC機制，不管從系統開發仍是應用開發，都是Android系統中最重要的組成，也是最難理解的一塊知識點，想了解爲何Android要採用Binder做爲IPC機制？ 可查看我在知乎上的回答。深刻了解Binder機制，最好的方法即是閱讀源碼，借用Linux鼻祖Linus Torvalds曾說過的一句話：Read The Fucking Source Code。下面簡要說說Binder IPC原理。
Binder IPC原理
Binder通訊採用c/s架構，從組件視角來講，包含Client、Server、ServiceManager以及binder驅動，其中ServiceManager用於管理系統中的各類服務。
- 想進一步瞭解Binder，可查看Binder系列—開篇，Binder系列花費了13篇文章的篇幅，從源碼角度出發來，講述Driver、Native、Framework、App四個層面的整個完整流程。根據有些讀者反饋這個系列仍是很差理解，這個binder涉及的層次跨度比較大,知識量比較廣, 建議你們先知道binder是用於進程間通訊,有個大體概念就能夠.先去學習系統基本知識,等後面有必定功力再進一步深刻研究Binder.
原理篇
| 序號 | 文章名 | 概述 |
|---|---|---|
| 0 | Binder系列—開篇 | Binder概述 |
| 1 | Binder系列3—啓動Service Manager | ServiceManager守護進程 註冊和查詢服務 |
| 2 | Binder系列4—獲取Service Manager | 獲取代理對象BpServiceManager |
| 3 | Binder系列5—註冊服務(addService) | 註冊Media服務 |
| 4 | Binder系列6—獲取服務(getService) | 獲取Media代理，以及DeathRecipient |
| 5 | Binder系列7—framework層分析 | framework層服務註冊和查詢，Binder註冊 |
| 6 | 理解Binder線程池的管理 | Binder的startThreadPool過程 |
| 7 | 完全理解Android Binder通訊架構 | startService爲主線 |
| 8 | Binder系列10—總結 | Binder的簡單總結 |
| 9 | Binder IPC的權限控制 | clearCallingIdentity/restoreCallingIdentity |
| 10 | Binder死亡通知機制之linkToDeath | Binder死亡通知機制 |
驅動篇:
| 1 | Binder系列1—Binder Driver初探 | 驅動open/mmap/ioctl，以及binder結構體 |
| 2 | Binder系列2—Binder Driver再探 | Binder通訊協議，內存機制 |
使用篇:
| 1 | Binder系列8—如何使用Binder | Native層、Framwrok層自定義Binder服務 |
| 2 | Binder系列9—如何使用AIDL | App層自定義Binder服務 |
3.2 Socket
Socket通訊方式也是C/S架構，比Binder簡單不少。在Android系統中採用Socket通訊方式的主要：
- zygote：用於孵化進程，系統進程system_server孵化進程時便經過socket向zygote進程發起請求；
- installd：用於安裝App的守護進程，上層PackageManagerService不少實現最終都是交給它來完成；
- lmkd：lowmemorykiller的守護進程，Java層的LowMemoryKiller最終都是由lmkd來完成；
- adbd：這個也不用說，用於服務adb；
- logcatd:這個不用說，用於服務logcat；
- vold：即volume Daemon，是存儲類的守護進程，用於負責如USB、Sdcard等存儲設備的事件處理。
等等還有不少，這裏不一一列舉，Socket方式更多的用於Android framework層與native層之間的通訊。Socket通訊方式相對於binder很是簡單，因此一直沒有寫相關文章，爲了成一個體系，下次再補上。
3.3 Handler
Binder/Socket用於進程間通訊，而Handler消息機制用於同進程的線程間通訊，Handler消息機制是由一組MessageQueue、Message、Looper、Handler共同組成的，爲了方便且稱之爲Handler消息機制。
有人可能會疑惑，爲什麼Binder/Socket用於進程間通訊，可否用於線程間通訊呢？答案是確定，對於兩個具備獨立地址空間的進程通訊均可以，固然也能用於共享內存空間的兩個線程間通訊，這就比如殺雞用牛刀。接着可能還有人會疑惑，那handler消息機制可否用於進程間通訊？答案是不能，Handler只能用於共享內存地址空間的兩個線程間通訊，即同進程的兩個線程間通訊。不少時候，Handler是工做線程向UI主線程發送消息，即App應用中只有主線程能更新UI，其餘工做線程每每是完成相應工做後，經過Handler告知主線程須要作出相應地UI更新操做，Handler分發相應的消息給UI主線程去完成，以下圖：
因爲工做線程與主線程共享地址空間，即Handler實例對象mHandler位於線程間共享的內存堆上，工做線程與主線程都能直接使用該對象，只須要注意多線程的同步問題。工做線程經過mHandler向其成員變量MessageQueue中添加新Message，主線程一直處於loop()方法內，當收到新的Message時按照必定規則分發給相應的handleMessage()方法來處理。因此說，而Handler消息機制用於同進程的線程間通訊的核心是線程間共享內存空間，而不一樣進程擁有不一樣的地址空間，也就不能用handler來實現進程間通訊。
上圖只是Handler消息機制的一種處理流程，是否是隻能工做線程向UI主線程發消息呢，其實否則，能夠是UI線程向工做線程發送消息，也能夠是多個工做線程之間經過handler發送消息。更多關於Handler消息機制文章：
要理解framework層源碼，掌握這3種基本的進程/線程間通訊方式是很是有必要，固然Linux還有很多其餘的IPC機制，好比共享內存、信號、信號量，在源碼中也有體現，若是想全面完全地掌握Android系統，仍是須要對每一種IPCd機制都有所瞭解。
4、核心提綱
2016年新的一年剛開始，首先祝你們、也祝本身在新的一年諸事順心，事業蒸蒸日上。在過去的一年，對於Android從底層一路到上層有很多本身的理解和沉澱，但整體較零散，未成體系。藉着今天（元旦假日的最後一天），給本身的新的一年提早作一個計劃，把知識進行歸檔整理與再學習，從而加深對Android架構的理解。經過前面對系統啓動的介紹，相信你們對Android系統有了一個總體觀，接下來須要抓核心、理思路，爭取各個擊破。
計劃：很多文章還沒來得及進一步加工，大篇章的源碼，有讀者跟我反饋看着發睏，先別急，文章還會不斷更新和升級。前期計劃先將系統全部核心技術點的邊整理邊寫博客； 後期工做有時間再根據你們的反饋以及本身的校驗，再不斷修正和完善全部文章，爭取給文章，再進一步精簡非核心代碼，增長可視化圖表以及文字的結論性分析。
博客定位： 基於Android 6.0的源碼，專一於分享Android系統原理、架構分析的原創文章。
建議閱讀羣體： 適合於正從事或者有興趣研究Android系統的工程師或者愛好者，也適合Android app高級工程師； 對於還沒有入門或者剛入門的app程序員閱讀可能會困難些，可能不是很適合。
看到Android整個系統架構是如此龐大的, 該問如何學習Android系統, 如下是我本身琢磨的Android的學習和研究論,僅供參考:如何自學Android.
4.1 系統啓動系列
Android系統啓動-概述: Android系統中極其重要進程：init, zygote, system_server, servicemanager 進程:
| 序號 | 進程啓動 | 概述 |
| 1 | init進程 | Linux系統中用戶空間的第一個進程, Init.main |
| 2 | zygote進程 | 全部Ａpp進程的父進程, ZygoteInit.main |
| 3 | system_server進程(上篇) | 系統各大服務的載體, forkSystemServer過程 |
| 4 | system_server進程(下篇) | 系統各大服務的載體, SystemServer.main |
| 5 | servicemanager進程 | binder服務的大管家, 守護進程循環運行在binder_loop |
| 6 | app進程 | 經過Process.start啓動App進程, ActivityThread.main |
再來看看守護進程(進程名通常以d爲後綴，好比logd), 先介紹如下部分,後綴再增長.
4.2 系統穩定性系列
Android系穩定性主要是異常崩潰(crash)和執行超時(timeout), Android系統穩定性簡述 :
| 序號 | 文章名 | 概述 |
| 1 | 理解Android ANR的觸發原理 | 觸發ANR的場景以及機理 |
| 2 | Input系統—ANR原理分析 | input觸發ANR的原理 |
| 3 | 理解Android ANR的信息收集過程 | AMS.appNotResponding過程分析,收集traces |
| 4 | ART虛擬機之Trace原理 | kill -3 信息收集過程 |
| 5 | Native進程之Trace原理 | debuggerd -b 信息收集過程 |
| 6 | WatchDog工做原理 | WatchDog觸發機制 |
| 7 | 理解Java Crash處理流程 | AMS.handleApplicationCrash過程分析 |
| 8 | 理解Native Crash處理流程 | debuggerd守護進程 |
4.3 Android進程系列
進程對於系統很是重要，系統運轉，各類服務、組件的載體都依託於進程，對進程理解越深入，越能掌握系統總體架構。那麼先來看看進程相關：
| 序號 | 文章名 | 概述 |
| 1 | 理解Android進程建立流程 | Process.start過程分析 |
| 2 | 理解殺進程的實現原理 | Process.killProcess過程分析 |
| 3 | Android四大組件與進程啓動的關係 | AMS.startProcessLocked過程分析組件與進程 |
| 4 | Android進程絕殺技–forceStop | force-stop過程分析完全移除組件與殺進程 |
| 5 | 理解Android線程建立流程 | 3種不一樣線程的建立過程 |
| 6 | 完全理解Android Binder通訊架構 | 以start-service爲線,闡述進程間通訊機理 |
| 7 | 理解Binder線程池的管理 | Zygote fork的進程都默認開啓binder線程池 |
| 8 | Android進程生命週期與ADJ | 進程adj, processState以及lmk |
| 9 | Android LowMemoryKiller原理分析 | lmk原理分析 |
| 10 | 進程優先級 | 進程nice,thread priority以及scheduler |
| 11 | Android進程調度之adj算法 | updateOomAdjLocked過程 |
| 12 | Android進程整理 | 整理系統的全部進程/線程 |
4.4 四大組件系列
對於App來講，Android應用的四大組件Activity，Service，Broadcast Receiver， Content Provider最爲核心，接下分別展開介紹：
| 序號 | 文章名 | 類別 |
| 1 | startActivity啓動過程分析 | Activity |
| 2 | 簡述Activity生命週期 | Activity |
| 3 | startService啓動過程分析 | Service |
| 4 | bindService啓動過程分析 | Service |
| 5 | 以Binder視角來看Service啓動 | Service |
| 6 | Android Broadcast廣播機制分析 | Broadcast |
| 7 | 理解ContentProvider原理 | ContentProvider |
| 8 | ContentProvider引用計數 | ContentProvider |
| 9 | Activity與Service生命週期 | Activity&&Service |
| 10 | 簡述Activity與Window關係 | Activity&&Window |
| 11 | 四大組件之綜述 | AMS |
| 12 | 四大組件之ServiceRecord | Service |
| 13 | 四大組件之BroadcastRecord | Broadcast |
| 14 | 四大組件之ContentProviderRecord | ContentProvider |
| 15 | 理解Android Context | Context |
| 16 | 理解Application建立過程 | Application |
| 17 | unbindService流程分析 | Service |
| 18 | 四大組件之ActivityRecord | Activity |
| 19 | AMS總結(一) | AMS |
4.5 圖形系統系列
圖形也是整個系統很是複雜且重要的一個系列，涉及WindowManager,SurfaceFlinger.
| 序號 | 文章名 | 類別 |
| 1 | WindowManager啓動篇 | Window |
| 2 | WMS之啓動窗口篇 | Window |
| 3 | 以Window視角來看startActivity | Window |
| 4 | Android圖形系統概述 | SurfaceFlinger |
| 5 | SurfaceFlinger啓動篇 | SurfaceFlinger |
| 6 | SurfaceFlinger繪圖篇 | SurfaceFlinger |
| 7 | Choreographer原理 | Choreographer |
4.6 系統服務篇
再則就是在整個架構中有大量的服務，都是基於Binder來交互的，計劃針對部分核心服務來重點分析：
系統服務的註冊過程, 見Android系統服務的註冊方式
- AMS服務
- AMS啓動過程（一）
- 更多組件篇[見小節4.3]
- Input系統
- PKMS服務
- Alarm服務
- JobScheduler服務
- BatteryService
- PMS服務
- DropBox服務
- UserManagerService
- 更多服務介紹, 敬請期待…
4.7 內存&&存儲篇
- 內存篇
- 存儲篇
- Linux驅動篇
- 敬請期待
- dalvik/art
4.8 工具篇
最後，說說Android相關的一些經常使用命令和工具以及調試手段.
| 序號 | 文章名 | 類別 |
| 1 | 理解Android編譯命令 | build |
| 2 | 性能工具Systrace | systrace |
| 3 | Android內存分析命令 | Memory |
| 4 | ps進程命令 | Process |
| 5 | Am命令用法 | Am |
| 6 | Pm命令用法 | Pm |
| 7 | 調試系列1：bugreport源碼篇 | bugreport |
| 8 | 調試系列2：bugreport實戰篇 | bugreport |
| 9 | dumpsys命令用法 | dumpsys |
5、結束語
計劃： 後續持續新增和完善整個大綱，不限於進程、內存、IO、系統服務框架，總體架構以及各類系統分析實戰等文章。 博客會持續更新，各個擊破，本文最近更新時間點: 2017.09.03.
說明：博主水平和精力有限，沒有大量的時間反覆校驗文章，目前只是初稿，後續會不斷整理和完善每一篇文章。 另外，若是您發現文章邏輯、文字或表述存在錯誤，還望海涵，歡迎留言指正、或郵件gityuan@gmail.com，或微博反饋，謝謝！
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- 1. Android系統開篇
- 2. Android系統架構開篇
- 3. Android Input子系統開篇
- 4. 【Android 系統】Launcher開發——入門篇
- 5. Android 8.0系統源碼分析--開篇
- 6. Android log系統 轉
- 7. Android圖形系統系統篇之HWC
- 8. 【系統之音】Android系統啓動篇
- 9. 【Android 系統開發】_「系統啓動」篇 -- zygote
- 10. 【Android 系統開發】_「系統啓動」篇 -- SystemServer
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