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Android架构简介

摘 要：当今第三代数字通信（3G）技术获得了广泛的接受，为移动终端用户带来了更快的传输速率。移动终端不再仅仅是通信网络的终端，还成为了互联网的终端。在这样的背景下，移动终端的应用程序和需要的服务将会有一个很大的发展空间，而现在越来越普及的android也具有广大的发展前景。

关键词：移动终端 android 应用程序

1 引 言

2007年11月，Google牵手有30多家移动技术和无线应用领域领先企业组成的开放手机联盟（Open Handset Aliance）,公布了其智能手机平台——Android，Android是一个真正意义上的开放移动设备综合平台，它包括操作系统、用户界面、中间件和应用程序，拥有移动电话工作所需要的全部部件，Android的最大特点在于它是一个开放的体系架构，具有非常好的开发和调试环境，而且还支持各种可扩展的用户体验，Android里面还具有非常丰富的图形系统，对多媒体的支持功能和非常强大的浏览器。
Android平台的开放性等特点既能促进技术（包括平台自身）的创新，又有助于降低开发成本，还可以使运营商能非常方便的定制特色化产品，因此它有着非常大的市场发展潜力。

2 Android的架构
2.1 Android系统的功能特性
在硬件的支持下，Android系统拥有以下功能特性：
1． 有一套应用程序框架，支持各个组件的利用和替换。
2． 基于Dalvik虚拟机，专为移动设备上的Java运行作优化。
3． 内置基于Webkit引擎的浏览器。
4． 拥有优化的图形处理机制，包括可自定义的2D图形库和3D图形库，并且可选开启硬件加速。
5． 可用SQLite存储结构化数据。
6． 支持常见的音频、视频以及图片格式(如MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG, GIF）。
7． 支持GSM协议。
8． 支持蓝牙、EDGE、3G以及WIFI
9． 支持摄像头、GPS、电子罗盘以及加速度感应。
10． 拥有完善的开发环境，包括模拟器、调试工具、性能分析工具以及Eclipse插件。
2.2 Android的架构
下图是Android官方给出的架构图，从图中我们可以看到，Android系统可分为五个部分，下文中将详细介绍各个部分：

2.2.1 应用程序
Android系统内置一套核心应用程序，如联系薄、电话程序、短消息程序、日历、地图等。这些应用都是用Java语言开发的，此外，开发人员还可以使用Android的SDK开发各种各样的应用程序运行在这一层上。
2.2.2 应用程序框架
Android的这一套应用程序框架主要优点就是增强了复用性。
在程序框架安全机制的约束下，开发人员可以发布自己的组件，也可以使用其它应用程序中的组件。例如假设我们开发的一个音乐播放器中有一个播放列表的组件，那么在另外一个视频播放器中，就可以直接调用这一个播放列表组件。这一特性在随后的应用开发一章中我们还将详细介绍。
应用程序都运行于应用程序框架之上，一般情况下，应用程序会用到以下Android自带的组件：
1. View组件。Android中的View组件种类繁多而且可扩展性强，类似于HTML中的各种标签，可以提供各种视图元素，如列表、输入框、按钮、内嵌的浏览器等。
2. Content Provider。通过Content Provider，应用程序可以把自己的数据共享给别的应用程序，也可以使用其它程序共享出来的数据。
3. Resource Manager。通过它，应用程序就能访问各种资源，如图片、布局文件、字符串资源等。
4. Notification Manager。它负责向为应用程序向发户发出通知。通知的方式有许多种，如在窗口中的状态栏显示、振动手机、发出响铃等。
5. Activity Manager。它管理应用程序的生命周期，处理程序的启动、退出、运行等状态。
2.2.3 库
Android包含一套C/C++库，可以为Android程序提供各种功能。这些功能通过Android应用程序框架暴露给上层的开发人员。常用的核心的库有下面这一些：
1． System C library - 这是一个专门为嵌入式的基于Linux的设备优化过的标准C库。
2． Media Libraries - Android内的多媒体库基于OpenCORE；支持多种流行的音频和视频格式和静态图形文件格式（包括MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, and PNG ）的播放和录制。
3． LibWebCore - 这是一个流行的浏览器引擎，Android的浏览器和嵌入到应用程序中的Web View都是由它驱动的。
4． SGL - 底层的2D图形引擎
5． 3D libraries - 它基于OpenGL ES 1.0 API实现； 如果硬件支持的话，它可以使用硬件3D加速，即使没有硬件支持，它也可以使用内置的、高度优化的3D软件加速。
6． FreeType - 这是一个使用十分广泛的开源位图和矢量字体渲染库。
7． SQLite - SQLite是一个使用越来越广泛的轻量级开源数据库引擎，在嵌入式设备上运用十分广泛。Android程序可以使用SQLite来存储结构化的数据。
2.2.4 Android 运行时 (Android Runtime)
Android的运行时实际上包括核心类库和Dalvik虚拟机两部分。核心类库包括了最基本的类库，如data structure, network, Utilities, File system等的，很多实现代码都是来自Apache Harmony项目，主要目的是保证虚拟机的类库能够和Java SE的类库最大可能的兼容，从而降低应用开发者从Java SE阵营转移到Android开发阵营的难度，增加其可用性。
Dalvik虚拟机主要是完成对象生命周期的管理，堆栈的管理，线程管理，安全和异常的管理，以及垃圾回收等等重要功能。在Android中，每一个应用程序的进程都会运行在一个独立的Dalvik虚拟机中。Dalvik是Android系统的一个关键部件，开发人员为其作了大量有针对性的优化工作，从而保障了Android系统的运行效率。鉴于Dalvik虚拟机的重要性，下文我们还将详细介绍Dalvik。
2.2.5 Linux内核
Android的许多核心系统服务都建立在Linux之上，例如内存管理、进程调度、网络协议栈、安全管理以及驱动程序（如WiFi设备驱动、闪存驱动、键盘驱动、摄像头驱动等）。Dalvik虚拟机就直接依赖下层的Linux内核来实现线程管理、低级内存管理这些功能。
同时Linux内核还负责把下层的硬件抽象出来，形成一个硬件抽象层，为上层的软件提供了一套与硬件无关的接口。也正是因为这样，Android才得以充分利用Linux的易移植性实现了它跨平台的目标。但是同时GNU Linux里的许多功能Android都没有支持，包括Cairo, X11, Alsa, FFmpeg, GTK, Pango, Glibc等都移除掉了。而且Android还以bionic 取代Glibc, 以Skia 替换了Cairo, FFmpeg也被换成了opencore 。
2.3 Dalvik虚拟机
Dalvik是Android系统的一个关键组件，对它的深入了解有助于我们理解Android开发者构思整个系统的思路。
Dalvik是由Dan Bornstein为Google开发的，这个名字也是他的祖先曾经居住过的一个村庄的名字。作为Android系统中的Java 虚拟机，Dalvik很好地解决了版权问题和性能问题。
众所周知，Java是Sun公司（现已被Oracle收购）推出的产业产品，并未开放源代码。Google为了打造一个开放的Android，决定自行开发Java虚拟机，绕过Sun的J2ME平台，于是才有了Dalvik。
Dalvik相比于普通的Java虚拟机作了许多的优化工作。它采用了基于寄存器的架构，经过优化后，可以在限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。根据 Google的测算，64M的RAM已经能够令系统正常运转了。其中24M被用于底层系统的初始化和启动，另外20M被用于高层启动高层服务。当然，随着系统服务的增多和应用功能的扩展，其所消耗的内存也势必越来越大。
归纳起来，Dalvik虚拟机有如下几个主要特征:
1.一个应用中会定义很多类，编译完成后即会有很多相应的CLASS文件，CLASS文件间会有不少冗余的信息；而DEX文件格式会把所有的CLASS文件内容整合到一个文件中。这样，除了减少整体的文件尺寸，I/O操作，也提高了类的查找速度。
2.增加了新的操作码的支持
3.文件结构尽量简洁，使用等长的指令，借以提高解析速度
4. 尽量扩大只读结构的大小，借以提高跨进程的数据共享。
Dalvik虚拟机上运行的不是普通的CLASS文件，而是特有的dex文件。在Android的SDK中有一个叫做dx的工具可以用来把Java的.class文件转换成.dex格式。一般来说，同样的class文件转换成的dex文件比它转换成的jar文件要小不少。
2.4架构与许可证之间的关系
Google在设计Android时，就在版权问题上煞费苦心。Android的架构也与其许可策略有着莫大的关系。
Linux内核的许可是GPL V2，Android基于Linux内核构建，但开放手机联盟却为它选择了Apache许可第二版(ASL V2)来发布。不过，它对于运行在Android之上的应用程序的许可则没有任何限制，第三方应用程序开发者可以选择任何版权许可。这种在不同层次上选取不同许可协议的做法对于Android的推广有重要的作用。
众所周知，GPL V2协议是典型的“Copyleft"协议，自由软件运动的精神领袖Richard Stallman把它设计成具有传染性，不但使用该协议的软件自身要公开源代码，对它的所有修改和衍生代码也都必须公开而且必须以相似的许可证发布。而ASL则不同，它虽然也是一种使用广泛，并且得到了OSI认可的开源许可，但它却并不限制商业性的开发和垄断式的发布。对于许多厂商来说，这一点是至关重要的。许多软件厂商更愿意采用ASL,BSD这类不设限的开源许可，因为在这样的许可下，他们既可以充分利用开源代码，又可以选择不公开自己所作的修改。所以ASL协议促进了软件厂商对开源软件的使用，因为这可以让厂商获利。在开源软件的基础上吸引尽可能多的厂商的参与，也很可能正是Android以ASL协议发布的原因。
但是，Android的这种许可方式也招致了许多批评的声音。2010年2月3日，Linux内核开发者Greg Kroah-Hartman将Android的驱动程序从Linux内核代码库中删除，这就意味着，Linux内核小组不认可Android对Linux内核的贡献。这其中的原因就是Android出于授权许可考虑而精心设计的架构。
本来Linux的驱动程序是位于内核空间的，但是这样的话厂商为自己的硬件开发的驱动程序就得依照GPL协议公开源码，而显然厂商是不愿意因此而泄露出硬件细节的。因此Android开发人员特意对Linux内核作了修改，将原本应该位于Linux内核空间的驱动程序部分上移到了用户空间。然后再将Linux内核之上的部分以ASL许可发布，这样厂商就可以选择不公开其源码了，Android也从而争取到了大量厂商的支持。可是这样做带来的恶果就是Android的开发人员的成果无法为主线上的Linux内核所用，厂商为Android开发的驱动也根本无法用于其它的Linux内核，Android只从Linux社区获取，却未能提供回报。这就招致了开源社区的不满，并迫使Linux小组决定将Android从内核源码主线上删除。
3 结论
通讯移动的发展。带动了手机的发展。而手机的发展。带动了手机软件的发展，手机软件的发展。最终形成了手机操作系统的诞生。An droid的诞生不仅具有它固有的时代背景。更带来了新的手机操作系统的革命。Android不仅是一种操作系统．它更是一个开源的平台，集合34家包括高通，摩托罗拉，三星．HTC等来自诸多领域的领先技术和无线公司组成“开放手机联盟”(0HA)，共同努力开发Android平台。
在国内。中国移动已经加入OHA．并有机会成为第一家在中国运营Android手机的公司。中国的许多软件公司已经将目光投向了Android。通过Google Android将对移动产业带来较大的影响，Android会变得更加的强壮和易用。

参考文献
[1] 公磊,周聪,基于Android的移动终端应用程序开发与研究
[2] 陈昱,江兰帆,基于Google Android平台的移动开发研究
[3] 昱曼,刘卫国,Android的架构与应用开发研究
[3] 百度百科.
[4] Android维基百科.