基于Android平臺的體系研究

梅嘉欣　翟高粵

摘 要：Android是一個基于Linux的開放、免費的操作系統，主要應用于移動終端，如智能手機、平板電腦等。它是由30多家科技公司和移動電話公司組成的開放手機聯盟開發。安卓盡量讓用戶體驗到最好的服務質量，并讓開發人員獲得更開放的水平，以便更方便地進行軟件開發。因此，可以通過Android開發功能更便捷的移動應用程序。本文主要介紹Android平臺的體系結構。

關鍵詞：Linux;Android;移動開發

“Android”一詞本意是指機器人，但我們現在知道它是谷歌推出的開源手機操作系統。Android基于Linux平臺，由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成，被稱為第一個真正面向移動終端的開放移動軟件。作為谷歌移動互聯網戰略的重要組成部分，Android將進一步推動實現谷歌企業“隨時隨地為每個人提供信息”的目標。

Android是由30多家科技公司包括谷歌、HTC、T-Mobile、高通、摩托羅拉、三星、中國移動和LG在內的手機公司組成的開放手機聯盟。開放手機聯盟表示，Android平臺可以推動移動設備的創新，讓用戶體驗到最好的服務質量。同時，開發人員將獲得一個新的開放級別，以獲得更方便的協同效應，確保新移動設備的開發速度。因此，Android是第一個完整、開放、免費的手機開發平臺。

Android系統有以下5個特點：

●開放：Android是由開放手機聯盟的30多家公司開發的，因此谷歌、運營商、設備制造商和開發者之間的合作試圖建立一個標準化、開放的手機軟件平臺，形成移動領域開放的生態系統。

●Android平臺上的應用程序之間沒有邊界，因此它們通過標準API訪問移動設備的核心功能。應用程序還可以聲明它們的函數，使它們可供其他應用程序使用。

●移動設備上的應用程序是平等的，因此它們可以被替換或擴展，甚至可以修改撥號程序或主界面等核心組件。

●應用程序可以很容易地嵌入到HTML、JavaScript和樣式表中，網絡內容可以通過WebView控件顯示。

●Android是一個完整的多任務環境，因此應用程序可以并行運行。運行時在后臺，它們可以生成通知來喚醒睡眠中的程序。

一、Android平臺的體系結構

Android架構可以分為四層，從高到低分別是應用層、應用框架層、硬件抽象層和linux內核層，如圖1所示。

（一）應用程序層

應用程序層是用Java語言編寫并在虛擬機上運行的程序。事實上，谷歌在Android系統中捆綁了一些核心應用程序，如電子郵件客戶端、短信、日歷、地圖、瀏覽器、聯系人管理和其他程序。

（二）應用框架層

應用框架層是指Google發布的核心應用的API。開發人員還可以應用這些框架來開發他們自己的應用程序，這可以簡化程序體系結構設計，但必須遵守發展原則。

Android提供以下組件：

●豐富和可擴展的視圖：可用于構建應用程序，包括列表、網格、文本框、按鈕和嵌入式Web瀏覽器。

●內容提供者：它允許應用程序訪問另一個應用程序的數據或共享其數據。

●資源管理器：它提供對非代碼資源的訪問，如本地字符串、圖形和布局文件。

●通知管理器：應用程序可以在狀態欄顯示自定義通知。

●活動管理器：管理應用程序的生命周期，也提供常用的導航返回功能。

●窗口管理器：管理所有窗口程序。

●包管理器： Android系統的程序管理。

（三）硬件抽象層

當應用Android應用框架時，Android將通過一些C/ C++庫來支持這些組件，以使它們更好地為我們服務。所有Java程序都在Dalvik虛擬機上運行，這些庫包含：

●仿生系統C庫是C語言的標準庫，也是系統的底層庫。由Linux系統調用。

●媒體框架：基于PacketVideo，OpenCORE來支持播放和錄制多種格式的音頻和視頻，如MPEG4，MP3，AAC，AMR，JPG，PNG。

●SGL：2D圖形引擎庫。

●SSL：位于TCP/IP協議和其他應用協議之間，支持數據通信。

●OpenGL ES1.0：支持3D效果。

●SQLite：關系數據庫。

●Webkit：Web瀏覽器引擎。

●FreeType：位圖和矢量。

與PC類似，每個Android應用程序都有自己的進程，Dalvik虛擬機只以“.dex”的形式執行可執行文件。因此，在編譯完Java程序后，還需要通過SDK中的dx工具將它們轉移到“.dex”中才能在虛擬機上運行。

2007年底Google正式發布Android ADK，Dalvik虛擬機首次進入人們的視野。它對內存的高效利用和低速CPU的高性能確實讓人刮目相看。Android系統可以簡單地完成進程隔離和線程管理。每個Android應用程序對應于底部的一個獨立的Dalvik虛擬機實例，其代碼在虛擬機解釋中執行。綜上所述，Dalvik虛擬機具有以下特點：

●專有文件格式.dex：它放棄.class文件并應用新的.dex格式提高了文件解析和搜索速度，并且還支持新的操作代碼。

●對索引文件的優化：對索引文件結構進行了優化，進一步提高了索引文件的性能運行性能，包括調整所有字段的字節序列，驗證中的所有類.dex文件，并優化一些特定類和方法的操作代碼。

●寄存器：與基于棧的虛擬機相比，基于寄存器的虛擬機在硬件和通用性方面較弱，但其代碼執行效率較高。

●一個應用程序、一個虛擬機實例、一個進程：每個Android應用程序運行在一個Dalvik虛擬機實例中，每個虛擬機實例是一個獨立的進程空間。線程機制、內存分配和管理、互斥鎖的實現都依賴于底層操作系統。每個Android應用程序線程對應一個Linux線程，因此虛擬機可以更多地依賴于虛擬機的線程調度和管理機制。不同的應用程序運行在不同的線程空間，不同資源的應用程序由不同的Linux用戶運行，最大限度地保護了應用程序的安全性和獨立運行。

（四）Linux內核層

Android的核心系統服務是基于Linux2.5內核的，如安全性、內存管理、進程管理、網絡協議棧、驅動模型等。Linux內核也是硬件和軟件棧之間的抽象層。Android更需要的是與手機驅動相關的驅動如下所示。

●顯示驅動：基于Linux的幀緩沖驅動。

●鍵盤驅動程序：輸入設備，鍵盤的驅動程序。

●Flash存儲驅動：基于MTD的Flash驅動。

●攝像頭驅動：常用的基于Linux的視頻（v412）驅動。

●音頻驅動程序：高級Linux聲音架構（ALSA）。

●藍牙驅動：基于IEEE 802.15.1的無線傳輸技術。

●WiFi驅動：基于IEEE 802.11。

●Binder IPC Driver： Android的專用驅動程序，具有單個設備節點，提供進程間的通信功能。

●電源管理：如電池電量。

二、結論

本文主要介紹了Android平臺的體系結構，詳細介紹了Android平臺的架構組成，并對應用層、應用框架層、硬件抽象層和linux內核層進行了詳細的介紹和分析，對于初步接觸Android的初學者有一定參考價值。

參考文獻：

[1]劉凡馨等. Android移動應用開發基礎教程 [M]. 人民郵電出版社，2018.

[2]胡敏等. Android移動應用設計與開發[M].人民郵電出版社， 2021.

[2]劉剛等. Android移動開發基礎教程[M].人民郵電出版社， 2019.

作者簡介：梅嘉欣（2002—），女，研究方向：軟件開發。