深入了解Android系统：核心组件与开发要点

# 深入了解 Android 系统：核心组件与开发要点 ## 1. Android 日志系统 为简化日志管理流程，Android 日志系统将日志消息分为四个独立的日志缓冲区： - **Main**：主应用程序日志消息。 - **Events**：系统事件。 - **Radio**：与无线电相关的日志消息。 - **System**：用于调试的底层系统调试消息。 这四个缓冲区作为伪设备存于 `/dev/log` 系统目录下。鉴于移动平台的输入输出（I/O）操作成本高昂，日志消息并不保存于持久存储中，而是存于内存。为控制日志消息的内存使用，日志记录器模块将它们置于固定大小的缓冲区。主日志、无线电日志和系统日志以自由格式文本消息形式存于 64KB 的日志缓冲区，而事件日志消息则以二进制格式携带额外信息，存于 256KB 的日志缓冲区。 同时，还提供了一组用户级应用程序来查看和过滤这些日志，例如 `logcat` 和 Dalvik 调试监控服务器（DDMS）工具。Android 运行时提供了一组 API 调用，使应用程序能轻松将日志消息发送到日志记录器，具体通过以下类实现： - `android.util.Log`：用于发送应用程序日志消息，提供了指定消息优先级的方法，以及用于指示哪个应用程序生成此日志消息的标签。 - `android.util.EventLog`：用于以二进制格式发送事件日志消息。 - `android.util.Slog`：由 Android 运行时组件用于发送系统日志消息，它并非 Android API 的一部分，应用程序无法访问。 ## 2. Zygote 进程 在大多数类 UNIX 操作系统中，`Init` 应用程序被视为所有进程的父进程，它在内核成功启动后启动，主要作用是根据系统配置启动一组其他进程。 Zygote，也被称为“应用程序进程”，是系统启动时由 `Init` 启动的核心进程之一。它在 Android 平台中的角色与 `Init` 类似，首要任务是启动一个新的 Dalvik 虚拟机实例并初始化核心 Android 服务，包括： - 电源服务 - 活动服务 - 包服务 - 内容服务 - 闹钟服务 - 窗口服务 - 内容提供者 - 电话服务 - 电池服务 - 看门狗 启动这些服务后，Zygote 开始执行第二项任务，这也是它名字的由来。在生物学中，合子是形成的初始细胞，单细胞生物中，合子分裂产生后代。在 Android 中，每个应用程序都在其专用的虚拟机实例中运行，且 Android 应用程序依赖于一组类和数据对象，这些对象需先加载到内存中，应用程序才能执行任务，这在启动新应用程序时会带来较大开销。为了提供高响应性的用户体验，Android 需要尽可能缩短启动时间。Zygote 通过使用“forking”（分叉）操作快速高效地解决了这个问题。 在计算领域，“forking” 是克隆现有进程的操作，新进程拥有父进程所有内存段的精确副本，尽管两个进程独立执行。“写时复制”（Copy-on-write）是 “forking” 中使用的一种优化策略，它允许两个进程共享同一内存段，直到其中一个进程尝试修改它时才进行内存复制。由于 Android 运行时类和数据对象对应用程序来说是不可变的，这使它们成为 “forking” 期间 “写时复制” 优化的理想候选对象。Zygote 预加载 Android 运行时对象并等待启动新应用程序的请求，当新请求到来时，它只需进行 “forking” 操作，而无需启动新的虚拟机实例，这使得新应用程序能够快速启动，同时保持较低的内存占用。 以下是 Zygote 工作流程的 mermaid 流程图： ```mermaid graph TD; A[系统启动] --> B[Init 启动]; B --> C[Zygote 启动]; C --> D[启动 Dalvik 虚拟机实例]; D --> E[初始化核心 Android 服务]; E --> F[等待新应用程序请求]; F --> G{有新请求?}; G -- 是 --> H[执行 forking 操作]; H --> I[新应用程序启动]; G -- 否 --> F; ``` ## 3. Dalvik 虚拟机 Java 是一种通用的面向对象编程语言，专为平台无关的应用程序开发而设计，目标是 “一次编写，随处运行”。Java 通过将应用程序代码编译成一种中间的、与平台无关的解释型语言（字节码）来实现这一目标。在运行时，字节码通过 Java 虚拟机（JVM）执行。 虚拟机是运行在主机计算机上的原生应用程序，用于解释字节码。为优化复杂应用程序的运行时性能，大多数虚拟机实现还支持即时编译（JIT）功能，允许将字节码即时转换为本地机器代码，这使得长时间运行的应用程序执行速度更快，因为仅在应用程序执行开始时需要解释字节码。 大多数移动平台面临的最大挑战之一是应用程序的缺乏。为从一开始就解决这个问题，Android 依赖于成熟的 Java 编程语言，它拥有庞大的开发者社区以及有助于应用程序开发的应用程序、工具和组件。 Android 依赖于针对移动需求高度定制的虚拟机实现，Dalvik 虚拟机便是 Android 为移动平台定制的 Java 虚拟机。它与其他 Java 虚拟机实现有很大不同，桌面平台上的大多数虚拟机实现基于栈式虚拟机模型开发，而 Dalvik 虚拟机基于寄存器式虚拟机模型，以满足移动需求。寄存器式虚拟机需要更长的指令来解释，但与栈式虚拟机相比，实际执行的指令数量非常少，这使得寄存器式虚拟机在计算资源稀缺的移动环境中是更好的选择。 由于 Dalvik 虚拟机需要不同类型的字节码来解释，它不支持标准的 Java 类文件，而是依赖于自己的格式，即 Dalvik 可执行文件（DEX）。Android 软件开发平台提供了一组工具，用于将编译后的 Java 类文件后处理为 DEX 格式。DEX 格式也是在移动平台上存储编译后的 Java 应用程序代码的更紧凑方式，标准 Java 应用程序由多个单独存储的类文件组成，而 DEX 将所有类文件合并为一个大的 DEX 文件，减少了应用程序代码的占用空间。DEX 格式中的常量池允许将字符串、类型、字段和方法常量以及代码中的其他内容存储在一个地方，使用列表的索引而不是完整名称，这将类文件的大小减少了近 50%。 Android 平台在其自己的专用虚拟机实例中以沙箱模式运行每个应用程序，这对平台提出了很高的要求，因为预计多个虚拟机将在有限的 CPU 资源环境中同时运行，而 Dalvik 虚拟机正是针对这种环境进行了专门调整。 ## 4. 文件系统 文件系统是操作系统的关键部分，特别是在移动平台上，它在满足操作系统的期望方面起着重要作用。移动设备依赖于基于闪存的存储芯片，Android 主要使用 Yet Another Flash File System（YAFFS2）作为其文件系统。YAFFS2 是 Charles Manning 为 Linux 操作系统设计和编写的开源文件系统实现，是一种专门为基于 NAND 的闪存芯片设计的高性能文件系统，它是一种日志结构的文件系统，高度重视数据完整性。 除了文件系统本身，操作系统文件和组件的组织方式在 Android 中也很重要。移动平台需要易于升级且高度安全，以保护用户的机密信息。Android 通过使用多个分区来组织自身来满足这一要求，将操作系统的不同部分放在不同的分区中，提供了高度的安全性，并使平台易于升级。常见的分区如下： | 分区名称 | 用途 | 可写性 | | --- | --- | --- | | /boot | 包含启动设备所需的引导加载程序和 Linux 内核 | 用户应用程序不可写 | | /system | 包含设备上预加载的所有 Android 系统文件和应用程序，升级时会被替换 | 用户应用程序不可写，但 Android Market 应用程序可临时使其可写 | | /recovery | 保存恢复映像，提供维护功能，如恢复系统或进行系统备份 | 用户应用程序不可写 | | /data | 保存用户的应用程序和数据，如联系人、消息和设置，恢复出厂设置时会被擦除 | 可写 | | /cache | 用于存储频繁访问的文件，大多数 Android 设备上是存储在 RAM 中的虚拟分区，设备重启时内容不保留 | 可写 | | /sdcard | 内部存储的挂载点，连接的 SD 卡以此名称挂载，不一定对应用程序可访问 | 视情况而定 | 尽管 Android 不期望应用程序开发者直接使用这些分区，但了解它们的用途在 Android 应用程序开发中可能非常有用。 ## 5. 安全机制 从用户的角度来看，与许多其他移动平台一样，Android 最大的需求是用户应用程序和数据的安全性和完整性。Android 在设计时就充分考虑了安全性，其架构在平台的多个层面提供了安全保障，这一广泛的安全框架也通过 Android 运行时向开发者开放，安全意识较强的开发者可以轻松借助这些 API 为其应用程序及其使用的数据提供高级别的安全保护，而不太熟悉安全的开发者也能受到默认安全设置的保护。 Android 通过利用硬件和软件的多种安全特性来提供高级别的安全性。尽管它旨在在各种硬件平台上运行，但仍能利用特定硬件的安全功能，如 ARMv6 的 Execute - Never 特性。 Android 平台构建在 Linux 内核之上，Linux 内核本身多年来已在许多对安全敏感的环境中得到应用，为 Android 提供了几个关键的安全特性： - **基于用户的权限模型**：Linux 内核是为多用户平台设计的，虽然 Android 是单用户环境，但仍利用了基于用户的权限模型。Android 在虚拟机沙箱中运行应用程序，并将它们视为系统上的不同用户，通过这种方式，Android 可以轻松地保护系统，防止应用程序访问其他应用程序的数据和内存。 - **进程隔离**：不同的进程之间相互隔离，减少了进程之间的干扰和潜在的安全风险。 - **安全的 IPC 机制**：确保进程间通信的安全性，防止数据在传输过程中被篡改或窃取。 - **去除内核中不必要的功能**：减少了潜在的安全漏洞。 在 Android 上，服务和硬件资源也通过基于用户的权限模型进行保护。每个资源都有自己的保护组，在应用程序部署期间，应用程序请求访问这些资源，如果用户批准请求，应用程序将成为这些资源组的成员，只有成为成员的应用程序才能访问相应的资源。 除了操作系统提供的安全特性外，Android 还使用 ProPolice 增强 Android 平台二进制文件，以保护它们免受栈缓冲区溢出攻击。从 Android 3.0 开始，文件系统保护成为一项新特性，它允许 Android 使用 AES - 128 算法对整个存储介质进行加密，防止他人在不知道密钥的情况下访问用户数据。从 Android 2.2 开始，设备管理成为一项安全特性，允许管理员远程实施安全策略，并在设备丢失或被盗时远程擦除设备。 以下是 Android 安全机制的主要操作流程： 1. 应用程序部署时，向用户请求访问资源的权限。 2. 用户批准后，应用程序成为相应资源组的成员。 3. 应用程序在虚拟机沙箱中运行，利用 Linux 内核的安全特性保障安全。 4. 系统通过 ProPolice 防止栈缓冲区溢出攻击。 5. 对于存储介质，使用 AES - 128 算法进行加密。 6. 管理员可通过设备管理功能远程实施安全策略和擦除设备。 ## 6. 系统服务 Android 平台不仅仅依赖于 Linux 内核提供的功能，其运行时还为应用程序开发者提供了许多服务，主要服务如下： | 服务名称 | 提供类 | 功能描述 | | --- | --- | --- | | 辅助功能服务 | android.view.accessibility.AccessibilityManager | 作为辅助功能事件的事件调度器，并提供一组 API 来查询系统的辅助功能状态 | | 账户服务 | android.accounts.AccountManager | 用户在线账户的集中注册表，允许应用程序在用户批准后使用用户账户访问在线资源 | | 活动服务 | android.app.ActivityManager | 允许应用程序与系统中运行的活动进行交互 | | 闹钟服务 | android.app.AlarmManager | 允许应用程序向闹钟服务注册，以便在未来的某个时间点安排执行 | | 音频服务 | android.media.AudioManager | 允许应用程序控制音量和铃声模式 | | 剪贴板服务 | android.content.ClipboardManager | 允许应用程序将数据放入系统剪贴板并从中检索数据 | | 连接服务 | android.net.ConnectivityManager | 允许应用程序查询网络连接状态，并在网络连接更改时生成事件 | | 设备策略服务 | android.app.admin.DevicePolicyManager | 提供系统级的设备管理功能，可开发适用于企业环境的安全意识应用程序 | | 下载服务 | android.app.DownloadManager | 处理长时间运行的 HTTP 下载，应用程序可请求将 URI 下载到特定的目标文件 | | 丢弃箱服务 | android.os.DropBoxManager | 提供系统范围的数据导向日志存储，收集应用程序崩溃、内核日志等来源的数据 | | 输入法服务 | android.view.inputmethod.InputMethodManager | 允许应用程序与输入法框架（IMF）进行交互 | | 通知服务 | android.app.NotificationManager | 允许应用程序向用户通知事件，后台运行的服务通过此服务与用户通信 | | 位置服务 | android.location.LocationManager | 允许应用程序获取设备当前位置的定期更新 | | 近场通信服务 | android.nfc.NfcManager | 允许应用程序使用设备的近场通信（NFC）功能 | | 包服务 | android.content.pm.PackageManager | 允许应用程序检索与当前安装在系统上的应用程序包相关的信息 | | 电源服务 | android.os.PowerManager | 允许应用程序控制设备的电源状态，可持有唤醒锁以防止设备在执行任务时进入睡眠模式 | | 传感器服务 | android.hardware.SensorManager | 允许应用程序访问设备的传感器 | | 电话服务 | android.telephony.TelephonyManager | 允许应用程序与移动设备的电话功能进行交互，并生成事件供应用程序监视电话状态变化 | | UI 模式服务 | android.app.UiModeManager | 允许应用程序控制设备的用户界面（UI）模式，如禁用汽车模式 | | USB 服务 | android.hardware.usb.UsbManager | 允许应用程序查询 USB 状态并通过 USB 设备与其他设备通信 | | 振动器服务 | android.os.Vibrator | 允许应用程序控制设备上的振动器 | | 壁纸服务 | android.service.wallpaper.WallpaperService | 允许应用程序在后台显示动态壁纸 | | Wi - Fi 点对点服务 | android.net.wifi.p2p.WifiP2pManager | 允许应用程序发现可用的对等设备并通过 Wi - Fi 网络建立点对点连接 | | Wi - Fi 服务 | android.net.wifi.WifiManager | 允许应用程序管理 Wi - Fi 连接，可列出和更新配置的网络、访问接入点扫描结果、建立和拆除连接 | ## 7. 部署与分发 Android 平台是一个免费的平台，开发和分发应用程序无需支付任何许可费、版税、会员费或认证费。这使得开发者可以更自由地在该平台上进行应用程序的开发和推广。 Android 平台允许应用程序开发者自行决定如何分发和盈利他们的应用程序，开发者可以将应用程序分发为免费软件、共享软件、广告赞助软件或付费软件。 Android 平台自带一个默认的应用市场——Google Play（以前称为 Android Market），它是 Google 为 Android 设备开发的在线商店。与 Android 平台不同，Android Market 应用程序不是开源的，仅适用于符合 Google 兼容性要求的设备。客户端部分预装在 Android 设备上，名为 “Market”，用户可以使用此应用程序搜索和下载 Android 应用程序，并且该应用程序会通过通知用户软件更新来保持已安装的 Android 应用程序为最新版本。 应用程序开发者使用 Android Market 的服务器部分，通过基于 Web 的界面，开发者可以上传他们的应用程序进行发布。不过，Android Market 会对分发的应用程序进行一系列测试，但不对从 Android Market 下载的应用程序承担任何责任。在安装过程中，Android Market 应用程序会显示相关信息。 以下是 Android 应用程序部署与分发的流程： ```mermaid graph TD; A[开发者开发应用程序] --> B{选择分发方式}; B -- 免费软件 --> C[上传到 Google Play]; B -- 共享软件 --> C; B -- 广告赞助软件 --> C; B -- 付费软件 --> C; C --> D[Google Play 进行测试]; D --> E{测试通过?}; E -- 是 --> F[应用程序发布]; E -- 否 --> G[开发者修改应用程序]; G --> C; H[用户使用 Market 应用] --> I[搜索应用程序]; I --> J[下载应用程序]; J --> K[安装应用程序]; K --> L[Market 通知更新]; L --> M[用户更新应用程序]; ``` 综上所述，Android 系统在日志管理、进程管理、虚拟机、文件系统、安全、服务以及部署分发等方面都有其独特的设计和机制，这些特性共同构成了 Android 平台的强大功能和广泛的应用生态。无论是对于开发者还是普通用户，深入了解这些内容都有助于更好地使用和开发 Android 应用程序。