Android 系统架构

本文所述 Android 架构，是指 Android 系统内部的体系架构，相对于应用开发角度的 Android 平台架构，更偏重展现 Android 系统内部的调用机制，用于指导 Android 硬件开发和系统开发。

一、架构

先看看来自官方的架构图：

可以看到，Android 系统分为五层，自上而下依次为：

1. 应用框架层

应用框架层中的 API 主要用于应用开发，而从系统开发角度，这些 API 都是底层 HAL 接口的映射，可以理解为 Android 系统和应用之间的边界。

2. Binder IPC 层

Binder Inter-Process Communication（IPC），基于 Binder 的进程间通信机制，允许应用框架层跨越进程边界并调用 Android 系统服务层代码，实现框架 API 与 Android 系统服务之间的交互。这些通信过程对于应用开发者是透明的。

3. 系统服务层

系统服务是负责不同功能的模块化组件，例如窗口管理器、通知管理器、WLAN 管理器等等，应用框架 API 通过与系统服务通信来访问系统功能和底层硬件。Android 包含两组服务：“系统”（比如窗口管理器、通知管理器等服务）和“媒体”（与播放、录制媒体相关的服务）。

4. 硬件抽象层（HAL）

Hardware Abstraction Layer（HAL），硬件抽象层，定义标准接口供硬件开发者实现，硬件开发者可以通过这些接口方便地实现特定功能，而不用担心对系统上层造成影响，系统服务则可以通过访问硬件抽象层，忽略更低级别的驱动实现。除了标准接口，Android 也允许系统开发者自定义 HAL 接口，便于实现定制功能。HAL 的实现会被封装成模块，通常编译为 .so 文件，并由 Android 系统适时加载。

从 Android 8.0 开始，引入了 HIDL，HAL 的运行方式也分为了两种：绑定式和直通式，Android 框架和系统服务通过 Binder IPC 机制与绑定式 HAL 通信，直通式则是在系统服务的同一进程下直接调用 HAL。绝大多数 HAL 是绑定式。

5. Linux 内核层

开发设备驱动程序类似于开发典型的 Linux 设备驱动程序。除了驱动程序，Android 使用的 Linux 内核还包含一些特殊的补充功能，例如低内存终止、唤醒锁定、Binder IPC 驱动等等，以及对移动嵌入式平台来说非常重要的其他功能，如 wpa_supplicant、netd 等等。这些补充功能主要用于增强系统功能，不会影响驱动程序开发。

二、运行机制

上面静态地展示了 Android 的系统架构，只是抽象地了解了其大体结构和所扮演的角色。为更具体地理解 Android 运行机制，下面以 Audio 模块为例，动态地看一看 Android 运行时的调用过程：

当某个应用访问 Audio 模块时，自上而下的调用过程如下：

1. 应用框架

应用框架包含应用的代码，该代码可使用 android.media API 与 Audio 硬件进行交互。在内部，此代码会调用相应的 JNI 粘合类，以访问与 Audio 硬件交互的 native 代码。应用可以直接调用的框架代码位于 frameworks/base/media/java。

2. JNI

与 android.media 关联的 JNI 代码可调用较低级别的原生代码，以访问 Audio 硬件。JNI 代码位于 frameworks/base/core/jni 和 frameworks/base/media/jni。

3. Native 框架

Native 框架提供相当于 android.media 包的 native 代码包，调用 Binder IPC 代理以访问 Media 服务器的特定于音频的服务。原生框架代码位于 frameworks/av/media/libmedia。

4. Binder IPC

Binder IPC 代理用于促进跨越进程边界的通信。代理代码位于 frameworks/av/media/libmedia，文件以字母“I”开头。

5. Media 服务

Media 服务包含 Audio 服务，这些 Audio 服务是实际与 HAL 实现进行交互的代码。Media 服务位于 frameworks/av/services/audioflinger。

6. HAL

HAL 定义了由 Audio 服务调用的标准接口，必须正确实现这些接口以确保 Audio 硬件功能正常运行。Audio HAL 接口位于 hardware/libhardware/include/hardware。

7. 内核驱动程序

Audio 驱动程序分别与硬件和 HAL 实现进行交互，最终完成从应用对 Audio 硬件的访问。可以使用高级 Linux 音频架构（ALSA）、开放声音系统（OSS）或自定义驱动程序（HAL 与驱动程序无关）。

三、总结

经过对 Android 系统内部架构的梳理，可以看到，这种架构就类似于网络中常见的 C/S 架构，系统服务是服务器，应用程序是客户端，Binder IPC 机制则是承载两者交互的网络，Android 把每个系统功能拆分成不同的系统服务，它们管理相应的系统资源，通过 Binder IPC 机制，使每个应用有条不紊地向系统服务请求资源。