2.3 Android系統(tǒng)架構(gòu)剖析

“剖析”二字有“解剖分析”之意，是指對一個(gè)人或一件事做深入的分析，讓別人了解這個(gè)人或明白事情的來龍去脈。學(xué)習(xí)Android之路是一條不平坦的路，需要付出一定的時(shí)間和精力。為了更加深入理解Android的精髓，很有必要了解Android的系統(tǒng)架構(gòu)，了解它的組成。這樣才能知道Android究竟能干什么、開發(fā)人員所要學(xué)的是什么。

2.3.1 Android體系結(jié)構(gòu)介紹

Android是一個(gè)移動(dòng)設(shè)備的開發(fā)平臺，其軟件層次結(jié)構(gòu)包括操作系統(tǒng)（OS）、中間件（MiddleWare）和應(yīng)用程序（Application）。根據(jù)Android的軟件框圖，其軟件層次結(jié)構(gòu)自下而上可以分為以下4層。

（1）操作系統(tǒng)層（OS）

（2）各種庫（Libraries）和Android運(yùn)行環(huán)境（RunTime）

（3）應(yīng)用程序框架（Application Framework）

（4）應(yīng)用程序（Application）

上述各層的具體結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。

圖2-19 Android操作系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)圖

1. 操作系統(tǒng)層（OS）——底層

因?yàn)锳ndroid源于Linux，使用了Linux內(nèi)核，所以Android使用Linux 2.6作為操作系統(tǒng)。Linux 2.6是一種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，Linux也是一個(gè)開放的操作系統(tǒng)。Android對操作系統(tǒng)的使用包括核心和驅(qū)動(dòng)程序兩部分，Android的Linux核心為標(biāo)準(zhǔn)的Linux 2.6內(nèi)核，Android更多的是需要一些與移動(dòng)設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。主要的驅(qū)動(dòng)如下。

· 顯示驅(qū)動(dòng)（Display Driver）：基于Linux的幀緩沖（Frame Buffer）驅(qū)動(dòng)；

· Flash內(nèi)存驅(qū)動(dòng)（Flash Memory Driver）：基于MTD的Flash驅(qū)動(dòng)程序；

· 相機(jī)驅(qū)動(dòng)（Camera Driver）：基于Linux的v4l（Video for Linux）驅(qū)動(dòng)；

· 音頻驅(qū)動(dòng)（Audio Driver）：基于ALSA（Advanced Linux Sound Architecture，高級Linux聲音體系）驅(qū)動(dòng)；

· Wi-Fi驅(qū)動(dòng)（Wi-Fi Driver）：基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)程序；

· 鍵盤驅(qū)動(dòng)（KeyBoard Driver）：作為輸入設(shè)備的鍵盤驅(qū)動(dòng)；

· 藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)（Bluetooth Driver）：基于IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸技術(shù)；

· Binder IPC驅(qū)動(dòng)：Android中一個(gè)特殊的驅(qū)動(dòng)程序，具有單獨(dú)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，提供進(jìn)程間通信的功能；

· Power Management（能源管理）：管理電池電量等信息。

2. 各種庫（Libraries）和Android運(yùn)行環(huán)境（RunTime）——中間層

本層次對應(yīng)一般嵌入式系統(tǒng)，相當(dāng)于中間件層次。本層次分成兩個(gè)部分，一個(gè)是各種庫，另一個(gè)是Android運(yùn)行環(huán)境。本層的內(nèi)容大多是使用C和C++實(shí)現(xiàn)的。其中包含的各種庫如下所示。

· C庫：C語言的標(biāo)準(zhǔn)庫，也是系統(tǒng)中的底層庫，C庫是通過Linux的系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的；

·多媒體框架（MediaFramework）：這部分內(nèi)容是Android多媒體的核心部分，是基于PacketVideo（即PV）的OpenCORE，從功能上本庫一共分為兩大部分，一部分是音頻、視頻的回放（PlayBack），另一部分則是音、視頻的記錄（Recorder）；

· SGL：2D圖像引擎；

· SSL：即Secure Socket Layer，位于TCP/IP協(xié)議與各種應(yīng)用層協(xié)議之間，為數(shù)據(jù)通信提供安全支持；

· OpenGL ES 1.0：提供了對3D的支持；

· 界面管理工具（Surface Management）：提供了管理顯示子系統(tǒng)等功能；

· SQLite：一個(gè)通用的嵌入式數(shù)據(jù)庫；

· WebKit：網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的核心；

· FreeType：位圖和矢量字體的功能。

Android的各種庫一般是以系統(tǒng)中間件的形式提供的，它們均有的一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是與移動(dòng)設(shè)備平臺的應(yīng)用密切相關(guān)。

Android運(yùn)行環(huán)境主要是指虛擬機(jī)技術(shù)——Dalvik。Dalvik虛擬機(jī)和一般Java虛擬機(jī)（Java VM）不同，它執(zhí)行的不是Java標(biāo)準(zhǔn)的字節(jié)碼（Bytecode），而是在Dalvik可以執(zhí)行的格式文件（.dex）。在執(zhí)行的過程中，每一個(gè)應(yīng)用程序即一個(gè)進(jìn)程（Linux的一個(gè)Process）。二者最大的區(qū)別在于Java VM是基于棧的虛擬機(jī)（Stack-based），而Dalvik是基于寄存器的虛擬機(jī)（Register-based）。顯然，后者最大的好處在于可以根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)更大的優(yōu)化，這更符合移動(dòng)設(shè)備的特點(diǎn)。

3. 應(yīng)用程序（Application）

Android的應(yīng)用程序主要是用戶界面（User Interface）方面的，通常用Java語言編寫，其中還可以包含各種資源文件（放置在res目錄中）。Java程序及相關(guān)資源經(jīng)過編譯后，將生成一個(gè)APK包。Android本身提供了主屏幕（Home）、聯(lián)系人（Contact）、電話（Phone）、瀏覽器（Browser）等眾多的核心應(yīng)用。同時(shí)，應(yīng)用程序的開發(fā)者還可以使用應(yīng)用程序框架層的API實(shí)現(xiàn)自己的程序。這也是Android開源巨大潛力的體現(xiàn)。

4. 應(yīng)用程序框架（Application Framework）

Android的應(yīng)用程序框架為應(yīng)用程序?qū)拥拈_發(fā)者提供API，它實(shí)際上是一個(gè)應(yīng)用程序的框架。由于上層的應(yīng)用程序是以Java構(gòu)建的，因此本層次提供的首先包含了UI程序中所需要的各種控件。例如，Views（視圖組件），其中又包括了List（列表）、Grid（柵格）、Text Box（文本框）、Button（按鈕）等，甚至一個(gè)嵌入式的Web瀏覽器。

一個(gè)基本的Android應(yīng)用程序可以利用應(yīng)用程序框架中的以下五個(gè)部分。

· Activity（活動(dòng)）

· Broadcast Intent Receiver（廣播意圖接收者）

· Service（服務(wù)）

· Content Provider（內(nèi)容提供者）

· Intent and Intent Filter（意圖和意圖過濾器）

本書的主要目的是講解Android游戲開發(fā)知識，介紹的是應(yīng)用程序（Application）方面的知識。這些知識都是與Java開發(fā)相關(guān)的，當(dāng)然也還需要掌握一些其他層的相關(guān)知識，如底層的內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)等知識。

2.3.2 Android應(yīng)用工程文件組成

介紹完Android的整體結(jié)構(gòu)之后，接下來就介紹Android工程文件的組成。因?yàn)锳ndroid游戲項(xiàng)目是用Eclipse創(chuàng)建的工程，所以很有必要了解一個(gè)Android工程文件的結(jié)構(gòu)。

在Eclipse中，一個(gè)基本的Android項(xiàng)目的目錄結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。

圖2-20 Android應(yīng)用工程文件組成

1. src目錄——程序文件

在這里保存了程序員直接編寫的程序文件。和一般的Java項(xiàng)目一樣，“src”目錄下保存的是項(xiàng)目的所有包及源文件（.java），“res”目錄下包含了項(xiàng)目中的所有資源，例如，程序圖標(biāo)（drawable）、布局文件（layout）和常量（values）等。不同的是，在Java項(xiàng)目中沒有“gen”目錄，也沒有每個(gè)Android項(xiàng)目都必須有的AndroidManfest.xml文件。

“.java”格式文件是在建立項(xiàng)目時(shí)自動(dòng)生成的，這個(gè)文件是只讀模式，不能更改。R.java文件是定義該項(xiàng)目所有資源的索引文件。先來看看HelloAndroid項(xiàng)目的R.java文件，如下面的代碼：

package com.yarin.Android.HelloAndroid;
public final class R {
    public static final class attr {
    }
    public static final class drawable {
      public static final int icon=0x7f020000;
    }
    public static final class layout {
      public static final int main=0x7f030000;
    }
    public static final class string {
      public static final int app_name=0x7f040001;
      public static final int hello=0x7f040000;
    }
}

從上述代碼中，可以看到定義了很多常量，并且會(huì)發(fā)現(xiàn)這些常量的名字都與res文件夾中的文件名相同，這再次證明.java文件中存儲的是該項(xiàng)目所有資源的索引。有了這個(gè)文件，在程序中使用資源將變得更加方便，可以很快地找到要使用的資源，由于這個(gè)文件不能被手動(dòng)編輯，所以當(dāng)在項(xiàng)目中加入了新的資源時(shí)，只需要刷新一下該項(xiàng)目，.java文件便自動(dòng)生成了所有資源的索引。

2. AndroidManfest.xml文件——設(shè)置文件

文件AndroidManfest.xml是一個(gè)控制文件，在里面包含了該項(xiàng)目中使用的Activity、Service、Receiver，看下面“HelloAndroid”項(xiàng)目中的AndroidManfest.xml文件。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
      package="com.yarin.Android.HelloAndroid"
      android:versionCode="1"
      android:versionName="1.0">
    <application android:icon="@drawable/icon" android:label="@string/app_name">
        <activity android:name=".HelloAndroid"
                android:label="@string/app_name">
          <intent-filter>
              <action android:name="android.intent.action.MAIN" />
              <category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" />
          </intent-filter>
        </activity>
    </application>
    <uses-sdk android:minSdkVersion="5" />
</manifest>

在上述代碼中，intent-filters描述了Activity啟動(dòng)的位置和時(shí)間。每當(dāng)一個(gè)Activity（或者操作系統(tǒng)）要執(zhí)行一個(gè)操作時(shí)，它將創(chuàng)建出一個(gè)Intent的對象，這個(gè)Intent對象能承載的信息可描述你想做什么、你想處理什么數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的類型，以及一些其他信息。而Android能夠?qū)⒚總€(gè)intent-filter數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找到最合適Activity來處理調(diào)用者所指定的數(shù)據(jù)和操作。下面來仔細(xì)分析AndroidManfest.xml文件，如表2-1所示。

表2-1 AndroidManfest.xml文件分析

3. 常量的定義文件——露臉的文件

下面看看資源文件中一些常量的定義，如String.xml，如下面的代碼：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<resources>
  <string name="hello">Hello World, HelloAndroid!</string>
    <string name="app_name">HelloAndroid</string>
</resources>

上述代碼很簡單，就定義了兩個(gè)字符串資源，請不要小看上面的幾行代碼。它們的內(nèi)容很“露臉”，里面的字符直接顯示在手機(jī)屏幕中，就像動(dòng)態(tài)網(wǎng)站中的HTML一樣。

在Android中還有一個(gè)露臉的文件，那就是布局（layout）文件，這個(gè)文件一般位于“res\layout\main.xml”。雖然它里面的字符沒有“露臉”，但是里面的代碼能夠生成一個(gè)顯示界面，這個(gè)可以顯示人名和圖片的界面就“露臉”了。例如：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
  android:orientation="vertical"
    android:layout_width="fill_parent"
    android:layout_height="fill_parent"
    >
<TextView
    android:layout_width="fill_parent"
    android:layout_height="wrap_content"
    android:text="@string/hello"
    />
</LinearLayout>

在上述代碼中，有以下幾個(gè)布局和參數(shù)。

· < LinearLayout></LinearLayout>：線性版面配置，在這個(gè)標(biāo)簽中，所有元件都是按自上而下的順序排列而成的。

· android:orientation：表示這個(gè)介質(zhì)的版面配置方式是“從上到下垂直地排列其內(nèi)部的視圖”。

· android:layout_width：定義當(dāng)前視圖在屏幕上所占的寬度，fill_parent即填充整個(gè)屏幕。

· android:layout_height：定義當(dāng)前視圖在屏幕上所占的高度，fill_parent即填充整個(gè)屏幕。

· wrap_content：隨著文字?jǐn)?shù)量的不同而改變這個(gè)視圖的寬度或高度。

在上述布局代碼中，使用了一個(gè)TextView來配置文本標(biāo)簽Widget（構(gòu)件），其中設(shè)置的屬性android:layout_width為整個(gè)屏幕的寬度，android:layout_height可以根據(jù)文字來改變高度，而android:text則設(shè)置了這個(gè)TextView要顯示的文字內(nèi)容，這里引用了@string中的“hello”字符串，即String.xml文件中的“hello”所代表的字符串資源。“hello”字符串的內(nèi)容“Hello World， HelloAndroid!”就是在HelloAndroid項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)看到的字符串。

注意：上面介紹的只是主要文件，在項(xiàng)目中需要自行編寫。在項(xiàng)目中還有很多其他的文件，這些文件很少需要編寫，所以在此就不進(jìn)行講解了。

2.3.3 應(yīng)用程序的生命周期

作為一個(gè)程序，也如同自然界的生物一樣，有自己的生命周期。開發(fā)一個(gè)程序的目的是為了完成一項(xiàng)功能，如銀行中計(jì)算加息的軟件。每當(dāng)一個(gè)用戶去柜臺辦理取款業(yè)務(wù)時(shí)，銀行工作人員便啟動(dòng)了這個(gè)軟件，當(dāng)用這個(gè)軟件完成利息計(jì)算時(shí)，這個(gè)軟件當(dāng)前的任務(wù)就完成了，此時(shí)就需要結(jié)束?？隙ㄓ凶x者會(huì)提出疑問：“生生死死”多麻煩，就讓這個(gè)程序一直是“活著”的狀態(tài)，一個(gè)用戶辦理完取款業(yè)務(wù)后，繼續(xù)等待下一個(gè)用戶辦理取款業(yè)務(wù)，這樣豈不是更方便？但是很不幸，不能這樣做。原因是計(jì)算機(jī)的處理性能是一定的，計(jì)算機(jī)能夠很輕松地完成與一個(gè)人、兩個(gè)人或三個(gè)人相關(guān)的存取款業(yè)務(wù)，但是我們開發(fā)的程序軟件需要每天處理成千上萬個(gè)存取款業(yè)務(wù)，如果每個(gè)任務(wù)都一直活著，一臺有限配置的計(jì)算機(jī)能承受得了嗎？

由此可見，應(yīng)用程序的生命周期就是一個(gè)程序的存活時(shí)間，即在什么時(shí)間內(nèi)有效。Android是一構(gòu)建在Linux之上的開源移動(dòng)開發(fā)平臺，在Android中，大多數(shù)情況下每個(gè)程序都是在各自獨(dú)立的Linux進(jìn)程中運(yùn)行的。當(dāng)一個(gè)程序或其某些部分被請求時(shí)，它的進(jìn)程就“出生”了；當(dāng)這個(gè)程序沒有必要再運(yùn)行下去且系統(tǒng)需要回收這個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存用于其他程序時(shí)，這個(gè)進(jìn)程就“死亡”了。可以看出，Android程序的生命周期是由系統(tǒng)控制而非程序自身控制的。這和編寫桌面應(yīng)用程序時(shí)的思維有一些不同，一個(gè)桌面應(yīng)用程序的進(jìn)程也是在其他進(jìn)程或用戶請求時(shí)被創(chuàng)建，但是往往是在程序自身收到關(guān)閉請求后執(zhí)行一個(gè)特定的動(dòng)作而結(jié)束進(jìn)程。要想做好某種類型的程序或者某種平臺下的程序的開發(fā)，最關(guān)鍵的就是要弄清楚這種類型的程序或整個(gè)平臺下的程序的一般工作模式，并且要做到熟記在心。在Android系統(tǒng)中，程序的生命周期控制就屬于這個(gè)范疇，開發(fā)者必須理解不同的應(yīng)用程序組件，尤其是Activity、Service和Intent Receiver，了解這些組件是如何影響應(yīng)用程序的生命周期的。如果不正確地使用這些組件，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)終止正在執(zhí)行重要任務(wù)的應(yīng)用程序進(jìn)程。

一個(gè)常見的進(jìn)程生命周期漏洞的例子是Intent Receiver（意圖接收器），當(dāng)Intent Receiver在onReceive方法中接收到一個(gè)Intent（意圖）時(shí)，它會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程，然后返回。一旦返回，系統(tǒng)將認(rèn)為Intent Receiver不再處于活動(dòng)狀態(tài)，因而Intent Receiver所在的進(jìn)程也就不再有用了（除非該進(jìn)程中還有其他的組件處于活動(dòng)狀態(tài)）。因此，系統(tǒng)可能會(huì)在任意時(shí)刻終止該進(jìn)程以回收占用的內(nèi)存。這樣進(jìn)程中創(chuàng)建出的那個(gè)線程也將被終止。解決這個(gè)問題的方法是從Intent Receiver中啟動(dòng)一個(gè)服務(wù)，讓系統(tǒng)知道進(jìn)程中還有處于活動(dòng)狀態(tài)的工作。為了使系統(tǒng)能夠正確決定在內(nèi)存不足時(shí)應(yīng)該終止哪個(gè)進(jìn)程，Android應(yīng)根據(jù)每個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行的組件及組件的狀態(tài)把進(jìn)程放入一個(gè)“Importance Hierarchy（重要性分級）”中。

進(jìn)程的類型多種多樣，按照重要程度主要有如下幾類進(jìn)程。

1. 前臺進(jìn)程（Foreground）

前臺進(jìn)程是看得見的，與用戶當(dāng)前正在做的事情密切相關(guān)的。不同的應(yīng)用程序組件能夠通過不同的方法將它的宿主進(jìn)程移到前臺。在如下的任何一個(gè)條件下“①進(jìn)程正在屏幕的最前端運(yùn)行一個(gè)與用戶交互的活動(dòng)（Activity），它的onResume方法被調(diào)用；②進(jìn)程有一正在運(yùn)行的Intent Receiver（它的IntentReceiver.onReceive方法正在執(zhí)行）；③進(jìn)程有一個(gè)服務(wù)(Service)，并且在服務(wù)的某個(gè)回調(diào)函數(shù)（Service.onCreate、Service.onStart或Service.onDestroy）內(nèi)有正在執(zhí)行的代碼”，系統(tǒng)將把進(jìn)程移動(dòng)到前臺。

2. 可見進(jìn)程（Visible）

可見進(jìn)程也是可見的，它有一個(gè)可以被用戶從屏幕上看到的活動(dòng)，但不在前臺（它的onPause方法被調(diào)用）。例如，前臺的活動(dòng)是一個(gè)對話框，以前的活動(dòng)就隱藏在對話框之后，就會(huì)出現(xiàn)這種進(jìn)程。可見進(jìn)程非常重要，一般不允許被終止，除非是為了保證前臺進(jìn)程的運(yùn)行而不得不終止它。

3. 服務(wù)進(jìn)程（Service）

服務(wù)進(jìn)程是無法看見的，擁有一個(gè)已經(jīng)用startService方法啟動(dòng)的服務(wù)。雖然用戶無法直接看到這些進(jìn)程，但它們做的事情卻是用戶所關(guān)心的（如后臺MP3回放或后臺網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的上傳與下載）。因此，系統(tǒng)將一直運(yùn)行這些進(jìn)程，除非內(nèi)存不足以維持所有的前臺進(jìn)程和可見進(jìn)程。

4. 后臺進(jìn)程（Background）

后臺進(jìn)程也是看不見的，只有打開之后才能看見。例如，迅雷下載，可以將其最小化，雖然桌面上看不見了，但是它一直在進(jìn)行下載的工作。擁有一個(gè)當(dāng)前用戶看不到的活動(dòng)（它的onStop方法被調(diào)用）。這些進(jìn)程對用戶體驗(yàn)沒有直接的影響。如果它們正確執(zhí)行了活動(dòng)生命周期，系統(tǒng)可以在任意時(shí)刻終止該進(jìn)程以回收內(nèi)存，并提供給前面三種類型的進(jìn)程使用。系統(tǒng)中通常有很多這樣的進(jìn)程在運(yùn)行，因此要將這些進(jìn)程保存在LRU列表中，以確保當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)用戶最近看到的進(jìn)程最后一個(gè)被終止。

5. 空進(jìn)程（Empty）

不擁有任何活動(dòng)的應(yīng)用程序組件的進(jìn)程。保留這種進(jìn)程的唯一原因是在下次應(yīng)用程序的某個(gè)組件需要運(yùn)行時(shí)，不需要重新創(chuàng)建進(jìn)程，這樣可以提高啟動(dòng)速度。

系統(tǒng)將以進(jìn)程中當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)組件的重要程度為基礎(chǔ)對進(jìn)程進(jìn)行分類。進(jìn)程的優(yōu)先級可能也會(huì)根據(jù)該進(jìn)程與其他進(jìn)程的依賴關(guān)系而增長。例如，進(jìn)程A通過在進(jìn)程B中設(shè)置Context.BIND_AUTO_CREATE標(biāo)記或使用ContentProvider被綁定到一個(gè)服務(wù)（Service），那么進(jìn)程B在分類時(shí)至少要被看成與進(jìn)程A同等重要。

例如，Activity的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2-21所示。

圖2-21 Activity狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖2-21所示的狀態(tài)的變化是由Android內(nèi)存管理器決定的，Android會(huì)首先關(guān)閉那些包含Inactive Activity的應(yīng)用程序，再關(guān)閉Stopped狀態(tài)的程序。在極端情況下，會(huì)移除Paused狀態(tài)的程序。