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Android手机开发(一)
 

发布于2011-07-26

 

导读:对于Android开发者来说,成系列的技术文章对他们的技术成长帮助最大。如下是我们向您强烈推荐的主题为Android开发的第一个系列文章。

《Android核心分析》整理如下:

1. 方法论探讨之设计意图

为什么要研究Android,是因为它够庞大,它够复杂,他激起了我作为一个程序员的内心的渴望,渴望理解这种复杂性。我研究的对象是作为手机开发平台的Android软件系统部分,而不是Dalvik虚拟机本身。

作为一个从其他平台装接过来的程序员,要从事Andoid平台系统开发,我的关于手机平台上积累的知识已经不能满足需要了,Android为我们带来了大量的新名词,Activity,Manifest,INTENT,Service,Binder,Dalvik虚拟机,Framework,Linux,Navtive ,JNI.....。通过在源代码,在开发社区,在开发博客,甚至在招聘过程中,我不断的寻求Android是什么。经过一定时间的沉淀,我慢慢的理解到Android不仅仅是一类手机的总称,不仅仅是一个手机开发平台,不仅仅是一个虚拟java操作系统,不仅仅是一个开发社区,一个开发标准,不仅仅是一堆代码,Android已经成了一个新的潮流。

代码多,系统复杂,纵观社区中Android的研究者,一开始从源代码分析Android就走向迷途,不断的跋山涉水,向纵深冲刺,最终脑袋堆栈不够用,迷失在开始的旅程,或者挂在半途中,鲜有通达者。我感觉到大部分的研究者总是忘记站在高山上向下望一望设计者的意图,一味的随着代码的控制流走入繁杂的谜团,陷入到复杂性的深渊。

我的研究分析是从设计者的意图出发,从抽象的甚至从哲学的高度,从最简单的系统原型开始,从设计猜想开始,而不是一开始就从代码分析展开。首先理解Android大的运行框架,主干流程,系统原型,之后再用源代码分析充实之。当然我这里的设计者意图并不是真正的Android设计者意图,而是我以为的Android设计者意图。

要理解设计者意图,就需要抽象。我们需要在哲学意义空间中去考虑系统的描述,即系统在本质上要表达什么。在逻辑空间上去考虑系统基本构成和动态结构。从现实到虚拟对象的映射去理解系统对象的组成,在从数据流的角度分析数据的产生者和消费者之间作用关系,从控制流的角度去分析对象之间的交互关系,从函数调用去分析具体的层次关系。

在系统设计上,原型是最能表达哲学空间和逻辑空间中系统本质的东西,原型是事物本质的第一层体现。我以为任何复杂的系统都一个简洁的系统原型,都有它简洁的意义。系统原型是设计者意图的第一体现,所以我们需要从几个方向上去提炼系统原型:

(1)从系统本质和基本原理出发

(2)从分析系统数据流和控制流分析出发。

从设计者意图出发,得出系统原型,提取到大的逻辑结构和系统构成是第一步。之后我们可以从设计者的角度考虑系统猜想系统设计,为什么要这样设计,为什么要有这些构成。这样的基本原型是什么?系统的限制是什么,应用场景有哪些,有些设计的引进还是系统收敛性而为之呢。我们还可以从代码痕迹上去分析,这些概念是如何的得来的?从一定的抽象和高度去理解这些问题,遵循系统原型出发之原则,在深入分析代码的时候,就不容易陷入细节中。我们就可以随时跳出来想,这些代码在整体上载表达一个什么概念,在描绘一个什么逻辑,他要构成一个虚拟层吗?他是在管理这个硬件吗?他在 虚拟这个对象吗?他在构建管理机构?还是在构建一个对象管理?空间管理,为了快速引入了什么样的复杂算法,实际上的原型算法应该是什么样的?

只有深入到这个抽象层次,我们才能很好的把握住系统的每一条线,每一个对象的意义。只用从原型出发,我们才能把握住这个系统的实质所在,在干什么?他要表达什么?设计者为什么要这样想?最终极的想法是什么?这样,代码分析就变得简单明了,读代码就变成了是在印证猜想,修正方向。

2. 方法论探讨之概念空间篇

我们潜意识就不想用计算机的方式来思考问题,我们有自己的思维描述方式,越是接近我们思维描述方式,我们越容易接受和使用。各种计算机语言,建模工具,不外乎就是建立一个更接近人的思维方式的概念空间,再使用工具从该概念空间向另外一个概念空间映射,我称之为人性思维空间向01序列描述空间的一个映射。实现方面来看,系统就是一个翻译器,将机器性更加人性化的一种机制。大学计算机经典课“计算机体系结构”,其他的可以忘记,但是下面这个图不能忘记:

这个就是概念空间最本质的原型体现:作为观测者看到了什么?设计者给了观察者什么?给出的答案是外部特性。

(1)提供给观察者的概念空间是什么?

(2)内部特性的概念空间是什么?

概念空间所表达的东西带有两个方面的缠绕:一面是人性自由,一面是物性制约(实时响应,系统资源的限制)。所以程序实现的概念空间是人性自由与特定计算机系统物性之间有一个折中,并且根据实际系统而采取某种动态的平衡。而这种平衡将会影响到系统架构,以及设计的思想。特别在手机这样的嵌入式系统中,这种矛盾和平衡无处不在,这种折中无处不在。而对系统的选取和采用,也就接受了某个方面的折中或某中即在的,也许是看不见的标准,及这样的标准有隐式和显式的。正因为如此,不管是工具的产生,新的平台的产生, 都是计算机的物性向人性靠近的一个小台阶。一个新的思想的形成随即带来的新工具,新系统框架,新的体系结构。

如果设计者站的高度足够高,那么设计者一开始就会考虑到“我该给他们一个什么样的概念空间,甚至一个什么样的理念,让他们这个概念空间去建立自己的产品”,于是设计者就会开始主动的去建立概念空间,这个概念空间要表达的实际意义,概念空间应该有哪些内容构成,考虑概念空间的完备性和封闭性,考虑概念空间的边界,考虑从哪个基础上建立这个概念空间,考虑如何与概念空间外的实体进行交互,考虑系统的资源限制条件,考虑功能性构建的合理性,考虑机器系统与人的平衡问题。

我们在学习新系统时,首先映入眼帘的就是新概念。新名词,就如现在我们面临的Android大量的新名词,在程序员的世界都是从代码实践开始的,是从写应用开始去涉及。SDK给了我们一个概念,我们就在这个概念框架下,使用SDK给我提供的函数接口,数据结构,初始化过程等,我们最初的接触到原型就是“HelloWorld”之类的DEMO程序,我们在Hello world上去使用各种不同的接口函数,对于应用程序员来讲,他说看到的系统就是系统调用接口,及其编程开发流程。实际上只要一使用这些接口,就不得不接受一系列的概念,只有在这种概念系统下,我们才能工作。但是,实际上我们却忽略了这样的概念系统的理解,只是在编程接口的这个狭窄的空间去理解系统.我们理解系统在形成理解概念的空间只是微小的一角,很少有资料来介绍这种概念系统的形成和理解,编程接口只是这个概念空间一个,对外部的一个表征。我们可以抽象起来,以接口,协议和行为,来描述系统的情况。SDK API的实质向上层提供了一个语义接口,从而在层间实现了一个转义过程,同时又成为一个功能的集合体。但是我们很少这样跳出来看,我们到底是处于一种什么样的概念空间,SDK除了调用接口外,还给了我们怎样一种整体概念?目标系统的基本构架在本质上的东西就是一个概念系统到另一个概念系统的映射。让我们大脑理解的概念系统映射到计算机能实现的概念域的一个映射。我们假定这个概念域E,机器能够理解的概念域为M,我们的软件工程要做的事情实质就是:EàM领域的一个映射过程。

为什么要在宏观上把握这些概念呢,显然有我的目的,理解概念空间是理解设计者意图的一个重要途径。设计者要想给开发者提供什么,设计者想要提供给最终用户什么。我们需要站在高处看待系统明白设计者意图。

Android的实质还是一套管理手机硬件系统的软件,这个话讲起来没有多大意义,计算机操作系统本质都是如此,Android是Google云计算计划的一部分,我们修正成:Android建立的本质就是让计算机成为我的云接入移动智能终端。作为硬件管理软件,Android提供概念空间内涵实质上泛操作系统内涵,我们的理解可以从泛操作系统概念空间映射到Android系统中去。而作为云计算的一部分的内容,我们可以云计算的概念入手去研究Andoird。

3. 手机之硬件形态

本节可能与Android无关,但是Android系统现在这个阶段更多的是移动终端形态的开发平台,本节给出了Android背后的工作-Android管理的硬件是什么,Android的本质就是要管理好这些硬件部分,为用户提供一个体验更好,速度更快的智能移动终端。对手机硬件形态的认识是要让我们对手机硬件组成有个感性的认识,让程序员知道系统中的代码是管理那一部分的,即我们堆砖头的目的是什么,让思维有一个伸展。

为了对手机这类嵌入式系统有一个较为深入的了解,我制作了如下的手机硬件结构思维导图,在这张图上我们可以看到组成手机硬件的有哪些,初步了解到手机管理平台为什么要那么多的管理框架和层次,从最底层理解Android设计者的设计意图,这个思维导图其实只是示意图。

我们知道手机这种嵌入式系统,硬件架构最简单描述的描述为:

应用处理器+Modem+射频

对于应用处理器而言,对设计者最为本质的描述为输入输出,而对于移动终端设备电源管理,连接机制,多媒体又是很重要的考虑环节,而这些环节都会在软件平台上有所体现。

4. 手机的软件形态

上节我给出了手机的硬件树,本节将给出手机软件形态树。主要突出手机软件涵盖的内容。通过该思维导图,我们可以看到手机软件所涉及到的方方面面,Android所涉及到的内容也不会超过下面所示太多,这个也是Andoid系统外特性空间所要展示的,这个也是Android设计者需要考虑管理的大部分内容,通过下面的整理,我们可以让我们的思维更加贴近Android设计意图,从而更深入的了解Android中各种组成的由来,这个就是前面讲到的分析思想之一从退到源头出发,从思考最终极的问题开始。

5. Android基本空间划分

Google给了我们一张系统架构图,在这张图上我们可以看到Android的大体框架组成。

从上图可以看到:Android Applications,Application Framework,Dalvik Virtual Machine,Linux。如果将Android泛化,我们可以将系统划分成两部分:

但是为了研究的方便我们先看最为本质的三层,上面是Android,中间叫Dalvik虚拟机,下面叫Linux。

虽然上两层都包含在Android中,但是为了理解的方便或者从实用主义出发,我还是将虚拟机这次给分开出来,因为我研究的对象是Android的手机系统相关部分,对于虚拟机我们不做太深入的研究。

e: pre;"> 从上面我们可以看到这个系统静态的划分成这样的三层。但是从动态运行逻辑上不是这样划分的,所以空间的划分是一个有趣的概念。我们从操作系统的角度看,Android就是一堆Linux应用的集合。从Linux角度看到的空间划分:进程空间和内核空间。从Android的应用对应着Linux的一个个进程。

Andoid中包含一个Java虚拟机,虚拟机是运行在Linux之上的,Android构建在JVM之上,从Android动态运行逻辑上我们需要将Android划分成Android空间和非Android空间。在Andoid系统中我们面对的是Andoid概念空间,而不是Linux进程了,在Andoid概念空间中已经没有了Lliux进程的概念,而是Service,proxy,Activity,provider等。

至于虚拟机JVM,我们只需要知道JVM是Dalvik VM(虚拟机)这是一个专为嵌入式设备打造的JAVA虚拟机,是一个有着自己的code-byte和格式的可以在嵌入式设备上高效运行的Java虚拟机。

为了研究的深入,我们还是需要涉及到JNI Native部分。在这个分类中我将JVM分为JVM空间和C++空间。

Android应用的开发者是工作在Android外特性概念空间的,这里没有了Linux的一点气息,Android构建的外特性空间概念包含了:Activity,Provider,Interface,Events,Provider,Service等。至于JVM空间和C++空间的划分是为了研究Android核心的描述而提出的,我们在做Android系统开发时,常常需要修改到JNI的Native部分。后面我将用较多的篇幅来深入阐述这个部分。

6. IPC框架分析(Binder,Service,Service manager)

我首先从宏观的角度观察Binder,Service,Service Manager,并阐述各自的概念。从Linux的概念空间中,Android的设计Activity托管在不同的的进程,Service也都是托管在不同的进程,不同进程间的Activity,Service之间要交换数据属于IPC。Binder就是为了Activity通讯而设计的一个轻量级的IPC框架。

在代码分析中,我发现Android中只是把Binder理解成进程间通讯的实现,有点狭隘,而是应该站在公共对象请求代理这个高度来理解Binder,Service的概念,这样我们就会看到不一样的格局,从这个高度来理解设计意图,我们才会对Android中的一些天才想法感到惊奇。从Android的外特性概念空间中,我们看不到进程的概念,而是Activity,Service,AIDL,INTENT。一般的如果我作为设计者,在我们的根深蒂固的想法中,这些都是如下的C/S架构,客户端和服务端直接通过Binder交互数据,打开Binder写入数据,通过Binder读取数据,通讯就可以完成了。

该注意到Android的概念中,Binder是一个很低层的概念,上面一层根本都看不到Binder,而是Activity跟一个Service的对象直接通过方法调用,获取服务。

这个就是Android提供给我们的外特性:在Android中,要完成某个操作,所需要做的就是请求某个有能力的服务对象去完成动作,而无需知道这个通讯是怎样工作的,以及服务在哪里。所以Andoid的IPC在本质上属于对象请求代理架构,Android的设计者用CORBA的概念将自己包装了一下,实现了一个微型的轻量级CORBA架构,这就是Andoid的IPC设计的意图所在,它并不是仅仅解决通讯,而是给出了一个架构,一种设计理念,这就是Android的闪光的地方。Android的Binder更多考虑了数据交换的便捷,并且只是解决本机的进程间的通讯,所以不像CORBA那样复杂,所以叫做轻量级。

所以要理解Android的IPC架构,就需要了解CORBA的架构。而CORBA的架构在本质上可以使用下面图来表示:

在服务端,多了一个代理器,更为抽象一点我们可以下图来表示。

分析和CORBA的大体理论架构,我给出下面的Android的对象代理结构。

在结构图中,我们可以较为清楚的把握Android的IPC包含了如下的概念:

设备上下文什(ContextObject)

设备上下文包含关于客服端,环境或者请求中没有作为参数传递个操作的上下文信息,应用程序开发者用ContextObject接口上定义的操作来创建和操作上下文。

Android代理:这个是指代理对象

Binder Linux内核提供的Binder通讯机制

Android的外特性空间是不需要知道服务在那里,只要通过代理对象完成请求,但是我们要探究Android是如何实现这个架构,首先要问的是在Client端要完成云服务端的通讯,首先应该知道服务在哪里?我们首先来看看Service Manger管理了那些数据。Service Manager提供了add service,check service两个重要的方法,并且维护了一个服务列表记录登记的服务名称和句柄。

Service manager service使用0来标识自己。并且在初始化的时候,通过binder设备使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR ioctl将自己变成了CONTEXT_MGR。Svclist中存储了服务的名字和Handle,这个Handle作为Client端发起请求时的目标地址。服务通过add_service方法将自己的名字和Binder标识handle登记在svclist中。而服务请求者,通过check_service方法,通过服务名字在service list中获取到service 相关联的Binder的标识handle,通过这个Handle作为请求包的目标地址发起请求。

我们理解了Service Manager的工作就是登记功能,现在再回到IPC上,客服端如何建立连接的?我们首先回到通讯的本质:IPC。从一般的概念来讲,Android设计者在Linux内核中设计了一个叫做Binder的设备文件,专门用来进行Android的数据交换。所有从数据流来看Java对象从Java的VM空间进入到C++空间进行了一次转换,并利用C++空间的函数将转换过的对象通过driver/binder设备传递到服务进程,从而完成进程间的IPC。这个过程可以用下图来表示。

这里数据流有几层转换过程。

(1) 从JVM空间传到c++空间,这个是靠JNI使用ENV来完成对象的映射过程。

(2) 从c++空间传入内核Binder设备,使用ProcessState类完成工作。

(3) Service从内核中Binder设备读取数据。

Android设计者需要利用面向对象的技术设计一个框架来屏蔽掉这个过程。要让上层概念空间中没有这些细节。Android设计者是怎样做的呢?我们通过c++空间代码分析,看到有如下空间概念包装(ProcessState@(ProcessState.cpp)

在ProcessState类中包含了通讯细节,利用open_binder打开Linux设备dev/binder,通过ioctrl建立的基本的通讯框架。利用上层传递下来的servicehandle来确定请求发送到那个Service。通过分析我终于明白了Bnbinder,BpBinder的命名含义,Bn-代表Native,而Bp代表Proxy。一旦理解到这个层次,ProcessState就容易弄明白了。

下面我们看JVM概念空间中对这些概念的包装。为了通篇理解设备上下文,我们需要将Android VM概念空间中的设备上下文和C++空间总的设备上下文连接起来进行研究。

为了在上层使用统一的接口,在JVM层面有两个东西。在Android中,为了简化管理框架,引入了ServiceManger这个服务。所有的服务都是从ServiceManager开始的,只用通过Service Manager获取到某个特定的服务标识构建代理IBinder。在Android的设计中利用Service Manager是默认的Handle为0,只要设置请求包的目标句柄为0,就是发给Service Manager这个Service的。在做服务请求时,Android建立一个新的Service Manager Proxy。Service Manager Proxy使用ContexObject作为Binder和Service Manager Service(服务端)进行通讯。

我们看到Android代码一般的获取Service建立本地代理的用法如下:

IXXX mIxxx=IXXXInterface.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("xxx"));

例如:使用输入法服务:

IInputMethodManager mImm=

IInputMethodManager.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("input_method"));

这些服务代理获取过程分解如下:

(1) 通过调用GetContextObject调用获取设备上下对象。注意在AndroidJVM概念空间的ContextObject只是 与Service Manger Service通讯的代理Binder有对应关系。这个跟c++概念空间的GetContextObject意义是不一样的。

注意看看关键的代码

BinderInternal.getContextObject() @BinderInteral.java

NATIVE JNI:getContextObject() @android_util_Binder.cpp

Android_util_getConextObject @android_util_Binder.cpp

ProcessState::self()->getCotextObject(0) @processState.cpp

getStrongProxyForHandle(0) @

NEW BpBinder(0)

注意ProcessState::self()->getCotextObject(0) @processtate.cpp,就是该函数在进程空间建立 了ProcessState对象,打开了Binder设备dev/binder,并且传递了参数0,这个0代表了与Service Manager这个服务绑定。

(2) 通过调用ServiceManager.asInterface(ContextObject)建立一个代理ServiceManger。

mRemote= ContextObject(Binder)

这样就建立起来ServiceManagerProxy通讯框架。

(3)客户端通过调用ServiceManager的getService的方法建立一个相关的代理Binder。

ServiceMangerProxy.remote.transact(GET_SERVICE)

IBinder=ret.ReadStrongBinder() -》这个就是JVM空间的代理Binder

JNI Navite: android_os_Parcel_readStrongBinder() @android_util_binder.cpp

Parcel->readStrongBinder() @pacel.cpp

unflatten_binder @pacel.cpp

getStrongProxyForHandle(flat_handle)

NEW BpBinder(flat_handle)-》这个就是底层c++空间新建的代理Binder。

整个建立过程可以使用如下的示意图来表示:

Activity为了建立一个IPC,需要建立两个连接:访问Servicemanager Service的连接,IXXX具体XXX Service的代理对象与XXXService的连接。这两个连接对应c++空间ProcessState中BpBinder。对IXXX的操作最后就是对BpBinder的操作。由于我们在写一个Service时,在一个Package中写了Service Native部分和Service Proxy部分,而Native和Proxy都实现相同的接口:IXXX Interface,但是一个在服务端,一个在客服端。客户端调用的方式是使用remote->transact方法向Service发出请求,而在服务端的OnTransact中则是处理这些请求。所以在Android Client空间就看到这个效果:只需要调用代理对象方法就达到了对远程服务的调用目的,实际上这个调用路径好长好长。

我们其实还一部分没有研究,就是同一个进程之间的对象传递与远程传递是区别的。同一个进程间专递服务地和对象,就没有代理BpBinder产生,而只是对象的直接应用了。应用程序并不知道数据是在同一进程间传递还是不同进程间传递,这个只有内核中的Binder知道,所以内核Binder驱动可以将Binder对象数据类型从BINDER_TYPE_BINDER修改为BINDER_TYPE_HANDLE或者BINDER_TYPE_WEAK_HANDLE作为引用传递。

7. Service详解

上一章我们分析了Android IPC架构,知道了Android服务构建的一些基本理念和原理,本章我们将深入分析Android的服务。Android体系架构中三种意义上服务:

Native服务

Android服务

Init空间的服务,主要是属性设置,这个IPC是利用Socket来完成的,这个我将在另外一章来讨论。

Navite服务,实际上就是指完全在C++空间完成的服务,主要是指系统一开始初始化,通过Init.rc脚本起来的服务,例如Service Manger service,Zygote service,Media service , ril_demon service等。

Android服务是指在JVM空间完成的服务,虽然也要使用Navite上的框架,但是服务主体存在于Android空间。Android是二阶段初始(Init2)初始化时建立的服务。

1 Service本质结构

我们还是从Service的根本意义分析入手,服务的本质就是响应客户端请求。要提供服务,就必须建立接收请求,处理请求,应答客服端的框架。我想在Android Service设计者也会无时不刻把这个服务本质框图挂在脑海中。从程序的角度,服务一定要存在一个闭合循环框架和请求处理框架

分析清楚服务框就必须弄清楚以下的机制及其构成。

(1)闭合循环结构放置在哪里?

(2)处理请求是如何分发和管理?

(3)处理框架是如何建立的?

(4)概念框架是如何建立的?

2 Service基本框架分析

Android设计中,Native Service和Android Service采用了同一个闭合循环框架。这个闭合循环框架放置在Native的C++空间中,,ProcessState@ProcessState.cpp 和IPCThreadState@IPCThreadState.cpp两个类完成了全部工作。

在服务框架中,ProcessState是公用的部分,这个公用部分最主要的框架就是闭合循环框架和接收到从Binder来的请求后的处理框架。我们将服务框架用ProcessSate来表示,简言之:

(1) addservice

(2) 建立闭合循环处理框架。

int main(int argc, char** argv)

{

sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());

addService(String16("xxx0"), new xxx0Service());

addService(String16("xxx1"), new xxx1Service());

ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();//闭合循环框架

}

2.1 Native Service

Native Service是在系统Init阶段通过Init.rc脚本建立的服务。

首先来看看一个例子mediaserver@main_mediaserver.cpp的建立过程。

int main(int argc, char** argv)

{

sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());

sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();

LOGI("ServiceManager: %p", sm.get());

AudioFlinger::instantiate();

MediaPlayerService::instantiate();

CameraService::instantiate();

AudioPolicyService::instantiate();

ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

}

我们将代码向下展开了一层,更能看到事物的本质。

int main(int argc, char** argv)

{

sp<ProcessState> proc(ProcessState::self());

sp<IServiceManager> sm = defaultServiceManager();

defaultServiceManager()->addService(String16("media.audio_flinger"), new AudioFlinger());

ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

}

(1)服务进程建立了ProcessState对象,并将给对象登记在进程的上下文中。

(2)建立一个新AudioFlinger对象,并将对象登记Service Manager Service中。

(3)开始就收请求,处理请求,应答这个循环闭合框架。

2.2 Android Service

Androids service是系统二阶段(Init2)初始化时建立的服务。

Android的所有服务循环框架都是建立SystemServer@(SystemServer.java)上。在SystemServer.java中看不到循环结构,只是可以看到建立了init2的实现函数,建立了一大堆服务,并AddService到service Manager。

main() @ com/android/server/SystemServer

{

init1();

}

Init1()是在Native空间实现的(com_andoird_server_systemServer.cpp)。我们一看这个函数就知道了,原来这个闭合循环处理框架在这里:

init1->system_init() @System_init.cpp

在system_init()我们看到了这个久违的循环闭合管理框架。

{

Call "com/android/server/SystemServer", "init2"

…..

ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

}

Init2()@SystemServer.java中建立了Android中所有要用到的服务:

Entropy Service

Power Manager

Activity Manager

Telephony Registry

Package Manager

Account Manager

Content Manager

System Content Providers

Battery Service

Hardware Service

Alarm Manager

Init Watchdog

Sensor Service

Window Manager

Bluetooth Service

statusbar

Clipboard Service

Input Method Service

NetStat Service

Connectivity Service

Accessibility Manager

Notification Manager

Mount Service

Device Storage Monitor

Location Manager

Search Service

Checkin Service

Wallpaper Service

Audio Service

Headset Observer

Backup Service

AppWidget Service

3 ProcessState和IPCThreadState

从宏观来讲,PocessState及其IPCThreadState处于IPC与内核打交道包装层。前面的章节已经提到,下面我将更详细的分析。有关IPC的c++空间的实现都是从ProcessState这个对象完成的。

我们可以得出如下的结论:不管JVM的Binder做了多么复杂的操作,最终还是需要利用ProcessState 这个c++空间的对象把数据传递给Binder Driver,接收数据也是通过ProcessState这个对象完成,ProcessState是所有Binder IPC必经的通道。

ProcessState放置在全局变量gProcess中,每个进程只有一个ProcessState对象,负责打开Binder设备驱动,建立线程池等。而IPCThreadState每个线程有一个,IPCThreadState实例登记在Linux线程程的上下文附属数据中,主要负责Binder数据读取,写入和请求处理框架。IPCThreadSate在构造的时候,获取进程的ProcessSate并记录在自己的成员变量mProcess中,通过mProcess可以获取到Binder的句柄。

3.1 ProcessState的生命周期

既然ProcessState是Binder通讯的基础,那么Process必须在Binder通讯之前建立。客户端,服务端都必须建立。由于现在重点讨论服务端,所以重心放置在服务端。在Android体系中有c++空间的服务,JVM空间的服务,这两类服务在本质上相同的,只是形式上不同,由于他们都是建立在ProcessState这个基础上,所以在形式上不同就仅仅表现在对OnTransact的回调处理的不同。

Native Service

我们直接可以看到使用sp<ProcessState> proc(ProcessState::self()),建立建立ProcessState,一旦调用ProcessState就建立了,并且这个self将ProcessSate登记在全局变量中。

Android Service

建立Android Service服务system_init @System_init.cpp中我们可以看到相同的结构。有一点不同的是所有的Android Service都运行在一个进程中:systemsever进程。

3.2 Binder Driver包装 @IPCThreadState

ProcessSate构造的时候,使用open_binder打开/driver/binder,并将句柄记录在mDriverFD,在ProcessState中并不使用这个句柄,真正使用这个Binder设备句柄的是IPCThreadState,所有关于Binder的操作放置在IPCThreadState中:

(1)读取/写入:talkWithDriver()@IPCThreadState对ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr)进行包装。

(2)请求处理:executeCommand(...)@ IPCThreadState

(3)循环结构:joinThreadPool()

joinThreadPool()

{

While(1){

talkWithDriver(...)

...

executeCommand(...)

}

}

8. Android启动过程详解

Android从Linux系统启动有4个步骤;

(1) init进程启动

(2) Native服务启动

(3) System Server,Android服务启动

(4) Home启动

总体启动框架图如:

第一步:initial进程(system/core/init)

init进程,它是一个由内核启动的用户级进程。内核自行启动(已经被载入内存,开始运行,并已初始化所有的设备驱动程序和数据结构等)之后,就通过启动一个用户级程序init的方式,完成引导进程。init始终是第一个进程.

Init.rc

Init.marvell.rc

Init进程一起来就根据init.rc和init.xxx.rc脚本文件建立了几个基本的服务:

servicemanamger

zygote

。。。

最后Init并不退出,而是担当起property service的功能。

1.1脚本文件

init@System/Core/Init

Init.c: parse_config_file(Init.rc)

@parse_config_file(Init.marvel.rc)

解析脚本文件:Init.rc和Init.xxxx.rc(硬件平台相关)

Init.rc是Android自己规定的初始化脚本(Android Init Language, System/Core/Init/readme.txt)

该脚本包含四个类型的声明:

Actions

Commands

Services

Options.

1.2 服务启动机制

我们来看看Init是这样解析.rc文件开启服务的。

(1)打开.rc文件,解析文件内容@ system/core/init/init.c

将service信息放置到service_list中。@ system/core/init parser.c

(2)restart_service()@ system/core/init/init.c

service_start

execve(…).建立service进程。

第二步 Zygote

Servicemanager和zygote进程就奠定了Android的基础。Zygote这个进程起来才会建立起真正的Android运行空间,初始化建立的Service都是Navtive service.在.rc脚本文件中zygote的描述:

service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server

所以Zygote从main(…)@frameworks/base/cmds/app_main.cpp开始。

(1) main(…)@frameworks/base/cmds/app_main.cpp

建立Java Runtime

runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit", startSystemServer);

(2) runtime.start@AndroidRuntime.cpp

建立虚拟机

运行:com.android.internal.os.ZygoteInit:main函数。

(3)main()@com.android.internal.os.ZygoteInit//正真的Zygote。

registerZygoteSocket();//登记Listen端口

startSystemServer();

进入Zygote服务框架。

经过这几个步骤,Zygote就建立好了,利用Socket通讯,接收ActivityManangerService的请求,Fork应用程序。

第三步 System Server

startSystemServer@com.android.internal.os.ZygoteInit在Zygote上fork了一个进程: com.android.server.SystemServer.于是SystemServer@(SystemServer.java)就建立了。Android的所有服务循环框架都是建立SystemServer@(SystemServer.java)上。在SystemServer.java中看不到循环结构,只是可以看到建立了init2的实现函数,建立了一大堆服务,并AddService到service Manager。

main() @ com/android/server/SystemServer

{

init1();

}

Init1()是在Native空间实现的(com_andoird_server_systemServer.cpp)。我们一看这个函数就知道了,init1->system_init() @System_init.cpp

在system_init()我们看到了循环闭合管理框架。

{

Call "com/android/server/SystemServer", "init2"

…..

ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

}

init2()@SystemServer.java中建立了Android中所有要用到的服务。

这个init2()建立了一个线程,来New Service和AddService来建立服务

第三步 Home启动

在ServerThread@SystemServer.java后半段,我们可以看到系统在启动完所有的Android服务后,做了这样一些动作:

(1) 使用xxx.systemReady()通知各个服务,系统已经就绪。

(2) 特别对于ActivityManagerService.systemReady(回调)

Widget.wallpaper,imm(输入法)等ready通知。

Home就是在ActivityManagerService.systemReady()通知的过程中建立的。下面是ActivityManagerService.systemReady()的伪代码:

systemReady()@ActivityManagerService.java

resumeTopActivityLocked()

startHomeActivityLocked();//如果是第一个则启动HomeActivity。

startActivityLocked(。。。)CATEGORY_HOME

9. Zygote Service详解

在本章我们会接触到这两个单词:

Zygote [生物] 受精卵, 接合子, 接合体

Spawn:产卵

通过这两个单词,我们就可以大体知道Zygote是干什么的了,就是叫老母鸡下蛋。通过“Zygote”产出不同的子“Zygote”。从大的架构上讲,Zygote是一个简单的典型C/S结构。其他进程作为一个客服端向Zygote发出”孵化”请求,Zygote接收到命令就“孵化”出一个Activity进程来。

Zygote系统代码组成及其调用结构:

Zygote.java

提供访问Dalvik “zygote”的接口。主要是包装Linux系统的Fork,以建立一个新的VM实例进程。

ZygoteConnection.java

Zygote的套接口连接管理及其参数解析。其他Actvitiy建立进程请求是通过套接口发送命令参数给Zygote。

ZygoteInit.java

Zygote的main函数入口。

Zygote系统代码层次调用

main()

startSystemServer()…

runSelectLoopMode()

Accept socket connection

Conntecion.RunOnce()

Read argument

folkAndSpecialize

folkAndSpecialize使用Native函数Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkAndSpecialize

//native 的获取

dalvik/vm/native

//dalvik_system_Zygote.c

const DalvikNativeMethod dvm_dalvik_system_Zygote[] = {

{ "fork", "()I",

Dalvik_dalvik_system_Zygote_fork },

{ "forkAndSpecialize", "(II[II[[I)I",

Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkAndSpecialize },

{ "forkSystemServer", "(II[II[[I)I",

Dalvik_dalvik_system_Zygote_forkSystemServer },

{ NULL, NULL, NULL },

};

在这里我们就有了Zygote服务的全貌理解,也在Code中印证了。【应yk_hu0621修正】{由于Android中没有具体应用程序的入口,都是通过启动Actvity来启动相关的Android应用,而这个 Android应用则对应着Linux进程,Activity便Host在这个应用程序上。}

{原文:Activity在本质上是个什么东西,就是一个Linux进程}

从分析中我们可以看到,Android使用了Linux的fork机制。在Linux中Fork是很高效的。

一个Android的应用实际上一个Linux进程,所谓进程具备下面几个要素,

a.要有一段程序供该进程运行,程序是可以被多个进程共享的。

b..进程专用的系统堆栈空间。

c.进程控制块,在linux中具体实现是task_struct

d.有独立的存储空间。

fork 创造的子进程复制了父亲进程的资源,包括内存的内容task_struct内容,在复制过程中,子进程复制了父进程的task_struct,系统堆栈空间和页面表,而当子进程改变了父进程的变量时候,会通过copy_on_write的手段为所涉及的页面建立一个新的副本。所以只有子进程有改变变量时,子进程才新建了一个页面复制原来页面的内容,基本资源的复制是必须的,整体看上去就像是父进程的独立存储空间也复制了一遍。

再看看下面Google在讲解Dalvik虚拟机的图片,我们就大体有了Android系统中Actvitiy的实际映射状态有了基本的认识。

10.Android GWES基本原理篇

我这里的GWES这个术语实际上从Microsoft 的Window上移植过来的,用GWES来表示Android的窗口事件系统不是那么准确,在Android中Window是个弱化了的概念,更多的表现在View这个概念上。在很大程度上,Android的View的概念可以代替Microsoft Window这个概念,有点和Microsof暗中较劲的意味,你用过的概念我就偏不用,这个也是我以为的设计者意图。

原始GUI基本框架

首先我们从Android的SDK外特性空间开始,在编写Actvitiy时,我们都是面对的处理函数:OnXXXX(),例如有按键按下就是OnKeyDown等,在这个过程中系统做了怎样的处理?要详细的理解这个过程,我们就需要理解Andoid的View管理,窗口系统,消息系统和输入系统。我们还是从最本质的地方开始,Android作为一种嵌入式的图形用户界面系统,它的基本原理与一般GUI的原理是相同的,同时也是遵循GWES(图形窗口事件系统)的一般规律,总体上Android就是管理用户输入和系统屏幕输出的一个系统。其实GWES这个名称更能体现GUI的基本实质要素:图形、窗口、事件。

1. 一般GUI的基本组成

GUI的实现就是对上面提到的三个基本要素的管理,根据这这三个要素的特性及其涉及的范围,GUI在总体上可以分为三部分:

事件管理器

窗口管理器

GDI(绘制与GDI逻辑对象管理)

(1) 事件管理器

收集系统消息,转换并分发系统消息和用户消息给各个窗口对象。

消息队列管理

(2)窗口管理器:

管理窗口的创建,销毁

窗口的绘制

活动窗口,输入焦点的切换

窗口间关系的管理

控件,菜单实现

(3)GDI

上下文设备管理

上下文设备对象管理:字体,画笔等

图形绘制:点、线,填充等

图象操作:位传送、位图操作

2 系统体系构架及其数据流的大体走向

在本质上GUI就是管理用户输入和屏幕输出,我们从上面的体系结构可以看到GUI的这两大数据流的基本流向,这也决定了Android GWES设计的最基本的着眼点。

Android弱化了窗口的概念,着重使用View的概念。所以Android的基本组成可以从上面的图修改成如下的组成:

11.Android GWES消息系统篇

我们要理解Android的消息系统,Looper,Handle,View等概念还是需要从消息系统的基本原理及其构造这个源头开始。从这个源头,我们才能很清楚的看到Android设计者设计消息系统之意图及其设计的技术路线。

消息系统的基本原理

从一般的系统设计来讲,一个消息循环系统的建立需要有以下几个要素:

消息队列

发送消息

消息读取

消息分发

消息循环线程

首先来研究一下消息驱动的基本模型,我使用如下的图形来表示一个消息系统最基本构成:

上面的模型代表应用程序一直查询自己的消息队列,如果有有消息进来,应用消息处理函数中根据消息类型及其参数来作相应的处理。

消息系统要运作起来,必定有消息的产生和消费。我们可以从下图看到消息生产和消费的一个基本的链条,这是一个最基本的,最简单的消息系统。

生产线程将消息发送到消息队列,消息消费者线程从消息队列取出消息进行相应的处理。但是这样简单的模型对实际运行的系统来说是不够的,例如对系统资源的消耗等不能很好的处理,我们就需要一个有旗语的消息系统模型,在上面的消息系统模型中加入了一个旗语,让消息消费者线程在没有消息队列为空时,等待旗语,进入到挂起状态,而有消息到达时,才被唤醒继续运行。当然生产者同时也可以是消费者。

2 Android的消息模型

Android要建立一个消息系统使用了Looper,MessageQueue,Handler等概念,从上节的原理我们可以知道这些都是概念包装,本质的东西就是消息队列中消息的分发路径的和消息分发处理方式的设计。Android巧妙的利用了对象抽象技术抽象出了Looper和Handler的概念。在Looper和Handler两个概念的基础上,通过View的处理函数框架,Android十分完美的达到消息分发的目的。

参照基本消息系统描述模型,我给出了Android消息系统整体框架,表示如下:

Android消息系统消息分发框架

3 Looper,Handler详解

Looper只是产生一个消息循环框架,首先Looper创建了消息队列并把它挂接在Linux的线程上下文中,进入到取消息,并分发消息的循环当中。Handler对象在同一个线程上下文中取得消息队列,对消息队列进行封装操作,最主要的就是SendMessage和担当起dispatchMessage这个实际工作。外部系统需要向某个Android线程发送消息,必须通过属于该AndroidThread的Handler这个对象进行。

Handler属于某个线程,取决Handlerd对象在哪个线程中建立。Handler在构建时做了如下的默认动作:

从线程上下文取得Looper。

通过Looper获取到消息队列并记录在自己的成员mQueue变量中

Handler使用消息队列进行对象封装,提供如下的成员函数:

通过 post(Runnable r)发送。Runnable是消息处理的回调函数,通过该消息的发送,引起Runable 的回调运行,Post消息放置消息队列的前面。Message.callback=Runable.

通过 sendMessage发送。放置在所有的Post消息之后,sendMessage发送消息.

dispatchMessage分发消息。消息带有回调函数,则执行消息回调函数,如何没有则使用默认处理函数:handleMessage。而handleMessage往往被重载成某个继承Handler对象的新的特定的handleMessage。

几乎所有的Message发送时,都指定了target。Message.target=(this).

Looper运行在Activity何处?我们现在可以从代码堆栈中纵观一下Looper的位置。

NaiveStart.main()

ZygoteInit.main

ZygoteInit$MethodAndArgsCall.run

Method.Invoke

method.invokeNative

ActivityThread.main()

Looper.loop()

ViewRoot$RootHandler().dispatch()

handleMessage

....

这样我们就更清楚的了解到Looper的运行位置。


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