1.2　Android系统架构与特性

Android是什么？就像Android开源和兼容性技术负责人Dan Morrill在Android开发手册兼容性部分所解释的，“Android并不是传统的Linux风格的一个规范或分发版本，也不是一系列可重用的组件集成，Android是一个用于连接设备的软件块。”Android是一个软件系统，用于连接设备，并不是大家平时所说的操作系统。

1.2.1　Android系统架构

Android的系统架构和其他操作系统一样，采用了分层的架构。从图1-1所示的架构图看，Android分为4层，从高层到低层分别是应用程序层（Application）、应用程序框架层（Application Framework）、系统运行库层（Libraries）和Linux内核层（Linux Kernel）。Android操作系统可以在4个主要层面上分为5部分。

1．应用程序层

Android系统包含了一系列核心应用程序，包括电子邮件、短信SMS、日历、拨号器、地图、浏览器、联系人等。这些应用程序都是用Java语言编写的。本书重点讲解如何编写Android系统上运行的应用程序，在程序分层上，与系统核心应用程序平级。

2．应用程序框架层

Android应用程序框架提供了大量的API，以供开发人员使用。Android应用程序的开发就是调用这些API，根据需求实现功能。

应用程序框架是应用程序的基础。为了软件的复用，任何一个应用程序都可以开发Android系统的功能模块，只要发布的时候遵循应用程序框架的规范，其他应用程序也可以使用这个功能模块。

3．系统运行库层

Android系统运行库是用C/C++语言编写的，是一套被不同组件所使用的函数库组成的集合。一般来说，Android应用开发者无法直接调用这套函数库，都是通过上层的应用程序框架提供的API来对这些函数库进行调用。

下面对一些核心库进行简单的介绍。

• Libc：从BSD系统派生出来的标准C系统库，在标准C系统库基础之上为便携式Linux系统专门进行了调整。

• Medio Framework：基于PacketView的OpenCORE，这套媒体库支持播放与录制硬盘及视频格式的文件，并能查看静态图片。

• Surface Manager：在执行多个应用程序时，负责管理显示与存取操作间的互动，同时负责2D绘图与3D绘图进行显示合成。

• WebKit：Web浏览器引擎，为Android浏览器提供支持。

• SGL：底层的2D图像引擎。

• 3D libraries：基于OpenGL ES 1.0 API，提供使用软硬件实现3D加速的功能。

• FreeType：提供位图和向量字体的支持。

• SQLite：轻量级的关系型数据库。

4．Android运行时

Android运行时由两部分完成：Android核心库和Dalvik虚拟机。其中核心库集提供了Java语言核心库所能使用的绝大部分功能，Dalvik虚拟机负责运行Android应用程序。

虽然Android应用程序通过Java语言编写，并且每个Java程序都会在Java虚拟机JVM内运行，但是Android系统毕竟是运行在移动设备上的，由于硬件的限制，Android应用程序并不使用Java的虚拟机JVM来运行，而是使用自己独立的虚拟机Dalvik VM（针对多个同时高效运行的虚拟机进行了优化）。每个Android应用程序都运行在单独的一个Dalvik虚拟机内，因此Android系统可以方便地对应用程序进行隔离。

5．Linux内核

Android系统是基于Linux 2.6之上建立的操作系统。Linux内核为Android系统提供了安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈、驱动模型等核心系统服务。Linux内核帮助Android系统实现了底层硬件与上层软件之间的抽象。

1.2.2　Dalvik VM和JVM的区别

JVM（Java虚拟机）是一个虚构出来的运行Java程序的运行时，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能的实现。它具有完善的硬件架构（如处理器、堆栈、寄存器等），还具有相应的指令系统，使用JVM就是使Java程序支持与操作系统无关。理论上在任何操作系统中，只要有对应的JVM，即可运行Java程序。

Dalvik VM是在Android系统上运行Android程序的虚拟机，其指令集是基于寄存器架构的，执行特有的文件格式-dex字节码来完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全异常管理、垃圾回收等重要功能。

由于Android应用程序的开发编程语言是Java，而Java程序运行在JVM（Java虚拟机）上，因此有些人会混淆Android的虚拟机Dalvik VM和JVM，但是实际上Dalvik并未遵守JVM规范，而且两者也是互不兼容。

Dalvik VM和JVM的编译过程如下：

• JVM：.java→.class→.jar

• Dalvik VM：.java→.class→.dex

从它们的编译过程可以看出，JVM运行的是.class文件的Java字节码，但是Dalvik VM运行的是其转换后的dex（Dalvik Executable）文件。JVM字节从.class文件或者JAR包中加载字节码然后运行，而Dalvik VM无法直接从.class文件或JAR包中加载字节码，需要通过DX工具将应用程序所有的.class文件编译成一个.dex文件后再运行。

如图1-2显示了Dalvik VM与JVM编译过程的区别。

从图1-2中可以看出，Dalvik VM把.java文件编译成.class后会对.class进行重构，整合基本元素（常量池、类定义、数据段），最后压缩写进一个.dex文件中。其中，常量池描述了所有的常量，包括引用、方法名、数值常量等；类定义包括访问标识、类名等基本信息；数据段中包含各种被VM指定的方法代码以及类和方法的相关信息和实例变量。这种把多个.class文件进行整合的方法大大提高了Android程序的运行速度，例如应用程序中多个类定义了字符串常量TAG，而在JVM中会编译成多个.class文件，每个.class文件的常量池中均包含这个TAG常量，但是Dalvik VM在编译成.dex文件之后，其常量池里只有一个TAG常量。

JVM和Dalvik VM还有一点非常重要的差异，就是基于的架构不同。JVM是基于栈的架构，而Dalvik VM是基于寄存器的架构。相对于基于栈的JVM而言，基于寄存器的Dalvik VM实现虽然牺牲了一些硬件上的通用性，但是在代码的执行效率上要更胜一筹。一般来讲，VM中指令的解释执行时间主要花费在以下3个方面：

• 分发指令。

• 访问运算数。

• 执行运算。

其中，分发指令这个环节对性能的影响最大。在基于寄存器的Dalvik VM中可以更有效地减少冗余指令的分发，减少内存的读写访问。

从JVM和Dalvik VM的区别上来说，Dalvik VM主要是针对Android这个嵌入式操作系统的特点进行各种优化，使其更省电、更省内存、运行效率更高，但是牺牲了一些JVM与平台无关的特性。实际上，Dalvik VM本身就是为Android设计的，无须考虑其他平台的问题。这里只介绍JVM和Dalvik VM的两个重要区别，因为本书并不是讲解Android内核的，所以只点明了Dalvik VM的特点。读者对这部分的内容了解即可。

1.2.3　Android系统平台的优势

Android系统相对于其他操作系统，有如下几点优势。

1．开放性

首先就是Android系统的开放性，其开发平台允许任何移动终端厂商加入Android联盟，降低了开发门槛，使其拥有更多的开发者，随着用户和应用的日益丰富，也将推进Android系统的成熟。同时，开放性有利于Android设备的普及以及市场竞争力，有利于消费者买到更低价位的Android设备。

2．丰富的硬件选择

同样由于Android系统的开放性，众多硬件厂商可以推出各种搭载Android系统的设备。现如今，Android系统不仅仅运行在手机上，越来越多的设备开始支持Android系统，如电视、可佩戴设备、数码相机等。

3．便于开发

Google开放了Android的系统源码，给开发者提供了一个自由的开发环境，不必受到各种条条框框的束缚。

4．Google服务的支持

Google公司作为一个做服务的公司，提供了地图、邮件、搜索等服务。Android系统可以对这些服务进行无缝结合。