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Android零基础入门第2节:Android 系统架构和应用组件那些事

鑫鱻
 鑫鱻
发布于 2017/07/13 17:01
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 继上一期浅谈了Android的前世今生,这一期一起来大致回顾一下Android 系统架构和应用组件。

 

一、Android 系统架构

Android系统的底层建立在Linux系统之上,该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件4层组成,它采用一种被称为软件叠层(Software Stack)的方式进行构建。这种软件叠层结构使得层与层之间相互分离,明确各层的分工。这种分工保证了层与层之间的低耦合,当下层的层内或层下发生改变时,上层应用程序无须任何改变。

Android的系统架构和其他操作系统一样,采用了分层的架构。从架构图看,Android分为四个层,从高层到低层分别是应用程序层(Applications)、应用程序框架层(Application Framework )、系统运行库层(Libraries和Android Runtime)和Linux内核层(Linux Kernel),如下图所示:

01 应用程序层

应用程序层是一个核心应用程序的集合,所有安装在手机上的应用程序都属于这一层。该层不仅包括系统内置的应用也包括用户自己安装的应用,例如email 客户端,SMS 短消息程序,日历,地图,浏览器,联系人管理程序,QQ,微信,淘宝,美团等。

该层所有的应用程序都是使用Java 语言编写的,这也是本次主要总结整理的内容。

02 应用程序框架层

开发人员也可以完全访问核心应用程序所使用的API框架。该应用程序的架构设计简化了组件的重用,任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块(不过得遵循框架的安全性)。同样,该应用程序重用机制也使用户可以方便的替换程序组件。

隐藏在每个应用后面的是一系列的服务和系统,其中包括:

1)丰富而又可扩展的视图(Views),可以用来构建应用程序, 它包括列表(List)、网格(Grid)、文本框(Text)、按钮(Button), 甚至可嵌入web浏览器。

2)内容提供者(Content Providers),使得应用程序可以访问另一个应用程序的数据(如联系人数据库),或者共享它们自己的数据。

3)资源管理器(Resource Manager),提供非代码资源的访问,如本地字符串、图形、和布局文件(Layout files )。

4)通知管理器 (Notification Manager),使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息。

5)活动管理器(Activity Manager),用来管理应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能。

应用程序框架除了可作为应用程序开发的基础之外,也是软件复用的重要手段,任何一个应用程序都可发布它的功能模块——只要发布时遵守了框架的约定,那么其他应用程序就可使用这个功能模块。

03 系统运行库层

系统运行库层包含了系统库及Android运行时。

系统库

Android包含一套被不同组件所使用的C/C++库的集合。一般来说,Android应用开发者不能直接调用这套C/C++库集,但可以通过它上面的应用程序框架来调用这些库。

下面列出一些核心库:

1)系统C库:一个从BSD系统派生出来的标准C系统库(libc),并且专门为嵌入式 Linux设备调整过。

2)媒体库:基于PacketVideo的OpenCORE,这套媒体库支持播放和录制许多流行的音 频和视频格式,以及查看静态图片。主要包括MPEG4、H.264、MP3、AAC、AMR、JPG、PNG等多媒体格式。

3)Surface Manager:管理对显示子系统的访问,并可以对多个应用程序的2D和3D图 层提供无缝整合。

4)LibWebCore:一个全新的Web浏览器引擎,该引擎为Android浏览器提供支持,也为WebView提供支持,WebView完全可以嵌入开发者自己的应用程序中。

5)SQLite:供所有应用程序使用的功能强大的轻量级关系数据库。

6)OpenGL ES:该库可以使用硬件3D加速(如果可用)或者使用高度优化的3D软加速。

7)FreeType:位图(Bitmap)和矢量(Vector)字体显示。

8)SGL:底层的2D 图形引擎。

Android运行时(Android Runtime)

Android运行时由两部分组成:Android核心库集和ART。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,而虚拟机则负责运行Android应用程序。

Android 5.0以前的Android运行时由Dalvik虚拟机和Android核心库集组成,但由于Dalvik 虚拟机采用了一种被称为JIT (Just-in-time)的解释器进行动态编译并执行,因此导致Android App运行时比较慢;而ART模式则是在用户安装App时进行预编译(Ahead-of-time,简称AOT)的,将原本在程序运行时的编译动作提前到应用安装时,这样使得程序在运行时可以减少动态 编译的开销,从而提升Android App的运行效率。

反过来,由于ART需要在安装App时进行AOT处理,因此ART需要占用更多的存储空 间,应用安装和系统启动时间会延长不少。

除此之外,ART还支持ARM、x86和MIPS架构,并且能完全兼容64位系统,Android必然会带来更好的用户体验。

04 Linux内核层

Android系统主要基于Linux2.6内核开发,Linux内核层为Android设备的各种硬件提供了底层的驱动,如显示驱动、音频驱动、照相机驱动、蓝牙驱动、电源管理驱动等。

Linux 内核也同时作为硬件和软件栈之间的抽象层。

 

二、Dalvik虚拟机和ART模式

01 Dalvik虚拟机

通过JavaSE部分的学习,我们知道JavaSE 程序使用的虚拟机叫Java Virtual Machine,简称JVM。而Android 应用虽然使用Java 语言开发,但是使用的虚拟就是Dalvik Virtual Machine,简称DVM。

Dalvik是Google公司自己设计的用于Android平台的虚拟机,它可以简单地完成进程隔离和线程管理,并且可以提高内存的使用效率。每一个Android应用程序在底层都会对应一个独立的Dalvik虚拟机实例,其代码在虚拟机的解析下得以执行。Dalvik 经过优化,允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例,并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。

很多人都认为Dalvik虚拟机是一个Java虚拟机,因为Android开发的编程语言恰恰是 Java语目,但是这种说法并不准确。Dalvlk虚拟机并不是按照Java虚拟机的规范来实现的,两者不兼容,而且也有很多不同之处。下面通过一个图来进行对比说明,如下图所示。

从上图可以看出,Java虚拟机和Dalvik虚拟机主要有两大区别:一是它们编译后的文件不同;二是它们基于的架构不同。具体如下:

 编译后的文件不同

Java虚拟机运行的是.class字节码文件,而Dalvik虚拟机运行的则是其专有的.dex文件。 在Java程序中Java类会被翻译成一个或者多个字节码文件(.class )然后打包到.jar文件,之后Java虚拟机会从相应的.class文件和.jar文件中获取相应的字节码。Android程序虽然也是使用Java语言进行编程,但是在翻译成.class文件后,还会通过工具将所有的.class文件转换成一个.dex文件,然后Dalvik虚拟机从其中读取指令和数据,最后的.odex是为了在运行过程中进一步提高性能而对.dex文件进行的进一步优化,能加快软件的加载速度和开启速度。

 基于的架构不同

Java虚拟机是基于栈的架构,大家知道,栈是一个连续的内存空间,取出和存人的速度比较慢;而Dalvik基于寄存器的架构,寄存器是CPU上的一块缓存,寄存器的存取速度要比从内存中存取的速度快很多,这样就可以根据硬件最大限度地优化设备,更适合移动设备的使用。

需要说明的是,Android系统下的Dalvik虚拟机默认给每一个应用程序最多分配16 MB 内存,如果Android加载的资源超过这个值,就会报出OutOfMemoryError异常,因此一定要注意这个问题。

02 ART模式

ART模式英文全称为Android Runtime,是谷歌Android 4.4系统新增的一种用运行模式。与传统的Dalvik模式不同,ART模式可以实现更为流畅的安卓系统体验,只有在Android 4.4以上系统中采用此模式。

在4.4 系统之前,Android 系统在Linux 的底层下构筑Dalvik 一层的虚拟机,通过其可以更好适应多样的硬件架构,开发者只需要按一套规则进行应用便可,无需因为不同的硬件架构而处理与底层的驱动关系,从而大大提高开发的效率,但因为应用均是运行在Dalvik 虚拟机中,因此应用程序每次运行的时候,一部分代码都需要重新进行编译,这过程需要消耗一定的时间和降低应用的执行效率,最明显的便是拖延了应用的启动时间和降低了运行速度。

ART 模式最大的作用就是提升了Android 系统流畅度,相比Dalvik 模式中出现的耗电快、占用内存大、即使是旗舰机用久了也会卡顿严重等现象,ART 模式中这种问题得到了很好的解决,通过在安装应用程序时,自动对程序进行代码预读取编译,让程序直接编译成机器语言,免去了Dalvik 模式要时时转换代码,实现高效率、省电、占用更低的系统内存、手机运行流畅。

 

三、Android应用组件

Android四大组件分别是:

活动(Activity): 用于表现功能。

服务(Service): 后台运行服务,不提供界面呈现。

广播接收器(BroadcastReceiver):用于接收广播。

内容提供者(Content Provider): 支持在多个应用中存储和读取数据,相当于数据库。

01 Activity

Android中,Activity是所有程序的根本,所有程序的流程都运行在Activity之中,Activity可以算是开发者遇到的最频繁,也是Android 当中最基本的模块之一。在Android的程序当中,Activity 一般代表手机屏幕的一屏。如果把手机比作一个浏览器,那么Activity就相当于一个网页。在Activity当中可以添加一些Button、Check box等控件。可以看到Activity概念和网页的概念相当类似。

一般一个Android 应用是由多个Activity 组成的。这多个Activity之间可以进行相互跳转,例如,按下一个Button按钮后,可能会跳转到其他的Activity。和网页跳转稍微有些不一样的是,Activity 之间的跳转有可能返回值,例如,从Activity A 跳转到Activity B,那么当Activity B运行结束的时候,有可能会给Activity A一个返回值。这样做在很多时候是相当方便的。

当打开一个新的屏幕时,之前一个屏幕会被置为暂停状态,并且压入历史堆栈中。用户可以通过回退操作返回到以前打开过的屏幕。可以选择性的移除一些没有必要保留的屏幕,因为Android会把每个应用的开始到当前的每个屏幕保存在堆栈中。

02 Service

Service 是android 系统中的一种组件,它跟Activity 的级别差不多,但是他不能自己运行,只能后台运行,并且可以和其他组件进行交互。Service 是没有界面的长生命周期的代码。Service是一种程序,它可以运行很长时间,但是它却没有用户界面。

这么说有点枯燥,来看个例子。打开一个音乐播放器的程序,这个时候若想上网了,那么,打开Android浏览器,这个时候虽然已经进入了浏览器这个程序,但是,歌曲播放并没有停止,而是在后台继续一首接着一首的播放。其实这个播放就是由播放音乐的Service进行控制。当然这个播放音乐的Service也可以停止,例如,当播放列表里边的歌曲都结束,或者用户按下了停止音乐播放的快捷键等。

Service 可以在和多场合的应用中使用,比如播放多媒体的时候用户启动了其他Activity这个时候程序要在后台继续播放,比如检测SD 卡上文件的变化,再或者在后台记录地理信息位置的改变等等,总之服务嘛,总是藏在后头的。

03 BroadcastReceiver

在Android 中,Broadcast是一种广泛运用的在应用程序之间传输信息的机制。而BroadcastReceiver 是对发送出来的Broadcast进行过滤接受并响应的一类组件。可以使用BroadcastReceiver 来让应用对一个外部的事件做出响应。

这是非常有意思的,例如,当电话呼入这个外部事件到来的时候,可以利用BroadcastReceiver 进行处理。例如,当下载一个程序成功完成的时候,仍然可以利用BroadcastReceiver 进行处理。BroadcastReceiver不能生成UI,也就是说对于用户来说不是透明的,用户是看不到的。BroadcastReceiver通过NotificationManager 来通知用户这些事情发生了。BroadcastReceiver 既可以在AndroidManifest.xml 中注册,也可以在运行时的代码中使用Context.registerReceiver()进行注册。只要是注册了,当事件来临的时候,即使程序没有启动,系统也在需要的时候启动程序。各种应用还可以通过使用Context.sendBroadcast() 将它们自己的Intent Broadcasts广播给其他应用程序。

04 Content Provider

Content Provider 是Android提供的第三方应用数据的访问方案。

在Android中,对数据的保护是很严密的,除了放在SD卡中的数据,一个应用所持有的数据库、文件等内容,都是不允许其他直接访问的。Android当然不会真的把每个应用都做成一座孤岛,它为所有应用都准备了一扇窗,这就是Content Provider。应用想对外提供的数据,可以通过派生Content Provider类, 封装成一枚Content Provider,每个Content Provider都用一个uri作为独立的标识,形如:content://com.xxxxx。所有东西看着像REST的样子,但实际上,它比REST 更为灵活。和REST类似,uri也可以有两种类型,一种是带id的,另一种是列表的,但实现者不需要按照这个模式来做,给id的uri也可以返回列表类型的数据,只要调用者明白,就无妨,不用苛求所谓的REST。

 

今天就先到这里,下一期将初步总结分享Android环境搭建,如果有问题欢迎留言一起探讨,共同成长!

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