Android平台软件架构设计

1、Android平台软件架构设计谷歌（Google）的Android是针对便携设备所提出的软件平台（Platform）,更具体说是一个软件迭层（SoftwareStack）,若软硬件商均支持与遵循此平台规范，则可以达到软硬件高度分离、分立的理想，即软件商所开发的应用程序可以在各种支持Android的硬件上执行，达到与爪哇（Java）程序语言相同的原初理想：程序撰写一次后，可以在各种硬件上执行，达到最精省的程序心力开发，同时让程序的潜在执行机会达最大化。虽然Java已相当适合，然却有开放性及版权顾虑，因此Google才决议推行Android。Android的目标应用Android虽以便携设备为其推

2、行目标，然本质上也适用于小型固接装置，如数字相框（DPF）、视讯机顶盒（STB）等，不过实务上仍以便携设备为主，特别以智能型手机为主，可携式媒体播放器（PMP）、个人导航器（PND）、个人数字助理（PDA）则次之。值得注意的是，由于2008年小笔电（Netbook）风潮兴起，因此Netbook也成为高度瞩目的潜在应用。anoAoiD图一GoogleAndroid的标志（吉祥物？）为一个机器人图片来源：Google迭层最底层：Linux核心了解Android的目标应用，即进入迭层架构的正题，整个Android平台区分成4层、5个区块，并用不同的颜色进行标示。首先说明红色的最底层：Linux核心，

3、此包含一套用于用便携设备的嵌入式Linux外，其余均为硬件装置的驱动程序，如音频驱动程序、Wi-Fi无线通信驱动程序等，另也有较核心的行程间通讯（IPC）驱动程序、电源管理驱动程序。整个Linux核心都以红色标示，表示Linux核心的各软件组件，均是以C语言撰写成，整个红色层均是由芯片业者，或便携设备的系统硬件开发商所负责，即音频芯片商在销售音频芯片时，也当附上Android的音讯驱动程序，而如宏达电子（HTC）之类的便携设备开发商，也必须针对特有的硬件功能，而自行开发驱动程序。HomeARPLICATiaNSBrewerAPPLICATIDMFRAMEWORKCaflteflfl!Provi

4、derNgS刑EiFaciaMiniverTelrp-HonyIMwjprR.ffO4inC-Minijfc*L«a.EaOtfiMim£erNoEJfficatJQAWaiterLIBRARIE5AimdropoRuptimeSurfaceManagerHe-dtaSQLiegCoreUbrarlraSGIDisplayDn*crWfebKitLINUXKERNELCantriDriwrFli#HtmoryDriverBinderIIPCJDnwrWiFi口Drwri图二GoogleAndroid软件迭层图图片来源：Google函式库层接着是绿色的函式库层，此处收纳了诸多

5、偏重于硬件的基础软件函式，如网络传输安全性的SSL加解密、FreeType字型、SQLite数据库、WebKit网页排版引擎等，这些绿色软件组件是以C或C+语言撰写成，并依循libc标准开发、放置。至此有个疑问：红色的Linux核心层，可依据不同的硬件架构与配置而进行修改、扩充，而绿色的函式库层能否如此呢？对此答案是肯定的，然扩充与修改也必须合乎libc标准。此外，一旦对原有函式库进行修改或扩充，则平台的移携性（Portability）将降低，此必须事先了解。图三第一个支援GoogleAndroid平台的手机：宏达电子的G1»图片来源：英文维基百科作者MichaelOrylAndro

6、id运行时间层与函式库属同层的为Android运行时间，然却用不同的黄、蓝色标示，黄色为Dalvik虚拟机（简称DVM）,对应至Java架构则与JavaVirtualMachine（简称JVM）角色相同，用来执行中介程序代码（ManagedCode）。DVM与操作系统有相依性，换不同的操作系统必须再行调修，才能达到优化表现。不过，DVM的诸多特性都需要倚赖Linux才能发挥（如多行程执行），因此DVM多只能在不同的Linux上执行，而不易在其他类型的操作系统上使用，此点与Java不同。在黄色区块内另有一个蓝色的核心函式库，该函式库是以Android的类Java语言所写成（撰写语法上约有85%9

7、0%相似度），事实上更上的两层蓝色层，其组件亦同样以Android的类Java语言所写成，只是核心函式库属更例行、常用的共同函式。要注意的是，Android运行时间无法直接与红色层沟通联系，而是凡事都要透过其左侧的绿色函式库层代劳才行。publicZapporpublicStringtap(Stringq.Objectpublicclass&lortlapIwnUpublicStringep恪tri叫b,Object。)(.*t)publicclaiBZapUser(publicvoidusoUp(Sapper*)3MpiH图四Android实行与Java类似的语法图片来源：Googl

8、e应用程序框架层、应用层以蓝色的Android类Java语言撰写成的软件组件即具有移携性，即无论Android的硬件设计如何改变，蓝色软件部分均不需要修改，即可在不同的硬件上执行。相对的，红色、绿色、黄色层则具有硬件相依性，不同的硬件需要不同的编译、调修，甚至可运用硬件电路方式使此三者加速执行。虽然蓝色层具硬件平台移携性、硬件中立性，然在Android平台上仍将蓝色层区分为二，经常使用且需要统整一致性者，即归属至应用程序框架层，另一则是应用层，应用层的各应用程序即是应用创意的发挥场所，各应用程序可有极大的差异，而非追取一致。另外，应用程序可呼用应用程序框架中的软件组件为其服务，同时也可呼用An

9、droid运行时间内的核心函式库为其服务。而框架层内，活动管理员(ActiveManager)即类似今日Windows操作系统内的事件管理器，负责应用程序上的操作事件(如一个按钮被按、一个手写输入被辨识完成等)；窗口管理员(WindowManager)则负责各应用程序的窗口画面等。DexFileAnatomy"HclUWorld"printIn-1/slortJVQidfD(lDt)Stringfn)P七re=.10一)ColLsotioa.Ixb()headerstringjdstyp_idsprotoJds归4一idsmethodjdsclass_dcfsdataLQt

10、stUOM.04414String,4ff«otinteger,mkxvmlve图五Android的Dex（.dex）文件内部结构图片来源：Google进阶探析DVM了解整体迭层后，重新对整体进行检视，可发现整个Android平台的重点即在DVM,因为绿色函式库中的组件，多已是业界标准（如SSL）或约定成俗的标准（如WebKit、SQLite）,而红色核心也早用于诸多的Linux嵌入式应用上，蓝色应用层则由广大软件商、程序员去发挥，蓝色的框架及核心函式库则会持续透过组织程序的制订而增长、强化。事实上Google是在2005年7月购并PaloAlto的新创公司，取彳DDVM后，才能构筑

11、、提出Android;DVM的运作方式与JVM相同，DVM的程序语言类似于Java语法，原已有撰写Java程序经验者可较快适应，不过Java程序写完后，于执行会转译成ByteCode的中介码。同样的，Android的类Java语法也会译成其独有的中介码，此中介与JavaByteCode全然不同除语法相近、译出的中介码截然不同外，Android也不能使用Java的类别档，而是自己独特的.dex档，所以若有程序员想直接把以前撰写过的Java程序，直接重新编译成Android可执行的程序，是不可能的，依然只能保有程序的逻辑、算法，然后重新以Android、DVM作法重新撰写才行。不过Android仍

12、提供一个名为dx的工具程序，可将Java类别档转译成.dex槽。既然DVM与JVM如此相像，除开放性、版权问题外，是否仍以Java较合适？其实不然，DVM作法的执行比Java更快速、更安全，DVM是以缓存器为基础执行，即程序执行时的相关变量是放在缓存器中，相对的，JVM是堆栈为基础的执行，变量存取需要透过Push、Pop等手续，速度不如DVM。而安全性上，DVM让每个应用程序均以一个行程来执行，如此某一应用程序因撰写不良或外在因素而当机，则其当机问题不扩散、殃及DVM,DVM依然可正常执行其他应用程序。相对的，Java程序若发生问题，并导致JVM停摆，则其他的Java应用程序也将一同停摆。De

13、xFileAnatomyjcius'il«etherdata.xtassfile8力&场E由廿日ottiercataclassfil«olherd-a：aothertfala与甘广配u£poclheie(ogeneou$BrUMHPGQIheteTogenacusCDnsianioogistmg_iflsEnsmntgggVP8_ldSonsSantpoolconslantpciolmeihMLfgCO外SfeEpJ0l图六Dex文件与Java类别文件的结构对应图片来源：Google结语DVM的相关技术特性与应用程序开发者密切相关，然对于想开发支持

14、Android的硬件芯片商、系统商而言，则较在意红色、绿色区块。红色、绿色区块除了可运用硬件电路获取加速（以硬件加速执行，通常也意味着能比纯软件方式执行精省功耗）外，另一关注重点是能否换用不同的处理器架构。对此其实具技术难度，Android目前是以ARMv5指令集架构的处理器（或称执行单元、核心）为最低要求，虽然Android未硬性规定不可改用其他指令集架构的处理器，例如可用更前期的ARMv4指令集架构处理器，或可用于x86、MIPS等不同于ARM架构的处理器。此外，红、绿层是以C/C+语言写成，重新编译(Recompile)后即可在另一种架构的处理器上执行。然重点在于：重新编译只担保另一处理器能功效无误地执行原程序，但却不易做到效能优化，使程序流畅执行。这也是今日许多技术狂热者，虽将Android重新编译成可在EeePC(x86架构)执行、可在我本墨客(OpenMoko)手机(ARMv4)执行，但此作为仅能视为特技表演，难以普及，原因即在于效能优化不足，程序无法流畅执行、反应。至此可以得出一些建议，一是不要天真认为Android