经典|Android系统定制开发基础篇

一、Android源码目录结构

Android系统源码内容实在太广，其目录结构也实在庞大，每位开发者也无法做到对每一块都弄明白，工作中接触的也只是其中的一小部分。以下只从宏观上对系统源码的一级目录进行介绍，后续再慢慢完善更细致的内容。

二、Android虚拟机

1.Android虚拟机之Dalvik虚拟机

Android虚拟机的使用，使得Android应用和Linux内核分离，这样做使得Android系统更稳定可靠，比如程序中即使包含恶意代码，也不会直接影响系统文件；也提高了跨平台兼容性。在Android4.4以前的系统中，Android系统均采用Dalvik作为运行Andorid程序的虚拟机，在Android发展中具有举足轻重的地位，而Android5.0及以后的系统使用ART虚拟机取代Dalvik，在性能上做了很大的优化。这里将对这两款虚拟机做一些介绍，主要内容如下：

2.Dalvik在Android架构中所处的位置

Android系统架构图。从上图可以看到，Dalvik虚拟机在Android Runtime中，在Linux Kernel之上。Android其实就是一个操作系统，其底层基于Linxu Kernel，这一层有许多的驱动程序，主要完成操作系统所具备的功能。Android Runtime，即android的运行环境，我们可以类比于java的jre，即java平台运行时环境。Java程序的开发、编译和运行需要java的核心包(jdk/lib/和jre/lib)支持，然后通过JVM来运行java程序，同样android程序的运行也是如此，Libraries就相当于java的jdk/lib，是开发/编译android程序所需要的库，Android Runtime里面的Core Libraries里就相当于java的jre/lib，是运行android程序所需要的核心库，自然而然，Dalvik虚拟机也就类比于java中的JVM，用于运行android程序。

3.Dalvik的作用

Dalvik虚拟机在Android操作系统上虚拟出一个设备，用来运行android 应用程序。Dalvik是apk运行的温床，其作为面向Linux、为嵌入式操作系统特别设计的虚拟机， 主要负责完成对象的生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全及异常管理、垃圾回收等。Dalvik充分利用Linux进程管理的特性，对其进行了面向对象的设计，使得可以同时运行多个程序，而传统的Java程序通常只能运行一个进程，这也是为什么Android不采用JVM的原因之一。在Android中，每一个app进程对应一个Dalvik，多个app进程在运行，就对应多个虚拟机的存在，这样设计的好处就是，当一个应用crash后，只会影响自己所在的dalvik，而不会影响到整个系统，不同的进程之间（即不同的Dalvik之间）通过进程间通信来实现交互。

4.Dalvik和JVM的区别与联系

5.Davik的孵化器Zygote进程

在Android系统中有个一特殊的虚拟机进程Zygote，他是虚拟机实例的孵化器。它在系统启动的时候就会产生，完成虚拟机的初始化、库的加载、预制类库和初始化操作。如果系统需要一个新的虚拟机实例，他会迅速复制自身，以最快的速度提供给系统。对于一些只读的系统库，所有的虚拟机实例都和Zygote共享一块区域。

6.Dalvik的致命缺点-拖慢Android系统速度

Dalvik有个致命的弱点，就是Dalvik虚拟机一直被用户指责为拖慢Android系统运行速度而不如IOS的根源。主要原因如下：

(1).开发者因素

(2).运营商因素

(3).Dalvik运行时机制因素

在编译Android程序的时候，首先java代码被编译成class文件，然后被java打包工具dx打包成.dex文件，然后.dex文件和资源文件一起被压缩成apk文件。Apk文件其实也是zip格式，只是后缀被修改为apk，读者可以自己解压一个apk试试看。Android应用的安装过程：复制apk安装包到data/app目录下，解压并扫描安装包，把dex文件保存到dalvik-cache目录下，并在data/data目录下创建对应的应用数据目录。这样每次用户点击图标运行android程序时，dalvik虚拟机就会用JIT(Android2.2及以后版本)的方法把dex文件翻译为机器码，然后再执行机器码。虽然Dalvik虚拟机已经被做过很多优化(.dex文件基础上被优化为.odex文件，o表示optimization，“优化”的意思)，但因为此种机制的存在，先翻译再执行，所以Android在电量消耗和程序运行流畅程度上一直不太理想。

Android中/data目录

/data/app目录

/data/app目录下应用的信息

/data/dalvik-cache目录下的内容

/data/data目录下应用数据目录，存储对应应用运行中产生的一些数据

7.ART虚拟机取代Dalvik虚拟机

由于Dalvik虚拟机机制的问题，拖慢了android应用的速度。由此，ART（即Android RunTime）虚拟机应运而生，在Android4.4中可以在设置中切换选择Dalvik或ART作为虚拟机，在Android L(5.0)中就直接删除了Dalvik，而全面使用ART。ART在机制上做了优化，可以在第一次安装应用时，字节码就会预编译（即AOT编译：Ahead-of-time）成机器码，使其成为真正的本地应用。在点击桌面的应用图标运行时，无需再翻译字节码，而是直接运行机器码，从而提升了启动速度。另外，ART在英语单词中是“艺术”的意思，可见，ART虚拟机的设计是匠心独运，同时也是被其设计中所高度赞誉的。

8.Dalvik和ART对.dex文件的处理的对比情况

9.ART的优缺点

优点

ART的AOT方式相比于Dalvik的JIT方式(Just-In-Time，即时编译，,参见JIT_百度百科)，主要由如下的有优势：

(1).ART抛弃了Dalvik的JIT方式，而采用AOT预编译方式，在安装apk的过程中，将.odex文件(.dex优化后的文件)预编译为二进制机器码，存储在设备中，以后每次启动应用的时候，直接运行机器码，而无需再翻译.odex，这样极大地提高了应用的启动速度。

(2).每次运行时所做的工作也少了，这样占用了更少的CPU资源，也消耗了更少的电池资源。

(3).ART也在开发者工具和垃圾回收器上做了改善。

Dalvik和ART在性能上的对比

缺点

硬币有正反面，ART的预编译，也带来了一定的劣势

(1).增加了安装时间。在安装的时候需要预编译，无疑增大了安装的工作量，从而增大了安装时间，对于一些大的应用，可能需要几分钟的时间才能安装完。

(2).需要更多的空间存储预编译后的机器码，无疑占用了更多的存储空间。当然，现在硬件设备更新换代很快，性能也非常好，相比于ART带来的优点，该缺点几乎没什么影响。

10.Android N对ART的优化

ART的机制使得apk在安装的时候比较耗时，为了改变这种状态，在Android N（Android7.0）中对此做了优化。Android N实现了一个使用AOT、解释、JIT混合模式的运行环境，这里使用的JIT是改进后的JIT，ART也提供了一种新的、更快的解释器。这种方式在apk安装的过程中不再进行预编译，第一次运行该应用相关程序后，在手机处于idle状态和充电的时候再将运行过的程序编译为机器码并存储在设备中。JIT提供了一套追踪机制来决定哪一部分代码需要在手机idle和充电的时候来编译（即热区域hot method的确定），这个追踪技术被称为Profile Guided Compilation，其工作原理如下：

(1).应用程序第一次启动的时候，只会通过解释器执行，同时JIT会介入并针对hot methods执行优化工作。代码在执行期间会被分析，分析结果被保存起来，同步输出一种被称为profile information的信息保存到文件中。该文件中记录了需要离线优化的hot methods，影响程序启动速度的Classes，它们主要用于进一步优化程序的启动速度。

(2).当设备处于idle状态并且在充电，就会进入Profile Guided Compilation服务，使用第一步中的profile information，生成二进制机器码，用于替代原始应用程序的相应部分。

(3).应用程序在后续启动时，就可以根据实际情况在AOT/JIT/Interpreter中选择最合适的执行方式了。

通过以上的步骤可以得知，因为有了Profile Guided Compilation，同一app会因为不同的用户行为产生不同的编译结果。

11.可以概括性地做一个总结:

第一次运行到某些模块的程序的时候(此次JIT信息不会持久化)，产生一个文件来记录这些被执行的程序信息，从而实现了将以往在安装过程中预编译生成机器码的过程，延迟到手机处于idle和充电的时候来完成，最终实现既能避免漫长的安装等待，又不影响程序启动速度，还节约了空间(因为有些功能程序一直不被使用，就不需要编译为机器码占用空间)，cpu资源，电池资源等的目的。 

三、Android系统架构和源码的联系

Android虚拟机、Android的系统架构，其实在Native Libraries层和Linux Kernel层之间还有一层HAL层，即Hardware Abstract Layer，硬件抽象层。

Android源码官网中Android系统架构图

https://source.android.google.cn/

对于Android系统架构每一层，Android源码结构中都有相关目录与之对应。下图展示了在Android源码一级目录中，各框架层和部分目录的对应关系:

理解Android系统结构和Android系统源码的对应关系，有助于帮助咱们理解Anroid系统源码。当然这幅思维导图中只介绍了源码一级目录和系统架构的对应关系，深入各个目录，每个系统架构层还可以找到很多源码与之对应，读者可以再深入研究研究。与此同时，同一个目录下的源码，也可能涉及多个系统架构层的内容，比如frameworks层中就有frameworks/base/packages/SystemUI这个目录，众所周知，SystemUI是一款系统App，是属于应用层的。所以，对某个目录的对应的系统架构层，也不能一概而论。

Android源码阅读工具介绍

https://source.android.google.cn/
http://androidxref.com/
http://aospxref.com/

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Android系统所有版本
https://www.androidos.net.cn/sourcecode

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https://www.androidos.net.cn/sourcecode

Android系统核心服务
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https://github.com/LineageOS