Архитектура операционной системы андроид

ПРОграммирование под Android

Страницы

21 февраля 2014 г.

Архитектура операционной системы Андроид

Классический рисунок представляющий архитектуру ОС Android:

Если кому-то сложно с английским, то на всякий случай то же самое по на русском:

Сразу приведу оригинальное видео с канала Android Developers на Youtube, где все авторитетно рассказывается и показывается, правда на враждебном нам буржуйском языке. Я использовал это видео, чтобы описать некоторые пункты архитектуры, описания которых не нашел в сети на русском языке.

Если представить компонентную модель Android в виде некоторой иерархии, то в самом низу, как самая фундаментальная и базовая составляющая, будет располагаться ядро операционной системы (Linux Kernel).
Часто компонентную модель ещё называют программным стеком. Действительно, это определение тут уместно, потому что речь идет о наборе программных продуктов, которые работают вместе для получения итогового результата. Действия в этой модели выполняются последовательно, и уровни иерархии также последовательно взаимодействуют между собой.

LINUX KERNEL (ЯДРО ЛИНУКС)
Как известно, Андроид основан на несколько урезанном ядре ОС Linux и поэтому на этом уровне мы можем видеть именно его (версии 2.6.x). Оно обеспечивает функционирование системы и отвечает за безопасность, управление памятью, энергосистемой и процессами, а также предоставляет сетевой стек и модель драйверов. Ядро также действует как уровень абстракции между аппаратным обеспечением и программным стеком.

LIBRARIES (БИБЛИОТЕКИ)
«Выше» ядра, как программное обеспечение промежуточного слоя, лежит набор библиотек (Libraries), предназначенный для обеспечения важнейшего базового функционала для приложений. То есть именно этот уровень отвечает за предоставление реализованных алгоритмов для вышележащих уровней, поддержку файловых форматов, осуществление кодирования и декодирования информации (в пример можно привести мультимедийные кодеки), отрисовку графики и многое другое. Библиотеки реализованы на C/C++ и скомпилированы под конкретное аппаратное обеспечение устройства, вместе с которым они и поставляются производителем в предустановленном виде.
Краткое описание некоторых из них:

• Surface Manager – в ОС Android используется композитный менеджер окон, наподобие Compiz (Linux), но более упрощенный. Вместо того чтобы производить отрисовку графики напрямую в буфер дисплея, система посылает поступающие команды отрисовки в закадровый буфер, где они накапливаются вместе с другими, составляя некую композицию, а потом выводятся пользователю на экран. Это позволяет системе создавать интересные бесшовные эффекты, прозрачность окон и плавные переходы.
• Media Framework – библиотеки, реализованные на базе PacketVideo OpenCORE. С их помощью система может осуществлять запись и воспроизведение аудио и видео контента, а также вывод статических изображений. Поддерживаются многие популярные форматы, включая MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG и PNG.
• SQLite – легковесная и производительная реляционная СУБД, используемая в Android в качестве основного движка для работы с базами данных, используемыми приложениями для хранения информации.
• OpenGL | ES –

3D библиотеки — используются для высокооптимизированной отрисовки 3D-графики, при возможности используют аппаратное ускорение. Их реализации строятся на основе API OpenGL ES 1.0.

На этом же уровне располагается Android Runtime – среда выполнения. Ключевыми её составляющими являются набор библиотек ядра и виртуальная машина Dalvik. Библиотеки обеспечивают большую часть низкоуровневой функциональности, доступной библиотекам ядра языка Java.

ANDROID RUNTIME (СРЕДА ВЫПОЛНЕНИЯ АНДРОИД)
На этом же уровне располагается Android Runtime – среда выполнения. Ключевыми её составляющими являются набор библиотек ядра (Core Libraries) и виртуальная машина Dalvik. Библиотеки обеспечивают большую часть низкоуровневой функциональности, доступной библиотекам ядра языка Java.
Каждое приложение в ОС Android запускается в собственном экземпляре виртуальной машины Dalvik. Таким образом, все работающие процессы изолированы от операционной системы и друг от друга. И вообще, архитектура Android Runtime такова, что работа программ осуществляется строго в рамках окружения виртуальной машины. Благодаря этому осуществляется защита ядра операционной системы от возможного вреда со стороны других её составляющих. Поэтому код с ошибками или вредоносное ПО не смогут испортить Android и устройство на его базе, когда сработают. Такая защитная функция, наряду с выполнением программного кода, является одной из ключевых для надстройки Android Runtime.
Dalvik полагается на ядро Linux для выполнения основных системных низкоуровневых функций, таких как, безопасность, потоки, управление процессами и памятью. Вы можете также писать приложения на C/C++, которые будут работать непосредственно на базовом уровне ОС Linux. Хотя такая возможность и существует, необходимости в этом нет никакой.
Если для приложения важны присущие C/C++ скорость и эффективность работы, Android предоставляет доступ к нативной среде разработки (NDK – Native Development Kit). Она позволяет разрабатывать приложения на C/C++ с использованием библиотек libc и libm, а также обеспечивает нативный доступ к OpenGL.
Доступ к устройствам и системным службам Android осуществляется через виртуальную машину Dalvik, которая считается промежуточным слоем. Благодаря использованию Dalvik для выполнения кода программы разработчики получают в свое распоряжение уровень абстракции, который позволяет им не беспокоиться об особенностях конструкции того или иного устройства.
Виртуальная машина Dalvik может выполнять программы в исполняемом формате DEX (Dalvik Executable). Данный формат оптимизирован для использования минимального объема памяти. Исполняемый файл с расширением .dex создается путем компиляции классов Java с помощью инструмента dx, входящего в состав Android SDK. При использовании IDE Eclipse и плагина ADT (Android Development Tools) компиляция классов Java в формат .dex происходит автоматически.
Как было сказано выше, инструмент dx из Android SDK компилирует приложения, написанные на Java, в исполняемый формат (dex) виртуальной машины Dalvik. Помимо непосредственно исполняемых файлов, в состав приложения Android входят прочие вспомогательные компоненты (такие, например, как файлы с данными и файлы ресурсов). SDK упаковывает все необходимое для установки приложения в файл с расширением .apk (Android package). Весь код в одном файле .apk считается одним приложением и этот файлиспользуется для установки данного приложения на устройствах с ОС Android.

APPLICATION FRAMEWORK (КАРКАС ПРИЛОЖЕНИЙ)
Уровнем выше располагается Application Framework, иногда называемый уровнем каркаса приложений. Именно через каркасы приложений разработчики получают доступ к API, предоставляемым компонентами системы, лежащими ниже уровнем. Кроме того, благодаря архитектуре фреймворка, любому приложению предоставляются уже реализованные возможности других приложений, к которым разрешено получать доступ.
В базовый набор сервисов и систем, лежащих в основе каждого приложения и являющихся частями фреймворка, входят:

• Activity Manager – менеджер Активностей, который управляет жизненными циклами приложений, сохраняет данные об истории работы с Активностями, а также предоставляет систему навигации по ним.
• Package Manager – менеджер пакетов, управляет установленными пакетами на вашем устройстве, отвечает за установку новых и удаление существующих.
• Window Manager – менеджер окон, управляет окнами, и предоставляет для приложений более высокий уровень абстракции библиотеки Surface Manager.
• Telephony Manager – менеджер телефонии, содержит API для взаимодействия с возможностями телефонии (звонки, смс и т.п.)
• Content Providers – контент-провайдеры, управляют данными, которые одни приложения открывают для других, чтобы те могли их использовать для своей работы.
• Resource Manager – менеджер ресурсов, обеспечивает доступ к ресурсам без функциональности (не несущими кода), например, к строковым данным, графике, файлам и другим.
• View System – богатый и расширяемый набор представлений (Views), который может быть использован для создания визуальных компонентов приложений, например, списков, текстовых полей, таблиц, кнопок или даже встроенного web-браузера.
• Location Manager – менеджер местоположения, позволяет приложениям периодически получать обновленные данные о текущем географическом положении устройства.
• Notification Manager – менеджер оповещений, благодаря которому все приложения могут отображать собственные уведомления для пользователя в строке состояния.

Таким образом, благодаря Application Framework, приложения в ОС Android могут получать в своё распоряжение вспомогательный функционал, благодаря чему реализуется принцип многократного использования компонентов приложений и операционной системы. Естественно, в рамках политики безопасности.
Стоит отметить, просто на понятийном уровне, что фреймворк лишь выполняет код, написанный для него, в отличие от библиотек, которые исполняются сами. Ещё одно отличие заключается в том, что фреймворк содержит в себе большое количество библиотек с разной функциональностью и назначением, в то время как библиотеки объединяют в себе наборы функций, близких по логике.

APPLICATIONS (ПРИЛОЖЕНИЯ)
На вершине программного стека Android лежит уровень приложений (Applications). Сюда относится набор базовых приложений, который предустановлен на ОС Android. Например, в него входят браузер, почтовый клиент, программа для отправки SMS, карты, календарь, менеджер контактов и многие другие. Список интегрированных приложений может меняться в зависимости от модели устройства и версии Android. И помимо этого базового набора к уровню приложений относятся в принципе все приложения под платформу Android, в том числе и установленные пользователем.
Считается, что приложения под Android пишутся на языке Java, но нужно отметить, что существует возможность разрабатывать программы и на C/C++ (с помощью Native Development Kit), и на Basic (с помощью Simple) и с использованием других языков. Также можно создавать собственные программы с помощью конструкторов приложений, таких как App Inventor. Словом, возможностей тут много.

Источник

Операционная система Android

Feb 4 · 6 min read

Android — это операционная система с открытым исходным кодом, созданная для мобильных устройств на основе модифицированного ядра Linux. Эта ОС разработана консорциумом Open Handset Alliance, состоящим из крупных технологических компаний при организующей роли Google. Исходный код ОС представлен как часть проекта Android Open Source Project (AOSP) с лицензией Apache. Выпущенный на рынок в 2007 году Android вскоре стал самой продаваемой операционной системой в истории, благодаря своей открытой модели разработки и удобному интерфейсу. Последняя версия Android 11 вышла в 2020 году.

История развития

Проект Android появи л ся в 2003 году с целью разработки интеллектуальных мобильных устройств. Начинался он с разработки ОС для цифровых фотокамер, но вскоре акцент сместился на мобильные телефоны из-за их большой распространенности на рынке. В 2005 году проект приобрел Google и в качестве основы для этой ОС было выбрано ядро Linux за счет его гибкости и возможности обновления.

С целью разработки платформы с открытым исходным кодом для мобильных устройств в 2007 году Google сформировала Open Handset Alliance с несколькими производителями оборудования и операторами беспроводной связи. В то время каждый производитель выпускал мобильные телефоны на базе собственной платформы, с ограниченными возможностями для сторонних приложений. Альянс заявил, что открытая платформа обеспечит тесное сотрудничество между производителями и разработчиками, чтобы ускорить производство недорогих инновационных продуктов и приложений.

Платформа Android была представлена в 2007 году и вышла на рынок на следующий год. Поначалу ей мешал ограниченный набор функций и небольшая база пользователей по сравнению с конкурентами Symbian и Windows. Однако возможность обновления стала самым большим преимуществом этой ОС, поскольку каждое обновление давало новые функции и улучшенную производительность. Из-за «сладости, которую они приносят в нашу жизнь», первые версии были названы в честь десертов, в алфавитном порядке, например Cupcake, Jellybean и KitKat. Однако вскоре у Google закончились десерты, и с 2019 года новые версии ОС получают номера, начинающиеся с Android 10. Лицензия с открытым исходным кодом также помогла увеличить популярность этой ОС среди производителей мобильных устройств, поскольку они могут теперь модифицировать ОС под свои требования, не влияя при этом на разработку приложений.

Но самая главная особенность в том, что Android — это больше, чем просто операционная система. Он во многом уравнял мобильные устройства с персональными компьютерами, позволив разработчикам писать приложения независимо от аппаратной платформы устройства. Это привело к созданию глобальной платформы для приложений и укрепило позиции Android, как передовой мобильной платформы, и в 2011 году он стал самой продаваемой операционной системой для смартфонов и для планшетов в 2013 году. Сегодня на Android работает множество электронных устройств, включая смарт-камеры, часы, медиаплееры и многое другое.

Архитектура

Первоначально Android разрабатывался для архитектуры ARM, а затем был расширен для поддержки архитектур x86 и x86–64. Однако в целом Android не заботится об аппаратном обеспечении устройства из-за разнообразия и множества типов среди компонентов в мобильных устройствах.

Основой ОС Android является модифицированная версия ядра Linux LTS, которая непосредственно взаимодействует с оборудованием. Драйверы, необходимые для работы устройства, реализуются производителями оборудования и добавляются в ядро. Это позволяет производителям оборудования разрабатывать драйверы для хорошо известного ядра, а разработчикам ОС игнорировать разнообразие оборудования. Android 11 поддерживает версии ядра 4.14, 4.19 и 5.4.

Особенности оборудования дополнительно маскируются также реализуемыми производителями уровнями аппаратной абстракции, которые предоставляют стандартные интерфейсы для высокоуровневых структур, чтобы обеспечить доступ к аппаратному обеспечению устройства, не заботясь при этом о реализации драйверов.

Android Runtime (ART) — это виртуальная машина, которая выполняет код приложения, содержащийся в файлах Dalvik Executable (DEX). Она управляет компиляцией кода, отладкой и очисткой памяти. Каждое приложение работает со своим собственным экземпляром ART, то есть в своей собственной виртуальной машине, чтобы обеспечить изоляцию кода. ART заменил Dalvik в качестве виртуальной машины Java для Android в 2013 году, поскольку его компиляция Ahead-of-Time обеспечила лучшую производительность по сравнению с компиляцией Just-in-Time у последней.

Собственные библиотеки C/C ++ являются важной частью операционной системы, поскольку большинство основных компонентов Android написаны на собственном коде. Инфраструктура Java API — это шлюз в ОС для всех пользовательских приложений. Он предоставляет множество сервисов для приложений в виде вызовов Java API, включая менеджеры действий, ресурсов и уведомлений, поставщиков контента и систему просмотра. Именно поэтому приложения для Android в основном разрабатываются на Java, хотя собственные библиотеки обеспечивают некоторую поддержку C/C++. Совсем недавно также поддерживался и Kotlin, он даже предпочитался Google для разработки приложений Android. Код компилируется Android Software Development Kit (SDK) и архивируется в виде пакета Android (APK).

Android против Linux

Хотя некоторые считают Android дистрибутивом Linux, он имеет мало общего с обычной ОС Linux.

В традиционном стеке Linux ядро выполняет большую часть системных функций, включая управление памятью и файлами, аппаратное взаимодействие и планирование процессов. Системные функции предоставляются приложениям через библиотеки и вызовы API на языке Си. Именно поэтому GNU C является более важной библиотекой в Linux. Пользователи взаимодействуют с системой через оболочки, которые транслируют пользовательские команды в системные вызовы.

С другой стороны, Android можно рассматривать как пользовательское приложение, работающее в Linux. ОС использует ядро для взаимодействия с оборудованием и управления системой, а затем предлагает свои функции другим приложениям через интерфейс API. Этот интерфейс написан полностью на Java, и даже функции библиотек C/C ++ предложены в оболочках Java. В Android нет оболочки, хотя некоторые утилиты командной строки поддерживаются через приложение Toybox.

Кроме того, Android оптимизирован для мобильных устройств, которые обычно обладают малой вычислительной мощностью, имеют небольшой объем памяти и работают от батарей. По умолчанию, в качестве библиотеки C, вместо GNU, он использует Bionic из-за пониженных требований к памяти и процессору. При нехватке памяти, Android может уничтожить наименее используемые процессы и сбросить блоки разделяемой памяти. Кроме того, здесь реализуется уникальная система управления питанием, в которой устройство остается в спящем режиме, потребляя минимальную мощность до тех пор, пока процесс не запросит ресурс.

Ядро Android

Перед установкой на устройство само ядро Linux подвергается модификации несколькими участниками проекта. Во-первых, разработчики Android оптимизируют ядро LTS для мобильных устройств, вносят коррективы в функции Android и оставляют код как общее ядро AOSP. Разработчики AOSP реализуют большинство изменений в виде драйверов устройств, чтобы гарантировать внесение минимальных изменений в основной код ядра. Это позволяет с минимальными изменениями объединять обновления базового ядра в ACK. Поставщики оборудования добавляют драйверы и уровни абстракции для создания ядра поставщика. Затем, производители устройств обновляют ядро в соответствии со своими требованиями, реализуя новые драйверы или даже улучшая систему. Это ядро, в конечном счете, устанавливается на выпускаемые производителем устройства.

Разработка приложения

Основной принцип разработки в Android заключается в том, чтобы абстрагироваться от вариативности оборудования и предоставить унифицированный интерфейс для приложений. Это достигается запуском всех приложений на виртуальных машинах Java, подобных Dalvik или ART. Еще более способствует этой абстракции и упрощает разработку приложений комплект, состоящий из инфраструктуры Java API и SDK Android. Интерфейс API выполняет всю сложную работу, обеспечивая приложениям доступ к системным ресурсам лишь через вызов функции, в то время как SDK предоставляет визуальные инструменты для создания макетов приложений и управления вводом данных пользователя.

Android предоставляет приложениям большую часть своих функций через службы (services). Служба — это приложение, которое выполняет длительные операции в фоновом режиме. Она не предоставляет пользовательского интерфейса и доступна только через платформу API. Службы также могут выполнять операции в приоритетном порядке и сообщениями уведомлять пользователя. Служба также может быть привязана к приложению и обеспечивать интерфейс клиент-сервер.

Стек Android также включает вторую операционную систему Trusty. Она работает параллельно с основной операционной системой и обеспечивает доверенную среду для изолированного выполнения. В основном она используется для мобильных платежей, безопасного банковского обслуживания, обработки паролей и других процессов, требующих безопасности и конфиденциальности.

Заключение

При первых анонсах Open Handset Alliance их планы по взаимодействию при разработке открытой и многоцелевой платформы представлялись не более чем громким заявлением. Однако через десять лет платформа Android произвела революцию, и не только в мобильной индустрии. Фактически, она породила совершенно новые отрасли промышленности и коренным образом изменила наш образ жизни, работы и общения.

Источник