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
Архитектура Android-приложений. Часть I — истоки
В этой статье мы рассмотрим архитектуру Android-приложений.
Откровенно говоря, официальную статью Google по этой теме я считаю не очень полезной. Детально отвечая на вопрос «как», она совсем не объясняет «что» и «почему». Итак, вот моя версия, и, я надеюсь, она внесёт некоторую ясность. Да, кстати, я полностью одобряю чтение статей Google, поскольку они содержат полезную информацию, повторять которую я не собираюсь.
Архитектура ОС Android — немного истории
Как это часто бывает в IT, многие вещи не могут быть объяснены в отрыве от истории возникновения конкретного программного обеспечения. Вот почему мы должны обратиться к истокам ОС Android.
Разработка ОС Android была начата в 2003 молодой компанией Android Inc. В 2005 году эта компания была куплена Google. Я считаю, что главные особенности архитектуры Android были определены именно в этот период. Это заслуга не только Android Inc; архитектурные концепции и финансовые ресурсы Google оказали решающее влияние на архитектуру Android. Далее я приведу несколько примеров.
Если вы помните, 2003-2005 года были ознаменованы повышенным вниманием к AJAX приложениям. Я думаю, это оказало основополагающее влияние на архитектуру Android: во многих аспектах она ближе к архитектуре типичного AJAX приложения, нежели к десктопному GUI приложению, написанному на Java, C#, C++, VB и тп.
Не знаю, почему так произошло. Моя догадка — это придумал кто-то из Google в тот период, когда насыщенные интернет-приложения (Rich Internet Applications, RIA) в духе Google Docs или Gmail считались решением всех проблем. По-моему, эту идею нельзя назвать ни плохой, ни хорошей. Просто помните, что Android-приложения очень сильно отличаются от десктопных.
Влияние архитектурной философии Eclipse заметно в выборе принципа реализации GUI, который больше похоже на SWT, нежели на Swing.
В стандартах оформления кода Android присутствует «венгерская нотация», рождённая в стенах MS. Можно предположить, что тот, кто писал эти стандарты, ранее занимался разработкой под Windows.
Архитектурные уровни Android
Операционная система Android имеет три весьма различных и сильно отделённых друг от друга уровня:
- В основе лежит модифицированная и урезанная версия Linux, как я и упоминал в одной из моих предыдущих статей.
- Над уровнем Linux находится уровень инфраструктуры приложения, содержащий виртуальную машину Dalvik, веб-браузер, базу данных SQLite, некие инфраструктурные «костыли» и Java API.
- И, наконец, уровень написанных в Google Android-приложений. Вообще говоря, они являются расширением уровня инфраструктуры, поскольку разработчик может использовать эти приложения или их части как строительные блоки для собственных разработок.
Рассмотрим эти слои один за другим и более подробно.
Уровень Linux
Представьте себе, что вы — архитектор в молодой компании. Вы должны разработать ОС для нового типа устройств. Что вы будете делать?
Грубо говоря, у вас два пути: реализовывать собственные идеи, начав с нуля или же использовать существующую ОС и адаптировать её под свои устройства.
Реализация с нуля всегда звучит захватывающе для программистов. В эти моменты мы все верим в то, что в этот раз мы всё сделаем лучше, чем делают другие, и даже лучше, чем мы сами делали ранее.
Тем не менее, это не всегда практично. Например, использование ядра Linux заметно уменьшило стоимость разработки (возможно где-то и без того чрезмерно большую). Согласитесь, если кто-то решит создать нечто, напоминающее ядро Linux в его сегодняшнем состоянии, ему потребуется несколько миллионов долларов.
Если вы руководите Android Inc, то у вас по определению не может быть столько денег. Если вы руководите Google, то у вас такие деньги найдутся, но вы, скорее всего, подумаете дважды, прежде чем потратить их на создание собственной ОС. Так же вы потратите несколько лет, прежде чем достигните сегодняшнего состояния Linux; несколько лет задержки могут стать слишком большим опозданием при выходе на рынок.
В подобной ситуации компания Apple решила построить Mac OS на основе Free BSD. Android Inc приняла решение использовать Linux как основу для Android. Исходники как Free BSD, так и Linux, находятся в свободном доступе и предоставляют собой хорошую основу для любых разработок, будь то Apple или Google.
Но в то время запустить стандартный Linux на мобильном устройстве было невозможно (сейчас это уже не так). Устройства имели слишком мало оперативной и энергонезависимой памяти. Процессоры были значительно медленнее по сравнению с процессорами компьютеров, где обычно используется Linux. Как результат, разработчики Android решили минимизировать системные требования Linux.
Если рассматривать Linux на высоком уровне, то это комбинация ядра (без которого нельзя обойтись) и множества других, необязательных частей. Можно даже запустить одно ядро, без чего бы то ни было ещё. Так, Google вынуждена в любом случае использовать ядро Linux как часть ОС Android. Кроме того, были рассмотрены необязательные части и из них выбрано самое необходимое. Например, были добавлены сетевой фаервол IPTables и оболочка Ash. Любопытно, что добавили именно Ash, а не Bash, не смотря на то, что последний на порядок мощнее; вероятно, это решение было основано на том, что Ash менее требователен к ресурсам.
Разработчики Android модифицировали ядро Linux, добавив поддержку железа, используемого в мобильных устройствах и, чаще всего, недоступного на компьютерах.
Выбор Linux в качестве основы оказал огромное влияние на все аспекты ОС Android. Сборка Android, по сути, есть вариация процесса сборки Linux. Код Android находится под управлением git (инструмент, разработанный для управления кодом Linux). И так далее.
Пускай это всё и интересно, но вы, скорее всего, никогда не коснётесь всех этих специфических моментов до тех пор, пока ваша цель просто разработать приложения под Android. Исключение может составить разве что обзор файловой системы с помощью команд ash. Главное, что вы должны знать, разрабатывая приложения под Android — это уровень инфраструктуры приложения.
Вы можете спросить, как же быть, если необходимо разработать нативное приложение для Android? Google настоятельно не рекомендует делать этого. Технически, конечно, это возможно, но в дальнейшем у вас не будет возможности распространять это приложение нормальным способом. Так что подумайте дважды, прежде чем начать нативную разработку под Android, если конечно, вы не работает над Android Open Source Project (AOSP), т.е. собственно ОС Android.
Уровень инфраструктуры приложения
Несмотря на некоторое сходство Apple iOS и Android ОС, существуют значительные отличия между архитектурными решениями на инфраструктурном уровне обоих ОС.
Apple решила использовать Objective-C как язык программирования и среду выполнения приложения iOS. Objective-C выглядит более или менее естественным выбором для ОС, в основе которой лежит Free BSD. Можно рассматривать Objective-C как обычный C++ с кастомным препроцессором, который добавляет некоторые специфические лингвистические конструкции. Почему же нельзя использовать стандартный C++, на котором написана Free BSD? Мне кажется причина в том, что Apple старается всё делать в своём, «эппловском» стиле.
Основная идея в том, что приложения iOS написаны более или менее на том же языке, что и стоящая за ними ОС.
Android-приложения сильно отличаются в этом смысле. Они написаны на Java, а это совсем другая технология, нежели C++ (хотя синтаксис и унаследован от C++).
Почему это так? Почему, например, Android-приложения не написаны на C++? Со стороны Google я не нашёл никаких объяснений, поэтому могу поделиться лишь собственными соображениями.
Я думаю, основная причина состоит в необходимости одному и тому же приложению работать на различном аппаратном обеспечении. Эта проблема имеет место лишь для ОС Android; у ребят из Apple такой проблемы нет. iOS работает только на оборудовании собственного производства, и Apple полностью контролирует весь процесс. Для Android же всё наоборот: Google не контролирует производителей аппаратных средств. Например, ОС Android работает на процессорах с архитектурой x86, ARM и Atom (в комментах подсказывают, что x86 включает в себя Atom, и Android работает на x86, ARM, PPC и MIPS — примечание переводчика). На бинарном уровне эти архитектуры несовместимы.
Если бы архитекторы ОС Android выбрали тот же путь, что и архитекторы из Apple, разработчики приложений под Android были бы вынуждены распространять несколько версий одного и того же приложения одновременно. Это стало бы серьёзной проблемой, которая могла бы привести к краху всего проекта Android.
Для того, чтобы одно и то же приложение могло работать на разном аппаратном обеспечении, компания Google использовала контейнер-ориентированную архитектуру (container-based architecture). В такой архитектуре двоичный код выполняется программным контейнером и изолируется от деталей конкретного аппаратного обеспечения. Примеры всем знакомы — Java и C#. В обоих языках двоичный код не зависит от специфики аппаратного обеспечения и выполняется виртуальной машиной.
Конечно, есть и другой способ достигнуть независимости от аппаратного обеспечения на уровне двоичного кода. Как один из вариантов, можно использовать эмулятор аппаратного обеспечения, так же известный как QEMU. Он позволяет эмулировать, например, устройство с процессором ARM на платформе x86 и так далее. Google могла бы использовать C++ как язык для разработки приложений внутри эмуляторов. Действительно, Google использует такой подход в своих эмуляторах Android, которые построены на основе QEMU.
Очень хорошо, что они не пошли по такому пути, поскольку тогда кому-то пришлось бы запускать ОС на эмуляторе, требующем намного больше ресурсов, и, как итог, скорость работы снизилась бы. Для достижения наилучшего быстродействия эмуляция была оставлена только там, где этого нельзя было избежать, в нашем случае — в Android-приложениях.
Как бы то ни было, компания Google пришла к решению использовать Java как основной язык разработки приложений и среды их выполнения.
Я думаю, это было критически важное архитектурное решение, которое поставило Android в стороне от остальных мобильных ОС на основе Linux, представленных в настоящее время. Насколько мне известно, ни у одной из них нет совместимости двоичного кода на уровне приложений. Возьмём для примера MeeGo. Она использует C++ и фреймворк Qt; не смотря на то, что Qt кроссплатформенный, необходимость делать разные сборки для разных платформ не исчезает.
Выбрав Java, нужно было решить, какую виртуальную машину (JVM) использовать. Ввиду ограниченности ресурсов использование стандартной JVM было затруднено. Единственным возможным выбором было использование Java ME JVM, разработанной для мобильных устройств. Однако счастье Google было бы неполным без разработки собственной виртуальной машины, и появилась Dalvik VM.
Dalvik VM отличается от других виртуальных Java-машин следующим:
- Она использует специальный формат DEX для хранения двоичных кодов, в противовес форматам JAR и Pack200, которые являются стандартом для других виртуальных Java-машинах. Компания Google заявила, что бинарники DEX меньше, чем JAR. Я думаю, с тем же успехом они могли бы использовать Pack200, но они решили пойти своим путём.
- Dalvik VM оптимизирована для выполнения нескольких процессов одновременно.
- Dalvik VM использует архитектуру, основанную на регистрах против стековой архитектуры в других JVM, что приводит к увеличению скорости выполнения и уменьшению размеров бинарников.
- Она использует собственный набор инструкций (а не стандартный байткод JVM)
- Возможен запуск (если необходимо) нескольких независимых Android-приложений в одном процессе
- Выполнение приложения может охватывать несколько процессов Dalvik VM «естественным образом» (позже мы обсудим, что это значит). Для поддержи этого добавлено:
- Специальный механизм сериализации объектов, основанный на классах Parcel и Parcelable. Функционально преследуются те же цели, что и Java Serializable, но в результате данные имеют меньший объём и потенциально более терпимы к версионным изменениям классов.
- Особый способ для выполнения вызовов между процессами (inter process calls, IPC), основный на Android Interface Definition Language (AIDL).
- До Android 2.2 Dalvik VM не поддерживала JIT-компиляцию, что было серьёзным ударом по производительности. Начиная с версии 2.2, скорость выполнения часто используемых приложений заметно возросла.
Ребята из Google также пересмотрели стандартные пакеты Java JDK API. Они удалили некоторые из них (например всё, что касалось Swing) и добавили некоторое количество собственных — их имя начинается с «android».
Также они добавили несколько пакетов с открытым кодом, не являющихся частью стандартного JDK: Bouncy Castle crypto API, HTTPClient с поддержкой разделения HTTP/HTTPS на стороне клиента.
Также Google добавила веб-браузер в уровень инфраструктуры приложения. Это не полноценный Google Chrome для мобильных устройств, но очень близок к нему, поскольку основан на том же движке WebKit и использует движок JavaScript V8 из Chrome. В конце концов, это крайне современный и высокотехнологичный браузер. Он может быть интегрирован в любые Android-приложения.
На сегодня это всё. В следующей статье мы сосредоточим внимание на архитектуре Android-приложений.
Апдейт от переводчика. В оригинале использовалась не совсем верная терминология. Спасибо всем тем, кто указал на эти ошибки.
Источник
