Изучаем Android. Ядро (Kernel) — что это такое.
Многие владельцы Android устройств на различных форумах и сайтах часто встречают упоминание о чем-то непонятном, что называют ядром, или по-английски kernel. Его можно поменять и упоминание о нем встречается в меню настроек устройства, в разделе «О планшете (телефоне)».
Если копнуть поглубже, то окажется, что ядро – это часть операционной системы, и оно есть не только у Android, но и у других операционных систем: Windows, iOS, MacOS и прочих. Но нас будет интересовать ядро Android, и что это такое я попытаюсь объяснить на уровне начинающих пользователей.
Вы, наверное, знаете, что любая операционная система, и Android в том числе – это, по большому счету, набор программ, которые управляют работой всего устройства, и отвечают за запуск пользовательских приложений, таких как игры, менеджеры файлов, веб-браузеры и прочие.
А ядро Android является, практически, самой главной частью операционной системы, которая отвечает за взаимодействие между всем «железом» и программной частью системы. Ядро состоит из набора драйверов всего имеющегося в устройстве оборудования и подсистемы управления памятью, сетью, безопасностью, и прочих основных функций операционной системы.
Например, когда вы касаетесь экрана, чтобы запустить какое-либо приложение, драйвер сенсорной панели экрана определяет место, в котором произошло нажатие и сообщает координаты другим программам, которые опять же с помощью ядра найдут в памяти устройства нужное приложение и запустят его. Это конечно, очень упрощенная модель, но суть работы операционной системы она отражает.
Таким образом, мы выяснили, что когда любое программное обеспечение нуждается в том, чтобы оборудование планшета или телефона что-нибудь сделало, оно обращается за этим к ядру операционной системы.
Ядро управляет абсолютно всем оборудованием: Wi-Fi, Bluetooth, GPS, памятью и прочими устройствами. Не является исключением и «сердце» устройства – его процессор. Ядро может управлять его частотой и энергоснабжением.
Ядро операционной системы Android, позаимствовано ее разработчиками, компанией Google, у операционной системы Linux.
Так как ядро управляет всем оборудованием, а оборудование у всех планшетов и телефонов разное, базовое ядро Android дорабатывается производителем для каждого устройства отдельно.
Как и прошивки, ядра бывают стоковыми (заводскими) и кастомными – альтернативными, созданные независимыми разработчиками.
Зачем нужны кастомные ядра? Стоковое ядро максимально оптимизируется производителем для конкретного устройства, но в нем обычно заблокированы такие важные функции ядра, как, например, управление частотой процессора. И если вам понадобится разогнать процессор своего планшета, вам нужно будет сменить ядро на кастомное, в котором функция управления частотой процессора разблокирована.
Кроме того, кастомные ядра, обычно основаны на более свежих версиях Linux ядер. Вот примерный перечень возможностей, которые нам дают кастомные ядра:
- Изменение частоты процессора в широких пределах;
- Разгон графической подсистемы (GPU);
- Снижение частоты и напряжения питания процессора, что позволяет достичь более длительного времени работы от батареи;
- Более свежие и качественные драйверы, например, ускоряющие работу GPS или добавляющие новые функции;
- Широкие возможности по настройки и конфигурации звука и цветовой гаммы экрана;
- Поддержка альтернативных файловых систем (XFS, ReiserFS и прочих).
Так как альтернативные ядра создаются независимыми разработчиками, нет никакой гарантии, что после установки кастомного ядра ваш планшет или телефон будут работать без сбоев. Поэтому перед прошивкой нового ядра желательно сделать полную резервную копию системы.
Источник
Ядро в телефоне – что это такое, за что отвечает (не путать с ядрами процессора!)
Если вы являетесь владельцем мобильного девайса (смартфона, планшета), то будет полезно узнать — ядро в телефоне за что отвечает, почему является важнейшей частью Android, iOS.
Kernel — что это такое?
Именно так на английском языке звучит понятие «ядро», о котором пойдёт речь в обзоре. Важно понимать, что данная тема не имеет отношения к процессору. Подразумевается иная, более «глобальная» тематика.
«Кернел» — это главное связующее звено между оборудованием и программным обеспечением. Ведь на телефоне могут быть установлены разные приложения, работа которых требует доступа к тем или иным ресурсам системы — обработчику процессов, ОЗУ, внутреннему накопителю, камере, кнопкам управления громкостью и т.д. Ядро позволяет скоординировать все процедуры, оптимизировать их, перенаправлять запросы между аппаратными и программными компонентами.
Вот пример: когда экран выключен, а Вы нажимаете клавишу питания, то дисплей подсвечивается. Если же использовать длительное нажатие — отображается меню с выбором вариантов — перезагрузка, сделать скриншот и прочее (зависит от версии ПО).
Чтобы просмотреть информацию о ядре, достаточно открыть параметры, отыскать строку «Об устройстве (телефоне, планшете, системе)». Далее находим нужный элемент. Иногда он скрыт в подпунктах:
Ядро в смартфоне Android
Мы рассмотрим именно Андроид, но это не значит, что для других ОС данное понятие не актуально.
Зачем оно нужно? Операционная система сама по себе является комплексом программ, благодаря которому возможна скоординированная работа телефона.
Когда мы запускаем приложение «Камера», то на экране отображается интерфейс с перечнем элементов (фото, видео, настройки), оптика переводится в полную боевую готовность. Если проводим время за игрой, Android «раздает указания» оперативной памяти, ЦПУ, графическому процессору, чтобы они выделили требуемое количество ресурсов для обеспечения достаточной производительности.
То есть, как работает ядро? Оно управляет всем, что касается мобильного устройства. Это своего рода посредник, без которого сложно было бы представить слаженное функционирования Андроид, грамотную расстановку приоритетов.
Если копнуть глубже, то мы имеем дело с набором драйверов (понятие должно быть знакомо пользователям Windows). Это файлы (утилиты), оптимизирующие управление оборудованием.
Еще одна наглядная демонстрация. На рабочем столе много ярлыков. Вы нажимаете на один из них. При этом kernel задействует сенсор дисплея, вычисляются точные координаты точки, они сравниваются с текущей разметкой (пользовательской настройкой интерфейса), затем отправляется команда — «запустить требуемое приложение».
Уверены, что суть ясна. Но остался еще один важный момент, который стоит рассмотреть.
Автор рекомендует:
Кастомное ядро — для чего используется?
Операционная система Android имеет множество модификаций, но официальных прошивок не так уж и много. Представьте ситуацию — куча производителей, разные модели, отличающиеся техническими характеристиками. Как в этой ситуации работает kernel, получится ли одновременно адаптироваться к бюджетному телефону и флагманскому смартфону? Конечно же, нет.
Именно поэтому, компании собирают «кастомные ядра» — индивидуально настроенные модификации под конкретные устройства, с учетом особенностей аппарата — камеры, размера экрана, емкости аккумулятора и т.д.
Увы, не все бренды поступают таким образом. Чтобы не тратить время на создание оптимального варианта, они просто доверяют работу девайса стоковому (универсальному) ядру. Плюсы подобного решения очевидны — экономия бюджета. Но появляется минус для пользователей — некоторые возможности аппарата не задействованы по максимуму (частота процессора ограничена, Android не видит весь объем оперативной памяти, крутая камера снимает хуже обещанного).
К счастью, описанное выше случается крайне редко и характерно для малоизвестных брендов. Уважающие себя компании никогда не допустят такого, ведь это непременно скажется на репутации и продажах.
Кроме того, есть энтузиасты, которые самостоятельно «разбирают» ядро, вносят корректировки, чтобы добавить полезные фишки (разгон процессора, управление питанием и т.п.), затем снова собирают всё в единое целое и предлагают скачивать, устанавливать вместе с кастомной прошивкой для конкретной модели девайса. Если решитесь на использование альтернативных решений, то помните:
- всё делаете на свой страх и риск;
- внимательно читайте отзывы, комментарии;
- есть сомнения — задавайте вопросы;
- изучайте материалы на разных сайтах (4PDA, XDA, Youtube);
- обязательно копируйте ценную информацию перед проведением манипуляций.
Мы закончили рассмотрение темы «Ядро в телефоне — за что отвечает, как работает». Надеемся, что статья оказалась полезной.
Источник
Обзор особенностей ядра Андроида
“А я… карбюратор промываю!”
Анекдот
В детском садике мы с единомышленниками препарировали кузнечиков в надежде разобраться в их строении. В школе распаивали радиоприёмник “Россия”. В институте дошла очередь до автомобилей, гайки которых были многократно переставлены. Интересы поменялись, но желание “разбирать” иногда просыпается, и сегодня оно направлено на Андроид.
Сколько раз вас выручало наличие исходников Андроида? Меня — уже не счесть. Андроид — открытый проект, но, к сожалению, у нас есть возможность только читать; править код Андроида, не будучи сотрудником Google, практически невозможно. Погрустим над этим моментом и загрузим репозиторий. Как это сделать, отлично описано на официальном сайте.
Общая архитектура
Архитектуру Андроида можно схематично изобразить так:
Оригинальная схема не содержит информации об особенностях ядра и не акцентирует внимание на Binder-е и системных сервисах. А ведь Binder является “клеем”, связывающим все компоненты системы.
Как правило, в книгах описывается верхний левый синий прямоугольник, то есть API, которое доступно разработчику прикладных приложений. Нас же интересует всё, что ниже. Сегодня мы рассмотрим только ядро.
Ядро — центральная часть любого дистрибутива, называемого “Линукс”. Несмотря на доступность “чистого” ядра, многие разработчики (Ubuntu, Fedora, SuSe и т.д.) добавляют к нему свои патчи перед включением в дистрибутив. Андроид идёт той же дорогой, только ценой потери прямой совместимости: на “чистом” ядре он не заведётся. В настоящее время есть намерения включить “андроидизмы” в основную версию ядра, в 2011 году Линус Торвальдс давал на этот процесс 4-5 лет. Успех уже достигнут в рамках включения механизма wakelocks в версии ядра 3.5.
Рассмотрим “андроидизмы” более подробно.
История данного механизма эпична, потянет на сборник статей “Путь wakelock-ов в Линукс”: их обсуждение заняло порядка 2000 писем в рассылке LKML.
Настольные компьютеры и ноутбуки имеют устоявшуюся систему энергорежимов (у x86 процессоров таковых несколько): компьютер работает “на полных оборотах”, когда что-то делается, и уходит в энергоэффективный режим, когда система простаивает. Уход в “спящий” режим происходит либо после довольно длительного бездействия, либо вручную, например, при закрытии крышки ноутбука.
На телефонах требовался другой механизм: основное состояние системы — “спячка”, выход из него осуществляется только в случаях необходимости. Таким образом, система может уснуть, даже если какое-то приложение проявляет активность. В Андроиде был реализован механизм wakelock-ов: если приложение (или драйвер) выполняет что-то важное, что должно дойти до логического завершения, оно “захватывает” wakelock, предотвращая засыпание устройства.
Попытки портирования механизма wakelock-ов в ядро вызвали сопротивление многих разработчиков. Программисты Андроида решали конкретную проблему, решением которой стал определённый механизм. Условия задачи были весьма узки. Целевая платформа — ARM, поэтому использовались её особенности: ARM-процессоры изначально предполагают частую смену режимов работы “сна” и “бодрствования”, в отличие от x86. В Андроиде приложения общаются с системой управления питанием через PowerManager, а что делать клиентским Линукс-приложениям?
Разработчики Андроида даже не пытались найти общее решение “на будущее”, которое потом без проблем бы вливалось в основное ядро, не консультировались по этой проблеме с сообществом ядра Линукс. Можно ли их за это винить? Несмотря на все проблемы и обсуждения, как упоминалось выше, в ядре появилось API с идентичной функциональностью autosleep.
Программистам приложений под Андроид довольно редко приходится сталкиваться с wakelock-ами, так как платформа и драйверы обрабатывают возложенные на них обязательства с учётом “спящего” режима. Тем не менее, вмешаться в этот процесс поможет знакомый PowerManager. Кстати, автору приходит в голову только один сценарий: не дать телефону уснуть при запуске сервиса из BroadcastReceiver-а, что решается вспомогательным классом из Android Support Library WakefulBroadcastReceiver.
Low Memory Killer
В стандартном ядре Линукса есть Out of Memory Killer, который на основании параметра badness определяет убиваемый процесс:
badness_for_task = total_vm_for_task / (sqrt(cpu_time_in_seconds) *
sqrt(sqrt(cpu_time_in_minutes)))
Таким образом, чем больше процесс потребляет памяти и чем меньше живёт, тем меньше ему повезёт.
Все программисты, читавшие документацию или проходившие собеседования, знают, что, во-первых, процесс может быть “убит” и при наличии свободных ресурсов, во-вторых, кандидат на вытеснение выбирается по другим критериям: наличие “живых” Андроид-компонент, видимость пользователю и так далее.
Механизм довольно простой: каждому процессу присваивается приоритет от -17 до 16, при этом чем выше приоритет, тем выше вероятность убивания процесса, и, в зависимости от количества свободной памяти, выбирается приоритет, начиная с которого процессы будут завершены. Приоритеты описаны в ProcessList.java. Занимательно, что приоритет приложения домашнего экрана HOME_APP_ADJ довольно высок, а я-то думал: почему он постоянно перезапускается?
Массивы mOomAdj и mOomMinFreeLow/mOomMinFreeHigh как раз задают правила “когда что очистить”:
Таким образом, приложение домашнего экрана вытесняется при остатке свободной памяти в 73728 КБ на телефоне с экраном 1280×800 и ОЗУ в 700 МБ.
ProcessList передаёт соответствующие значения в ядро, что можно видеть в его методе updateOomLevels.
Приоритеты процессам выставляет Activity Manager Service, один из многих системных сервисов, общаться с которым можно через Activity Manager.
Binder, наряду с другими решениями (Files, Sigmals, Sockets, Pipes, Semaphores, Shared Memory и т.д.), решает задачу межпроцессного взаимодействия. Ноги у данного решения растут из проекта OpenBinder, разработчики которого в своё время перешли в команду Андроида.
Bionic (реализация libc) не использует System V IPC, так как в андроидовском окружении стандартные средства приведут к утечкам ресурсов.
Особенности:
- Управление потоками (мы все помним, что сервис, поддерживающий AIDL, должен работать в многопоточном окружении). Максимальное число потоков — 15 (ProcessState.c, метод open_driver), поэтому не стоит блокировать Binder-потоки в большом количестве без лишней необходимости.
- Механизм информирования о смерти процесса, держащего объект Binder “Link to Death”. Например, через него Window Manager узнаёт о смерти приложения и удаляет связанные с ним окна. Также LocationManager при смерти всех своих слушателей перестаёт опрашивать GPS-приёмник. Lowmemorykiller доволен. 🙂
- 2 режима вызова: блокирующий и неблокирующий (oneway). В первом случае вызывающий поток блокируется и ждёт отработки метода в потоке процесса-обработчика. Программисты просто вызывают методы через точку, взаимодействие потоков берёт на себя платформа.
- Передача UID и PID для безопасности. Через них системные сервисы определяют, есть ли у вызывающего процесса права совершать запрашиваемые действия.
- Для Java-программистов — средства создания Proxy и Stub-ов для конвертирования вызовов Java-методов в транзакции Binder-а.
Рассмотрим как это работает на примере LocationManager-а.
Когда мы хотим получить информацию о GPS, происходит следующее:
- Наше приложение вызывает соответствующий метод у LocationManager-а.
- LocationManager делегирует вызов прокси-объекту, преобразующему Java-методы и объекты в Binder-транзакцию (прокси-объектом у LocationManager-а является mService).
- Транзакция посылается драйверу ядра, который перенаправляет её LocationManagerService-у, отнаследованному от .LocationManager.Stub.
- .LocationManager.Stub делает обратные действия: разворачивает транзакцию в вызов Java-метода.
- .LocationManagerService обрабатывает запрос (используя, например, GPS-драйвер).
- Stub-объект пакует ответ в транзакцию, и процесс идёт в обратном направлении.
- Драйвер пересылает ответ обратно.
- Прокси-объект распаковывает результат вызова метода в Java-объекты.
Как видим, за вызовом методов системных сервисов скрывается довольно большая логика.
Anonymous Shared Memory (ashmem) — механизм разделяемой памяти. В Линуксе, как правило, данный механизм реализован через POSIX SHM. Разработчики Андроида сочли его недостаточно защищённым, что могло сыграть на руку вредоносному ПО. Особенностями ashmem-а являются счётчик ссылок, при обнулении которого разделяемая память может быть освобождена (например, память освобождается при завершении всех процессов, использующих её), и сокращение разделяемого региона при нехватке памяти в системе.
Ярким примером использования ashmem-а является процесс zygote, в котором загружается стартовая версия Dalvik VM с загруженными базовыми классами и ресурсами, а остальные приложения просто ссылаются на эту память.
Binder имеет ограничение на размер транзакции в 1МБ (иначе будет выброшено исключение TransactionTooLargeException). Если нам надо передать из одного процесса в другой большой объём данных, можно как раз воспользоваться Ashmem-ом: создать MemoryFile и передать дескриптор файла в другой процесс.
Обычные дистрибутивы, как правило, используют две системы логирования: лог ядра, доступный через команду dmesg, и системные логи, располагающиеся обычно в директории /var/log.
Система Андроида включает несколько циклических буферов для хранения сообщений пользовательских программ (что продлевает время жизни карт памяти, так как циклы чтения-записи не расходуются впустую) и не имеет дополнительных задержек от работы с сокетами, которые применяются в стандартном syslog-е.
На диаграмме представлена общая система логирования Андроида. Драйвер логирования предоставляет доступ к каждому буферу через /dev/log/*. Приложения имеют доступ к ним не напрямую, а через библиотеку liblog. С библиотекой liblog общаются классы Log, Slog и EventLog. Команда adb logcat показывает содержимое буфера “main”.
В данной заметке мы кратко рассмотрели некоторые особенности Андроида как Линукс-системы. За скобками остались некоторые другие части (pmem, RAM console и т.д.), а также такие важные аспекты платформы в целом, как System Service, процесс запуска системы и другие. Если данная тема будет интересна, в следующих статьях мы рассмотрим и их.
Источник
