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
Введение в разработку Android-приложений
Презентацию к лекции Вы можете скачать здесь.
1.1. Введение. История Android
Android – открытая операционная система для мобильных телефонов, смартфонов, коммуникаторов, планшетных компьютеров, электронных книг, цифровых проигрывателей, наручных часов, нетбуков и смартбуков, основанная на ядре Linux и поддерживающая различные аппаратные платформы, такие как ARM , MIPS , POWER , x86 .
Изначально разрабатывалась компанией Android Inc., которую затем (июль, 2005) купила Google. Впоследствии (ноябрь, 2007) Google инициировала создание бизнес-альянса Open Handset Alliance (в его состав вошли Google, HTC, Intel, Motorola, Nvidia и другие компании), который и занимается сейчас поддержкой и дальнейшим развитием платформы.
С момента выхода первой версии (сентябрь, 2008) произошло несколько обновлений системы. Эти обновления, как правило, касаются исправления обнаруженных ошибок и добавления нового функционала в систему. Каждая версия системы получает собственное кодовое имя на тему десерта.
1.2. Инструментарий разработчика
Перед тем, как приступить к созданию Android -приложений, необходимо выбрать подходящий инструментарий разработки.
Как правило, разработка Android -приложений осуществляется на языке Java . Поэтому, в первую очередь , необходимо установить Java Development Kit ( JDK ). Но для начала следует разобраться, что представляет из себя Java .
Java – это объектно-ориентированный язык программирования . Программы на Java транслируются в байт-код, выполняемый виртуальной машиной Java , которая обрабатывает байтовый код и передает инструкции оборудованию как интерпретатор . Достоинство подобного способа выполнения программ заключается в полной независимости байт-кода от операционной системы и оборудования, что позволяет выполнять Java -приложения на любом устройстве, для которого существует соответствующая виртуальная машина . Другой важной особенностью Java является гибкая система безопасности благодаря тому, что исполнение программы полностью контролируется виртуальной машиной. Любые операции , которые превышают установленные полномочия программы (например, попытка несанкционированного доступа к данным или соединения с другим компьютером) вызывают немедленное прерывание . Следует заметить, что фактически, большинство архитектурных решений, принятых при создании Java , было продиктовано желанием предоставить синтаксис , схожий с С/C++. В Java используются практически идентичные соглашения для объявления переменных, передачи параметров и операторов. Поэтому те, кто уже имеет опыт программирования на C/C++, смогут быстро освоиться и начать писать Java -приложения.
JDK – это бесплатно распространяемый комплект разработчика приложений на языке Java , включающий в себя компилятор Java , стандартные библиотеки классов Java , примеры, документацию, различные утилиты и исполнительную систему Java Runtime Environment ( JRE ). В состав JDK не входит интегрированная среда разработки (Integrated Development Environment ). Поэтому после того, как будет установлен JDK , следует установить IDE .
Существует несколько популярных сред разработки, но в данном курсе мы остановим свой выбор на Eclipse IDE и соответствующем для нее плагине Android Development Tools ( ADT ).
Android Software Development Kit ( SDK ) содержит множество инструментов и утилит для создания и тестирования приложений. Например, с помощью SDK Manager можно установить Android API любой версии (Рис. 1.1), а также проверить репозиторий на наличие доступных, но еще не установленных пакетов и архивов.
Android Native Development Kit (NDK) позволяет осуществлять разработку Android -приложений на языке C/C++. Зачем это может потребоваться? Есть несколько причин. Например, необходимость использовать код, который уже написан для нативной платформы, или ускорение выполнения критических кусков кода.
1.3. Архитектура Android
Рассмотрим основные компоненты операционной системы Android (Рис. 1.2).
Applications. Android поставляется с набором основных приложений, включающим календарь, карты, браузер , менеджер контактов и другие. Все перечисленные приложения написаны на Java .
Application Framework. Предоставляя открытую платформу разработки, Android дает разработчикам возможность создавать гибкие и инновационные приложения. Разработчики могут использовать аппаратные возможности устройства, получать информацию о местоположении, выполнять задачи в фоновом режиме, устанавливать оповещения и многое другое. Разработчики имеют полный доступ к тем же API , что используются в основных приложениях.
Архитектура приложений разработана с целью упрощения повторного использования компонентов; любое приложение может «публиковать» свои возможности и любое другое приложение может затем использовать эти возможности (с учетом ограничений безопасности). Этот же механизм позволяет заменять стандартные компоненты на пользовательские.
Libraries. Android включает в себя набор C/C++ библиотек, используемых различными компонентами системы. Эти возможности доступны разработчикам в контексте применения Android Aplication Framework. Некоторые основные библиотеки, перечислены ниже:
- Mедиа библиотеки – эти библиотеки предоставляют поддержку воспроизведения и записи многих популярных аудио, видео форматов и форматов изображений, в том числе MPEG4, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG и других;
- Surface Manager – управляет доступом к подсистеме отображения 2D и 3D графических слоев;
- LibWebCore – современный веб-движок, на котором построен браузер Android;
- SGL – основной графический движок 2D;
- 3D библиотеки – реализованы на основе OpenGL; библиотеки используют либо аппаратное 3D-ускорение (при его наличии), либо включены программно;
- FreeType – поддержка растровых и векторных шрифтов
- SQLite – механизм базы данных, доступной для всех приложений.
Android Runtime. Android включает в себя набор основных библиотек, которые обеспечивают большинство функций, доступных в библиотеках Java . Каждое приложение Android работает в своем собственном процессе, со своим собственным экземпляром виртуальной машины Dalvik. Dalvik была написана так, что устройство может работать эффективно с несколькими виртуальными машинами одновременно.
Dalvik проектировалась специально под платформу Android . Виртуальная машина оптимизирована для низкого потребления памяти и работы на мобильном аппаратном обеспечении. Dalvik использует собственный байт-код. Android -приложения переводятся компилятором в специальный машинно-независимый низкоуровневый код. И именно Dalvik интерпретирует и выполняет такую программу при выполнении на платформе. Кроме того, с помощью специальной утилиты, входящей в состав Android SDK , Dalvik способна переводить байт-коды Java в коды собственного формата и также исполнять их в своей виртуальной среде.
Linux Kernel. Android основан на Linux версии 2.6 с основными системными службами – безопасность , управление памятью , управление процессами и модель драйверов. Разработчики Android модифицировали ядро Linux, добавив поддержку аппаратного обеспечения, используемого в мобильных устройствах и, чаще всего, недоступного на компьютерах.
Источник
