学习书籍：Android底层开发实践

使用代码：AOSP源码

带@的行表示关键点；

橙色背景的文字表示：整编log分析的关键字

绿色“待补充”文字表示：有待补充内容

-----第三章 Android系统开发环境搭建

3.1 Android上的开发工作

3.1.1 Android的移植开发

1. Linux驱动

        @p47

        @工作在系统内核空间

2. Android系统硬件抽象层

        @p47

        @工作在用户控件

        @向下调用Linux中的驱动程序，向上提供接口

3. Android移植的几个主要类型

        @p48第2段，第3段：电源管理

3.1.2 系统开发

1. JNI库的开发

        JNI库是Java应用程序访问其他语言，尤其是中低级语言的接口；

        一般将电源管理、传感器等系统独有设备的用户态驱动放入JNI中；

        除此之外，高级视频编解码算法、压缩解压等Android自身不提供的算法也被封装在JNI中；

3.1.3 应用开发

        若需要使用特定的JNI库，可以使用Android NDK，并将NDK便已生成的.so文件封装到.apk文件中；注意，.so文件不能跨平台，因此要为不同的平台编译不同的so文件；

3.2 Android系统架构

3.2.1 软件结构

1. Linux操作系统及驱动

        Android系统运行于Linux kernel之上；

        Android系统的Linux kernel控制包括安全、存储器管理、程序管理、网络堆栈、驱动程序模型等；

2. Android系统程序库

        （1）Bionic（p49最后一段）

                基础C库源代码，Android根据Linux系统glibc库改造的C/C++库同时包含了Webkit和Surface flinger；

        （2）Dalvik虚拟机（p50第一段）

                一种Java虚拟机，运行一种称为.dex格式的文件；

        （3）HAL（p50第2段）

                目的是为了把Android framework和Linux kernel隔开；

        （4）HAL Stub（p50-3）

                Sub以*.so文件的形式存在，向HAL “提供” 操作函数；

                HAL中包含了很多Stub；

3. Android Java程序库

        @p50最后一段

3.2.2 源代码的结构

1. Android的工程目录

        （1）核心工程(p51-1)：...

        （2）扩展工程（p51-2）：包含在externel文件夹中

        （3）工程名称和含义（p51-表1）：有很多关于工具库包的解释

2. Android中的Java程序包

        （1）主要包括（p53-1）：应用程序和内容提供器两部分；

        （2）应用程序在package/apps目录中（p53-表1）（有一个表对其中的文件夹做了详细解释）

        （3）内容提供器在package/providers目录中（p53-表2）（有一个表对其中的文件夹做了详细解释）

3.3 搭建开发环境

3.3.1 搭建编译环境

1. 安装VirtualBox

        @p54-1

        （1）网址：www.virtualbox.org

        （2）4GB以上内存，200GB虚拟内存，64位编译环境、i5以上cpu；

2. 安装VirtualBox扩展包

        @p55-1

3. 安装Ubuntu

        @p56-1

        （1）Ubuntu镜像下载（p58-1）

4. 配置Ubuntu

        @p60-1

5. 安装所需软件包

        @p62-2

6. 安装JDK

        @63-1

3.3.2 使用repo

        @p64

------第四章 Android系统层源码结构分析

4.1 源码结构分析

        @p69

        @Android系统层次结构图（p69）

        @Android层次结构分析（p70）

4.1.1 底层库结构介绍

1. 底层函数库的基本结构

        @p71

        @系统源代码目录结构

4.1.2 C基础函数库bionic

        @p73

        @文件位置：/bionic

        @包含一些使用频率低并且资源消耗比较高的函数，使其具有更小的体积和内存占用；

1. bionic函数库结构

        @p73-表4-2

        @解释了bionic文件夹内的子文件夹功能；

2. libc函数库结构

        @p73-表4-3

        @文件位置：/bionic/libc

        @解释了bionic文件夹的子文件夹libc内的各文件夹功能；

4.1.3 C语言底层库libcutils

        @p74

        @文件位置：/system/core/libcutils 

        @提供C语言最基础的功能；

        @基本上Android中所有的本地仓库和程序都连接了这个库；

        @解释了其中主要的头文件作用；

4.1.4 C++工具库libutils

        @p75

        @文件位置：/system/core/libutils

        @头文件在：/system/core/libutils/include/utils/

        @源文件在：/system/core/libutils/

        @库名称：libutil.so

        @Android底层库，以C++实现；

        @Android层次的C语言程序和库，大都基于libutils开发；

4.1.5 底层文件系统库 system

1. system目录结构

        @p75-表4-4

        @system中的core和extra文件夹解释分析；

        @bionic文件和system文件完成了Android对Linux的封装，并在二者的基础上构建了Android系统的两大核心模块：Dalvik和Frameworks；

4.1.6 增加本地库的方法

        @p76

        @讲解了：编译可执行程序模板、编译静态库模板、编译动态库模板；

1. 编译可执行程序模板

# :=代表赋值操作
# $代表引用变量的值
# 指定LOCAL_PATH变量，用于查找源文件
LOCAL_PATH := $(call my-dir)# CLEAR_VARS清除LOCAL_PATH以外所有以LOCAL开头的变量
# include $(CLEAR_VARS)# LOCAL_SRC_FILES存入源文件路径
LOCAL_SRC_FILES := main.c# LOCAL_MODULE存入编译后的模块名称
LOCAL_MODULE := test_exe# LOCAL_C_INCLUDES存入所需要包含的头文件路径
#LOCAL_C_INCLUDES :=# LOCAL_STATIC_LIBRARIES存入所需链接的静态库(*.a)的名称
#LOCAL_STATIC_LIBRARIES :=# LOCAL_SHARED_LIBRARIES存入所需链接的动态库(*.so)的名称
#LOCAL_SHARED_LIBRARIES :=# BUILD_EXECUTABLE表示以一个可执行程序的方式进行编译
include $(BUILD_EXECUTABLE)

2. 编译静态库文件

# 指定LOCAL_PATH变量，用于查找源文件
LOCAL_PATH := $(call my-dir)# CLEAR_VARS清除LOCAL_PATH以外所有以LOCAL开头的变量
include $(CLEAR_VARS)# LOCAL_SRC_FILES存入源文件路径
LOCAL_SRC_FILES := mk_statis_library.c# LOCAL_MODULE存入编译后的模块名称
LOCAL_MODULE := libtest_static# LOCAL_C_INCLUDES存入所需要包含的头文件路径
#LOCAL_C_INCLUDES :=# LOCAL_STATIC_LIBRARIES存入所需链接的静态库(*.a)的名称
#LOCAL_STATIC_LIBRARIES :=# LOCAL_SHARED_LIBRARIES存入所需链接的动态库(*.so)的名称
#LOCAL_SHARED_LIBRARIES :=# BUILD_STATIC_LIBRARY表示以一个静态库的方式进行编译
include $(BUILD_STATIC_LIBRARY)

3. 编译动态库文件

# 指定LOCAL_PATH变量，用于查找源文件
LOCAL_PATH := $(call my-dir)# CLEAR_VARS清除LOCAL_PATH以外所有以LOCAL开头的变量
# include $(CLEAR_VARS)# LOCAL_SRC_FILES存入源文件路径
LOCAL_SRC_FILES := mk_shared_library.c# LOCAL_MODULE存入编译后的模块名称
LOCAL_MODULE := libtest_sharedTARGET_PRELINK_MODULES := false# LOCAL_C_INCLUDES存入所需要包含的头文件路径
#LOCAL_C_INCLUDES :=# LOCAL_STATIC_LIBRARIES存入所需链接的静态库(*.a)的名称
#LOCAL_STATIC_LIBRARIES :=# LOCAL_SHARED_LIBRARIES存入所需链接的动态库(*.so)的名称
#LOCAL_SHARED_LIBRARIES :=# BUILD_SHARED表示以一个动态库的方式进行编译
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

 静态库生成的文件目录：out/target/product/*/obj/下

        Android.mk的每个模块都是以include $(CLEAR_VARS)开始，以include $(BUILD_XXX)结束；

4.2 Android编译系统介绍

         @p78

4.2.1 build系统

        @p78

        @代码位置：build/core/

        @介绍了：编译系统的功能、结构、编译过程、编译生成文件的位置（以及对应位置下生成文件的含义）

1. 编译系统简介

        该系统主要由make文件(即.mk文件)、Shell脚本以及Python脚本组成，支持多架构（Linux-x86、Windows、ARM等）、多语言（汇编、C、C++、Java等）、多目标、多编译方式；

2. 编译过程

 3. 编译输出

        @p79-1

        @对out目录做了详细介绍；

        @有待补充

 4. 编译框架

        @p79-2

        @对编译核心框架（.mk）文件做了功能解释；

4.3 init初始化脚本语言介绍

4.3.1 概述

        Linux系统启动时依次执行：start_kernel()、init_post()、run_init_process()、init进程；

        Android系统启动也和Linux类似；

        Android的init进程主要提供4个功能：

        （1）分析启动init.rc脚本文件；

        @有待补充

        启动init进程的具体代码：

4.3.2 init进程源码分析

        init进程的事件处理流程图（p85-图4-5）

4.3.3 脚本文件的创建与分析

1. init.rc文件

2. action list

3. service list

4. init.rc脚本文件解析

        init.rc脚本文件的解析由init_parse_config_file()函数实现（p88-1）；

        init_parse_config_file()函数主要调用了read_file()函数和parse_config()函数；

4.3.4 创建设备节点文件

        Android系统通过设备驱动来访问硬件设备，设备节点文件时设备驱动的逻辑文件（p89）；

        Linux创建设备节点文件：通过mknod进程；

        Android创建设备节点文件：使用init进程创建，创建的设备节点文件分为静态节点文件和动态节点文件；

        init节点创建过程代码（p89-2）

4.4 Zygote

4.4.1 Zygote概述

        Zygote应用于Dalvik虚拟机的内存管理（p95-2）；

        Zygote进程的源文件：app_main.cpp（p95-2）；

        Dalvik虚拟机是Android程序的虚拟机，是Android中Java程序的运行基础。其指令集基于寄存器架构，执行其特有的文件格式——dex字节码来完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全异常管理、垃圾回收等重要功能。它的核心内容是实现库（libdvm.so），大体由C语言实现。依赖于Linux内核的一部分功能——线程机制、内存管理机制，能高效使用内存，并在低速CPU上表现出的高性能。每一个Android应用在底层都会对应一个独立的Dalvik虚拟机实例，其代码在虚拟机的解释下得以执行

        @讲解了Zygote创建了什么，怎么创建的（p95-3）；

        @主要从两方面分析Zygote：App-Runtime、system_server；

4.4.2 AppRuntime分析

        @Zygote启动应用程序的过程图解（p95）；

        @AppRuntime对象的生成代码（p96）；

        @AppRuntime用于初始化Dalvik虚拟机，为Android应用程序运行做好准备（p96最后一段）；

        @AppRuntime.cpp源代码位置：framework/base/core/jni/AppRuntime.cpp

1. 创建虚拟机--startVm

        @AndroidRuntime::startVm()主要用于设置Java虚拟机的启动参数：JNI check选项（p98）；

        @JNI参数用于Native层实现对所调用的JNI函数的检查；

2. 注册JNI函数--startReg

        @注册JNI的代码（p99）

        @至此Java应用框架就已经建立起来了（p100）；

4.4.3 system_server分析

        @system_server进程由ZygoteInit.main函数中的startSystemServer函数启动（p100）；

        @ZygoteInit.main函数位置：frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

        @SystemServer进程的启动和调用流程图（p102）；

------第五章 Android系统内核分析

5.1 Linux内核基础

5.1.1 概述

        @Linux操作系统分为：用户空间（User Space）、内核空间（Kernel Space）；

        @用户空间：用户应用程序执行的地方；

        @Linux为单内核，内核分为多个子系统（从上至下）：系统调用接口、内核代码、依赖于体系结构的代码（BSP 平台支持包）；

5.1.2 Linux内核的主要子系统

        @p110

1. 系统调用接口（SCI）

        @ SCI层、依赖于体系结构

        @ 定义了从用户空间到内核的函数调用接口

        @ SCI层实现：./linux/kernel

        @ 依赖于体系结构的部分：./linux/arch

2. 进程管理（PM）

        @ PM、负责进程的执行

        @ 包含的函数：fork（创建）、exec（执行）、Portable Operating System Interface【POSIX】

        @ O(1)调度算法：调度多个进程所使用的时间和一个进程所使用的时间时相同的；

3. 内存管理 （MM）

        @ 两种内存形式：物理内存、虚拟内存；

        @ 内存管理源代码：./linux/mm

4. 虚拟文件系统 （VFS）

        @ 在SCI和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层；

        文件系统-源代码位置：./linux/fs

        文件系统层之下时缓冲区缓存，为文件系统层提供了一个通用函数集；

5. 网络堆栈（NS）

        遵循分层体系结构，为各种网络协议提供了一个用户接口；

        网络堆栈-源代码位置：./linux/net

6. 设备驱动程序（DD）

        实现特定硬件设备的运转；

        设备驱动程序-源代码位置：./linux/drivers

7. 依赖体系结构的代码（Arch）

        Linux需要在不同体系结构下实现高效率的操作；

        Arch-源代码位置：./linux/arch

        每个子目录对应某一特定方面的功能；

5.1.3 Linux启动过程分析

        @开机启动过程：启动驱动器、启动内核、初始化过程、启动用户登录界面（p111）；

5.2 Android内核概况

        @Android系统分为：硬件、系统内核、系统服务、应用程序（p112）；

        @Android内核主要实现：内存管理、进程调度、进程间通信等功能；

        文件系统：YAFFS2文件系统；

        进程间通信机制：IPC Binder；

        内存管理：LMK低内存管理策略、Ashmem内存共享处理方式；

        电源管理：...

        其他：Android内核增加了字符输入系统、... 、USB设备等相关设备驱动，增加了LOgger子系统；

5.3 Android启动过程分析

1. init进程

        @ 代码位置：system/core/init（p113）

        @ init进程是第一个进程，会建立servicemanager、zygote等服务，创建结束后承担property service的功能；

2. Zygote框架建立

        @zygote进程启动代码位置：frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp，由其中的main函数开始执行（p113）；

        @Android启动框架图（p114）

        @功能：启动虚拟机、调用JNI创建JavaVM、调用startReg函数注册JNI接口、调用ZygoteInit中的main函数，注册用来接受请求的Listen端口、启动SystemServer，至此，Zygote建立完成；

3. System Server

        @startSystemServer在Zygote上fork了SystemServer进程（p115）；

        @代码位置：com.android.server.SystemServer

        Android的所有服务框架都是建立在SystemServer上的，在SystemServer.java中调用init2()函数，由init2()建立Android中所用到的服务循环框架；

4. Home启动

        @p115

5.4 Binder框架分析

        Android为进程间通信提供Binder机制；

        1. Binder机制的功能

        （1）利用驱动程序来推进进程间的通信；

        （2）通过共享内存来提高性能；

        （3）为进程请求分配每个进程的线程池；

        （4）引入了引用计数和跨进程的对象引用映射；

------第六章 Android系统相关工具及运行环境

6.2 Dalvik虚拟机

6.2.1 概述

        加快程序的运行速度、较少应用程序的占用空间、Dalvik采用寄存器架构（p160）；

1. Dalvik虚拟机的主要功能

        每个程序对应一个独立的Dalvik进程（p160）；

        Linux内核作为硬件和软件栈之间的抽象层；

        Dalvik虚拟机从层次结构上与程序库位于同一层；

        @应用程序在Dalvik虚拟机中的执行流程（p160）；

        Dalvik虚拟机的输入是已经编译好的class文件或者jar文件；

        @源码位置：/dalvik/目录下（p161）；

        @/dalvik/目录下的dx文件夹是：将class文件或者jar文件转换成dex文件的工具；

2. Dalvik虚拟机和Java虚拟机的区别

        @最显著的差别：具有不同的类文件格式以及指令集（p162）；

        一个dex文件可以包含多个类，二一个class文件只能包含一个类；

        @Dalvik虚拟机的特点：p163-2；

        每个Dalvik虚拟机都是一个独立的进程空间，每个Android Dalvik应用程序都被赋予了一个独立的Linux PID（app_*）；

6.2.2 dex文件

1. dex文件格式

        @概念：Dalvik可执行文件由Dalvik虚拟机编译，并且被压缩成apk文件放在设备上（p163）；

        @dex文件的结构

2. dex文件转换

        @class文件转换成dex文件过程图（p164）；

        @.odex文件：dex的优化文件；

        @Android应用程序编译过程图；

6.2.3 Dalvik内存管理

1. 栈架构与寄存器架构

        @Dalvik是基于寄存器架构的虚拟机（p165）；

2. 内存管理

        @虚拟机的初始化（p166）；

6.2.4 Dalvik编译器

        @p169

6.3 JNI

6.3.1 概述

        @Java Native Interface Java本地调用（p171）

        JNI是一种技术，可实现如下功能：

        @功能：（1）Java程序中的函数可以调用Native语言写的函数，Native一般指的是C/C++编写的函数；（2）Native程序中的函数可以调用Java层的函数，也就是说在C/C++程序中可以调用Java的函数；

6.3.2 JNI的架构

        @（p171）Native函数要想注册到系统中，需要使用一个工具库nativehelper；

        @该工具库位于libnativehelper\目录中，最终将被编译成libnativehelper.so动态链接库，这样虚拟机就可以随时进行库的加载和调用了；

        @jni.h（JNI标准头文件）、JNIHelper.h（JNI注册功能头文件）

        @JNI代码实现位于：frameworks\base\core\jni\，最终被编译成libandroid_runtime.so动态链接库

        @JNI架构中，部分JNI另外编译，其中媒体部分的JNI代码位于frameworks\base\media\jni\目录中，被编译成libmedia_jni.so动态链接库；

6.3.3 JNI的实现方式

        @主要介绍原生方法在系统中的注册（p172）；

        @JNI调用实例分析（p172最后一段）；

6.4 Boot Loader

6.4.1 概述

        @概述：U-Boot，全称Universal Boot Loader，是在操作系统内核运行之前运行的一小段程序；为最终调用操作系统内核准备好正确的环境（p173）；

        @功能：(p174-2）

6.4.2 Boot Loader的操作模式

        @操作模式：“启动加载”模式、“下载”模式（p174）；

6.4.3 启动过程

        @U-Boot启动流程图（p175）

6.5 Busybox的使用

        @Google以bionic取代glibc，作为C库使用（p176）；

------第七章 Android驱动程序设计

7.1 Andoid驱动概述

        在安装有Android系统的设备上，需要为一些外部硬件安装对应的驱动程序（p177-1）；

        @驱动程序是添加到操作系统上的一段代码，包含了硬件相关的设备信息和操作接口。用户可以通过设备的操作接口来操作硬件（p177-1）。

        @Android系统驱动分为两层（p177-2）：

        （1）内核空间的Linux内核驱动层；（2）用户空间的Android硬件抽象层（HAL）；

        @驱动层主要的工作：

        （1）Linux设备驱动程序

        LCD、触摸屏、键盘等驱动

        @Android驱动开发结构图（p177）；

7.2 Android NDK编程

        @NDK是一系列工具的集合，全称：Android Native Development Kit；这个开发包帮助开发者快速开发C（或C++）的动态库或本地应用（p178）；

        @NDK开发流程图（p178），帮助理解NDK在Android开发过程中的作用；

        @C源代码、Android.mk、头文件可以通过NDK的编译组合成动态库（.so文件）；

7.3 Android系统中的HAL层

        @在Linux内核层之上，HAL实现了硬件抽象化，将硬件平台的差异隐藏，为上层提供统一的硬件平台，方便开发者在不同硬件平台上进行代码移植；

        @HAL：Hardware Abstration Layer 硬件抽象层（p183-1）

        @Linux系统中，只有在内核控件才能对硬件设备进行操作，而在Android中的内核空间使用Linux驱动，用户空间则以HAL的模块的方式，对硬件设备的细节进行封装，就也可以访问设备；（p183最后一段）

7.3.1 HAL_legacy和HAL对比

        @对应源码位置：libhardware_legacy（旧框架）、libhardware（新框架）

        @新旧HAL层架构图（p184）

7.3.2 HAL_module架构分析

        @p184

7.3.3 HAL实现流程

        @p186

7.4 Android系统Camera与WiFi实现

7.4.1 Camera实现

        @Camera系统结构图（p187）

1. 应用层

        @应用层代码位置：package/apps/Camera

2. Framework层硬件服务

        @1.Java接口层代码位置（p188）：frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java；

        @Java接口层代码将编译成framework.jar，成为SDK API；

        @2.JNI接口代码位置（p188）：frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp

这部分内容编译成libandroid_runtime.so；

        @3.Camera Client代码位置（p188）：frameworks/base/libs/camera

        @Camera Client代码被编译成libcamera_client.so，该库是作为Camera框架中的客户端，并通过Binder与服务端进行通信；

        @4.Camera Service代码位置（p188）：frameworks/base/services/camera/libcameraservices，这部分被编译成libcameraservice.so；

3. Camera HAL

        @用户空间的驱动代码（p189），这部分生成libcamera.so；

4. Camera Linux驱动

        @驱动目录（p190）：kernel/driver/media/video

7.4.2 WiFi实现

        @WiFi系统的上层接口包括（p190）：数据部分、控制部分；

        @WiFi系统结构图（p190）

1. wpa_supplicant

        @守护进程，负责认证的登录、加密等（p191）；

        @源码路径：external/wpa_supplicant_8/

        @编译后生成libwpaclient.so动态链接库和守护进程wpa_supplicant；

2. 适配器层

        @主要实现与wpa_supplicant的通信工作，实现Framework层的加载、控制（p191）；

        @源码路径：hardware/libhardware_legacy/wifi/

3. WiFi JNI

        @本地函数通过调用适配层的接口实现；

        @WiFi JNI接口的源码路径：frameworks/base/core/jni/android_net_wifi_Wifi.cpp

4. WiFi Framework层

        @WiFi系统分为WiFi客户端与WiFi服务端，两者通过Binder机制进行通信；

        @源码路径：

        frameworks/base/services/java/com/android/server/

        frameworks/base/wifi/java/android/net/wifi/

5. WiFi Settings

        @通过Android系统的Setting应用程序实现对WiFi的配置、控制等操作；

        @代码目录：packages/apps/Settings/src/com/android/settings/wifi/