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.

Архитектура Android.

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.
  
  Источник: http://android-shark.ru/arhitektura-operatsionnoy-sistemyi-android/
  © Акулы Андроида
  3D библиотеки которые используются для высоко оптимизированной отрисовки 3D-графики, при возможности используют аппаратное ускорение. Их реализации строятся на основе API OpenGL ES 1.0.
  OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems) – подмножество графического программного интерфейса OpenGL, адаптированное для работы на встраиваемых системах.
• FreeType – библиотека для работы с битовыми картами, а также для растеризации шрифтов и осуществления операций над ними. Это высококачественный движок для шрифтов и отображения текста.
• LibWebCore – библиотеки известного шустрого браузерного движка WebKit, используемого также в десктопных браузерах Google Chrome и Apple Safari.
• SGL (Skia Graphics Engine) – открытый движок для работы с 2D-графикой. Графическая библиотека является продуктом Google и часто используется в других их программах.
• SSL - библиотеки для поддержки одноименного криптографического протокола.
• Libc – стандартная библиотека языка C, а именно её BSD реализация, настроенная для работы на устройствах на базе Linux. Носит название Bionic.

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.

Источник: http://android-shark.ru/arhitektura-operatsionnoy-sistemyi-android/
© Акулы Андроида

 
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.