Что входит в архитектуру платформы андроид

Архитектура Android

Android – это набор открытого программного обеспечения для мобильных устройств от компании Google, в состав которого входит операционная система и комплект базовых межплатформенных приложений.

Для разработки приложений под платформу Android потребуется набор инструментов и библиотек API — Android SDK, последнюю версию которого вы можете найти здесь.

На представленном ниже рисунке показана архитектура ОС Android.

Уровень приложений (Applications)

В состав Android входит комплект базовых приложений: клиенты электронной почты и SMS, календарь, различные карты, браузер, программа для управления контактами и много другое. Все приложения, запускаемые на платформе Android написаны на языке Java.

Уровень каркаса приложений (Application Framework)

Android позволяет использовать всю мощь API, используемого в приложениях ядра. Архитектура построена таким образом, что любое приложение может использовать уже реализованные возможности другого приложения при условии, что последнее откроет доступ на использование своей функциональности. Таким образом, архитектура реализует принцип многократного использования компонентов ОС и приложений.

Основой всех приложений является набор систем и служб:
1. Система представлений (View System) – это богатый набор представлений с расширяемой функциональностью, который служит для построения внешнего вида приложений, включающий такие компоненты, как списки, таблицы, поля ввода, кнопки и т.п.
2. Контент-провайдеры (Content Providers) – это службы, которые позволяют приложениям получать доступ к данным других приложений, а также предоставлять доступ к своим данным.
3. Менеджер ресурсов (Resource Manager) предназначен для доступа к строковым, графическим и другим типам ресурсов.
4. Менеджер извещений (Notification Manager) позволяет любому приложению отображать пользовательские уведомления в строке статуса.
5. Менеджер действий (Activity Manager) управляет жизненным циклом приложений и предоставляет систему навигации по истории работы с действиями.

Уровень библиотек (Libraries)

Платформа Android включает набор C/C++ библиотек, используемых различными компонентами ОС. Для разработчиков доступ к функциям этих библиотек реализован через использование Application Framework. Ниже представлены некоторые из них:
1. System C library — BSD-реализация стандартной системной библиотеки C (libc) для встраиваемых устройств, основанных на Linux.
2. Media Libraries – библиотеки, основанные на PacketVideo‘s OpenCORE, предназначенные для поддержки проигрывания и записи популярных аудио- и видео- форматов (MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG и т.п.).
3. Surface Manager – менеджер поверхностей управляет доступом к подсистеме отображения 2D- и 3D- графических слоев.
4. LibWebCore – современный движок web-браузера, который предоставляет всю мощь встроенного Android-браузера.
5. SGL – движок для работы с 2D-графикой.
6. 3D libraries – движок для работы с 3D-графикой, основанный на OpenGL ES 1.0 API.
7. FreeType – библиотека, предназначенная для работы со шрифтами.
8. SQLite – мощный легковесный движок для работы с реляционными БД.

Уровень среды исполнения (Android Runtime)

В состав Android входит набор библиотек ядра, которые предоставляют большую часть функциональности библиотек ядра языка Java.

Платформа использует оптимизированную, регистр-ориентированную виртуальную машину Dalvik, в отличии от нее стандартная виртуальная машина Java – стек-ориентированная. Каждое приложение запускается в своем собственном процессе, со своим собственным экземпляром виртуальной машины. Dalvik использует формат Dalvik Executable (*.dex), оптимизированный для минимального использования памяти приложением. Это обеспечивается такими базовыми функциями ядра Linux, как организация поточной обработки и низкоуровневое управление памятью. Байт-код Java, на котором написаны ваши приложения, компилируются в dex-формат при помощи утилиты dx, входящей в состав SDK.

Уровень ядра Linux (Linux Kernel)

Android основан на ОС Linux версии 2.6, тем самым платформе доступны системные службы ядра, такие как управление памятью и процессами, обеспечение безопасности, работа с сетью и драйверами. Также ядро служит слоем абстракции между аппаратным и программным обеспечением.

2.1 Архитектура ос Android

Операционная система Androidсостоит из набора компонентов таких как приложения, каркас приложения, библиотеки, среды исполнения и ядра линукс. На Рисунок представлена диаграмма основных компонентов операционной системы Android [6].

Рисунок 2.1 — Основные компоненты ОС Android

Уровень приложений

В состав ОС Android входит комплект базовых приложений: клиенты электронной почты и SMS, календарь, различные карты, браузер, программа для управления контактами и многое другое. Все приложения, запускаемые на платформе Android, написаны на языке Java.

Уровень каркаса приложений

ОС Android позволяет полностью использовать API, используемый в приложениях ядра. Архитектура построена таким образом, что любое приложение может использовать уже реализованные возможности другого приложения при условии, что последнее откроет доступ на использование своей функциональности. Таким образом, архитектура реализует принцип многократного использования компонентов ОС и приложений.

Основой всех приложений является набор систем и служб:

менеджер действий (Activity Manager) управляет жизненным циклом приложений и предоставляет систему навигации по истории работы с действиями;

контент-провайдеры (Content Providers) – это службы, которые позволяют приложениям получать доступ к данным других приложений, а также предоставлять доступ к своим данным;

система представлений (View System) – это богатый набор представлений с расширяемой функциональностью, который служит для построения внешнего вида приложений, включающий такие компоненты, как списки, таблицы, поля ввода, кнопки и т.п.;

менеджер ресурсов (Resource Manager) предназначен для доступа к строковым, графическим и другим типам ресурсов;

менеджер извещений (Notification Manager) позволяет любому приложению отображать пользовательские уведомления в строке статуса.

Уровень библиотек

System C library— BSD-реализация стандартной системной библиотеки C (libc) для встраиваемых устройств, основанных на Linux;

Media Libraries– библиотеки, основанные наPacketVideo‘sOpenCORE, предназначенные для поддержки проигрывания и записи популярных аудио- и видео- форматов (MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG и т.п.);

LibWebCore– ядро встроенного web-браузера;

Surface Manager– менеджер поверхностей управляет доступом к подсистеме отображения 2D- и 3D- графических слоев;

SGL (ScalableGraphicsLibrary)– библиотека для работы с 2D-графикой, основанная на библиотеке SDL (SimpleDirectMediaLayer);

3D libraries– библиотеки для работы с 3D-графикой, основанные наOpenGLES 1.0 API;

FreeType– библиотека, предназначенная для работы со шрифтами.

SQLite– легковесная реляционная система управления базами данных.

Уровень среды исполнения

В состав ОС Android входит набор библиотек ядра, которые предоставляют большую часть функциональности библиотек ядра языка Java.

Платформа использует оптимизированную, регистр-ориентированную виртуальную машину Dalvik, в отличии от которой стандартная виртуальная машина Java– стек-ориентированная. Каждое приложение запускается в своем собственном процессе, со своим собственным экземпляром виртуальной машины. Виртуальная машина Dalvik использует формат DalvikExecutable(*.dex), оптимизированный для минимального использования памяти приложением. Это обеспечивается такими базовыми функциями ядра Linux, как организация поточной обработки и низкоуровневое управление памятью. Байт-кодJava, на котором написаны ваши приложения, компилируются в dex-формат при помощи утилиты dx, входящей в состав SDK.

Уровень ядра Linux

ОС Android основана на ОС Linux версии 2.6, тем самым платформе доступны системные службы ядра, такие как управление памятью и процессами, обеспечение безопасности, работа с сетью и драйверами. Также ядро служит слоем абстракции между аппаратным и программным обеспечением [6, 11, 12, 13].

Как работает Android. Архитектура платформы

Думаю, что каждому начинающему разработчику тяжело понять как Android устроен и в принципе из чего он состоит. В этой статье я постараюсь наиболее детально и понятно расписать как система Android спроектирована.

Начнем со схемы, на которой визуально отображены все основные компоненты архитектуры, а ниже детально (насколько это возможно) рассмотрим каждый из них.

android_architecture

Linux Kernel

Данный уровень является базовым в архитектуре Android, так как вся система Android построена на ядре Linux с некоторыми архитектурными изменениями.

Основные задачи, выполняемые ядром.

Ядро содержит в себе драйверы, необходимые для взаимодействия с оборудованием. Например, возьмем Bluetooth. В наше время сложно найти устройство, которое бы не включало в себя эту функцию. Поэтому ядро должно включать драйвер для работы с ним. На схеме выше как раз таки перечислены все драйверы, входящие в ядро Linux, поэтому не будем перечислять их все по отдельности.

Power Management — это своего рода система управления питанием. Она предоставляет различные средства, с помощью которых приложение может реагировать на режимы питания устройства, а также поддерживать необходимые компоненты устройства активными. Например, при чтении книги нам было бы удобно, если бы экран оставался постоянно активным. Или когда мы включаем музыку и она продолжает проигрываться в фоне при отключенном экране.

Помимо вышеперечисленного, ядро Linux обеспечивает управление памятью и процессом.

Управление памятью.
При запуске различных приложений ядро гарантирует, что пространство памяти, которое они используют, не конфликтует и не перезаписывает друг друга. Также оно проверяет, что все приложения получают достаточный объем памяти для своей работы, и в то же время следит, чтобы ни одно приложение не занимало слишком много места.

Управление процессом.
Каждое приложение в Android работает в отдельном процессе. Ядро же отвечает за управление этими процессами, а именно за создание, приостановку, остановку, или завершение процессов, за одновременное выполнение нескольких процессов, обмен данными между процессами, запуск процессов в фоновом режиме. Помимо этого ядро распределяет работу между процессорами устройства, что максимизирует производительность устройств с несколькими ядрами.

Hardware Abstraction Layer (HAL)

HAL обеспечивает связь между драйверами и библиотеками. Состоит он из нескольких библиотечных модулей, каждый из которых реализует интерфейс для определенного аппаратного компонента (Bluetooth, Камера итд.). И когда к оборудованию устройства обращаются через API-интерфейс, загружается необходимый для его работы модуль.

Если объяснять на пальцах, то когда от приложения поступает какое-либо сообщение, HAL его обрабатывает таким образом, чтобы оно стало понятным для драйверов. И наоборот.

Android Runtime (ART)

Основным языком Android был выбран Java, поскольку это один из самых популярных языков программирования. Для Java существует много наработок и специалистов, а написанные на нем программы переносимы между операционными системами.

Но для того, чтобы программа работала на Java необходима виртуальная машина ‒ Java Virtual Machine. В Android используется виртуальная машина Android Runtime (ART). Эта машина специально оптимизирована для работы на мобильных устройствах: с нехваткой памяти, с постоянной выгрузкой и загрузкой приложений и т.д. В версиях Android ниже 5.0 Lollipop, использовалась виртуальная машина Dalvik — старая реализация виртуальной машины для Android.

В ART, как и в Dalvik, используется свой формат байт-кода ‒ DEX (Dalvik executable). При сборке приложения исходные файлы сначала компилируются в файлы типа class обычным компилятором, а затем конвертируются специальной утилитой в DEX .

И Dalvik, и ART оптимизируют выполняемый код, используя механизм компиляции just-in-time (JIT) — компиляция происходит во время выполнения приложения, что позволяет оптимизировать код для выполнения на конкретном устройстве. При этом байт-код приложения можно переносить на другие устройства.

ART может компилировать байт-код заранее, а не во время выполнения, используя ahead-of-time (AOT). Система сама решает, когда и какие приложения необходимо скомпилировать. Например, когда устройство не загружено и подключено к зарядке. При этом ART учитывает информацию о приложении, собранную во время предыдущих запусков, что дает дополнительную оптимизацию.

Native C/C++ Libraries

Набор библиотек, написанных на языках C или C++ и используемых различными компонентами ОС.

WebKit — представляет из себя движок веб-браузера и другие связанные с ним функции.
Media Framework предоставляет медиа кодеки, позволяющие записывать и воспроизводить различные медиа-форматы.
OpenGL — используется для отображения 2D и 3D графики.
SQLite — движок базы данных, используемый в Android для хранения данных.

Java API Framework (Application Framework)

Набор API, написанный на языке Java и предоставляющий разработчикам доступ ко всем функциям ОС Android. Эти API-интерфейсы образуют строительные блоки, необходимые для создания приложений, упрощая повторное использование основных, модульных, системных компонентов и сервисов, таких как:

Activity Manager — управляет жизненным циклом приложения и обеспечивает общий навигационный стек обратных вызовов.
Window Manager — управляет окнами и является абстракцией библиотеки Surface Manager.
Content Providers — позволяет приложению получать доступ к данным из других приложений или обмениваться собственными данными, т.е. предоставляет механизм для обмена данными между приложениями.
View System — содержит строительные блоки для создания пользовательского интерфейса приложения (списки, тексты, кнопки итд.), а также управляет событиями элементов пользовательского интерфейса.
Package Manager — управляет различными видами информации, связанными с пакетами приложений, которые в настоящее время установлены на устройстве.
Telephony Manager — позволяет приложению использовать возможности телефонии.
Resource Manager — обеспечивает доступ к таким ресурсам, как локализованные строки, растровые изображения, графика и макеты.
Location Manager — возможность определения местоположения.
Notification Manager — отображение уведомлений в строке состояния.

System Apps

Верхний уровень в архитектуре Android, который включает в себя ряд системных (предустановленных) приложений и тонну других приложений, которые можно скачать с Google Play.

Системные приложения на всех устройствах разные, но все они являются предустановленными производителями устройства (приложение для SMS-сообщений, календарь, карты, браузер, контакты итд.).

Этот уровень использует все уровни ниже (если смотреть на схему) для правильного функционирования приложений.

Полезные ссылки

Официальная документация.
Hardware Abstraction Layer (HAL) на wiki.
Android Runtime на wiki.

Операционная система Android

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 появился 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.