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《Android 网络开发与应用实战详解》——2.3节Android系统架构

简介:
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本节书摘来自异步社区《Android 网络开发与应用实战详解》一书中的第2章,第2.3节Android系统架构,作者 王东华,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.3 Android系统架构
Android 网络开发与应用实战详解
在本节内容中,将进一步分解Android应用程序,详细剖析Android应用程序的核心构成部分,为读者学习本书后面知识打下基础。

2.3.1 Android体系结构介绍
Android作为一个移动设备的平台,其软件层次结构包括操作系统(OS)、中间件(MiddleWare)和应用程序(Application)。根据Android的软件框图,其软件层次结构自下而上分为以下4层。

(1)操作系统层(OS)。

(2)各种库(Libraries)和Android 运行环境(RunTime)。

(3)应用程序框架(Application Framework)。

(4)应用程序(Application)。

上述各个层的具体结构如图2-19所示。


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1.操作系统层(OS)
Android使用Linux 2.6作为操作系统,Linux 2.6是一种标准的技术,Linux也是一个开放的操作系统。Android对操作系统的使用包括核心和驱动程序两部分,Android的Linux核心为标准的Linux2.6内核,Android更多的是需要一些与移动设备相关的驱动程序。主要的驱动如下所示。

显示驱动(Display Driver):常用基于Linux的帧缓冲(Frame Buffer)驱动。
Flash内存驱动(Flash Memory Driver):是基于MTD的Flash驱动程序。
照相机驱动(Camera Driver):常用基于Linux的v4l(Video for)驱动。
音频驱动(Audio Driver):常用基于ALSA(Advanced Linux Sound Architecture,高级Linux声音体系)驱动。
WiFi驱动(WiFi Driver):基于IEEE 802.11标准的驱动程序。
键盘驱动(KeyBoard Driver):作为输入设备的键盘驱动。
蓝牙驱动(Bluetooth Driver):基于IEEE 802.15.1标准的无线传输技术。
Binder IPC驱动:Andoid一个特殊的驱动程序,具有单独的设备节点,提供进程间通信的功能。
Power Management(能源管理):管理电池电量等信息。
2.各种库(Libraries)和Android 运行环境(RunTime)
本层次对应一般嵌入式系统,相当于中间件层次。Android的本层次分成两个部分一个是各种库,另一个是Android 运行环境。本层的内容大多是使用C实现的。其中包含的各种库如下所示。

C库:C语言的标准库,也是系统中一个最为底层的库,C库是通过Linux系统调用来实现的。
多媒体框架(MediaFrameword):这部分内容是Android多媒体的核心部分,基于PacketVideo(即PV)的OpenCORE,从功能上本库一共分为两大部分,一个部分是音频、视频的回放(PlayBack),另一部分则是音、视频的纪录(Recorder)。
SGL:2D图像引擎。
SSL:即Secure Socket Layer位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间,为数据通信提供安全支持。
OpenGL ES 1.0:提供了对3D的支持。
界面管理工具(Surface Management):提供了对管理显示子系统等功能。
SQLite:一个通用的嵌入式数据库。
WebKit:网络浏览器的核心。
FreeType:位图和矢量字体的功能。
Android的各种库一般是以系统中间件的形式提供的,它们均有的一个显著特点就是与移动设备的平台的应用密切相关。

Android运行环境主要是指的虚拟机技术——Dalvik。Dalvik虚拟机和一般Java虚拟机(Java VM)不同,它执行的不是Java标准的字节码(Bytecode )而是Dalvik可执行格式(.dex)中执行文件。在执行的过程中,每一个应用程序即一个进程(Linux的一个Process)。二者最大的区别在于Java VM是以基于栈的虚拟机(Stack-based),而Dalvik是基于寄存器的虚拟机(Register-based)。显然,后者最大的好处在于可以根据硬件实现更大的优化,这更适合移动设备的特点。

3.应用程序(Application)
Android的应用程序主要是用户界面(User Interface)方面的,通常用Java语言编写,其中还可以包含各种资源文件(放置在res目录中)Java程序及相关资源经过编译后,将生成一个APK包。Android本身提供了主屏幕(Home)、联系人(Contact)、电话(Phone)、浏览器(Browers)等众多的核心应用。同时应用程序的开发者还可以使用应用程序框架层的API实现自己的程序。这也是Android开源的巨大潜力的体现。

4.应用程序框架(Application Framework)
Android的应用程序框架为应用程序层的开发者提供APIs,它实际上是一个应用程序的框架。由于上层的应用程序是以Java构建的,因此本层次提供的首先包含了UI程序中所需要的各种控件,例如,Views(视图组件),其中又包括了List(列表)、Grid(栅格)、Text Box(文本框)、Button(按钮)等。甚至一个嵌入式的Web浏览器。

一个基本的Andoid应用程序可以利用应用程序框架中的以下5个部分。

Activity(活动)。
Broadcast Intent Receiver(广播意图接收者)。
Service(服务)。
Content Provider(内容提供者)。
Intent and Intent Filter(意图和意图过滤器)。

2.3.2 Android应用工程文件组成
Android的应用工程文件主要由以下部分组成。

src文件:项目源文件都保存在这个目录里面。
R.java文件:这个文件是Eclipse自动生成的,应用开发者不需要去修改里边的内容。
Android Library:这个是应用运行的Android库。
assets目录:里面主要放置多媒体等一些文件。
res目录:里面主要放置应用用到的资源文件。
drawable目录:主要放置应用到的图片资源。
layout目录:主要放置用到的布局文件。这些布局文件都是XML文件。
values目录:主要放置字符串(strings.xml)、颜色(colors.xml)、数组(arrays.xml)。
Androidmanifest.xml:相当于应用的配置文件。在这个文件里边,必须声明应用的名称,应用所用到的Activity、Service、receiver等。
在Eclipse中,一个基本的Android项目的目录结构如图2-20所示。


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1.src目录
与一般的Java项目一样,“src”目录下保存的是项目的所有包及源文件(.java),“res”目录下包含了项目中的所有资源。例如,程序图标(drawable)、布局文件(layout)和常量(values)等。不同的是,在Java项目中没有“gen”目录,也没有每个Android项目都必须有的AndroidManifest.xml文件。

“.java”格式文件是在建立项目时自动生成的,这个文件是只读模式,不能更改。R.java文件是定义该项目所有资源的索引文件。先来看看HelloAndroid项目的R.java文件,例如下面的代码:

package com.yarin.Android.HelloAndroid;
public final class R {  
    public static final class attr {  
    }  
    public static final class drawable {  
        public static final int icon=0x7f020000;  
    }  
    public static final class layout {  
        public static final int main=0x7f030000;  
    }  
    public static final class string {  
        public static final int app_name=0x7f040001;  
        public static final int hello=0x7f040000;  
    }  
}

从上述代码中可以看到定义了很多常量,并且会发现这些常量的名字都与res文件夹中的文件名相同,这再次证明.java文件中所存储的是该项目所有资源的索引。有了这个文件,在程序中使用资源将变得更加方便,可以很快地找到要使用的资源,由于这个文件不能被手动编辑,所以当在项目中加入了新的资源时,只需要刷新一下该项目,.java文件便自动生成了所有资源的索引。

2.AndroidManifest.xml文件
在文件AndroidManifest.xml中包含了该项目中所使用的Activity、Service、Receiver,看下面“HelloAndroid”项目中的AndroidManifest.xml文件。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> 
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android" 
      package="com.yarin.Android.HelloAndroid" 
      android:versionCode="1" 
      android:versionName="1.0"> 
    <application android:icon="@drawable/icon"   
android:label="@string/app_name"> 
        <activity android:name=".HelloAndroid" 
                  android:label="@string/app_name"> 
            <intent-filter> 
                <action android:name="android.intent.action.MAIN" /> 
                <category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" /> 
            </intent-filter> 
        </activity> 
    </application> 
    <uses-sdk android:minSdkVersion="5" /> 
</manifest>

在上述代码中,intent-filters描述了Activity启动的位置和时间。每当一个Activity(或者操作系统)要执行一个操作时,它将创建出一个Intent的对象,这个Intent对象能承载的信息可描述你想做什么,你想处理什么数据,数据的类型,以及一些其他信息。而Android则会和每个Application所暴露的intent-filter的数据进行比较,找到最合适Activity来处理调用者所指定的数据和操作。下面我们来仔细分析AndroidManifest.xml文件,如表2-1所示。


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3.常量的定义文件
下面我们看看资源文件中一些常量的定义,如String.xml,例如下面的代码:

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> 
<resources> 
    <string name="hello">Hello World, HelloAndroid!</string> 
    <string name="app_name">HelloAndroid</string> 
</resources>

上述代码很简单,就定义了两个字符串资源。

接下来我们来分析HelloAndroid项目的布局文件(layout),首先我们打开文件“reslayoutmain.xml”,其代码如下所示。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    android:orientation="vertical" 
    android:layout_width="fill_parent" 
    android:layout_height="fill_parent" 
    > 
<TextView    
    android:layout_width="fill_parent"   
    android:layout_height="wrap_content"   
    android:text="@string/hello" 
    /> 
</LinearLayout>

在上述代码中,有以下几个布局和参数。

< LinearLayout>:线性版面配置,在这个标签中,所有元件都是按由上到下的排队排成的。
android:orientation:表示这个介质的版面配置方式是从上到下垂直地排列其内部的视图。
android:layout_width:定义当前视图在屏幕上所占的宽度,fill_parent即填充整个屏幕。
android:layout_height:定义当前视图在屏幕上所占的高度,fill_parent即填充整个屏幕。
wrap_content:随着文字栏位的不同而改变这个视图的宽度或高度。
在上述布局代码中,使用了一个TextView来配置文本标签Widget(构件),其中设置的属性android:layout_width为整个屏幕的宽度,android:layout_height可以根据文字来改变高度,而android:text则设置了这个TextView要显示的文字内容,这里引用了@string中的hello字符串,即String.xml文件中的hello所代表的字符串资源。hello字符串的内容“Hello World, HelloAndroid!”这就是我们在HelloAndroid项目运行时看到的字符串。

注意

上面介绍的文件只是主要文件,在项目中需要我们自行编写。在项目中还有很多其他的文件,那些文件很少需要我们编写,所以在此就不进行讲解了。

2.3.3 应用程序的生命周期
程序也如同自然界的生物一样,有自己的生命周期。应用程序的生命周期即程序的存活时间,即在啥时间内有效。Android是一个构建在Linux之上的开源移动开发平台,在Android中,多数情况下每个程序都是在各自独立的Linux 进程中运行的。当一个程序或其某些部分被请求时,它的进程就“出生”了;当这个程序没有必要再运行下去且系统需要回收这个进程的内存用于其他程序时,这个进程就“死亡”了。可以看出,Android 程序的生命周期是由系统控制而非程序自身直接控制。这和我们编写桌面应用程序时的思维有一些不同,一个桌面应用程序的进程也是在其他进程或用户请求时被创建,但是往往是在程序自身收到关闭请求后执行一个特定的动作(比如从 main函数中返回)而导致进程结束的。要想做好某种类型的程序或者某种平台下的程序的开发,最关键的就是要弄清楚这种类型的程序或整个平台下的程序的一般工作 模式并熟记在心。在 Android 中,程序的生命周期控制就是属于这个范畴

开发者必须理解不同的应用程序组件,尤其是Activity、Service和Intent Receiver。了解这些组件是如何影响应用程序的生命周期的,这非常重要。如果不正确地使用这些组件,可能会导致系统终止正在执行重要任务的应用程序进程。

一个常见的进程生命周期漏洞的例子是Intent Receiver(意图接收器),当Intent Receiver在onReceive方法中接收到一个Intent(意图)时,它会启动一个线程,然后返回。一旦返回,系统将认为Intent Receiver不再处于活动状态,因而Intent Receiver所在的进程也就不再有用了(除非该进程中还有其他的组件处于活动状态)。因此,系统可能会在任意时刻终止该进程以回收占有的内存。这样进程中创建出的那个线程也将被终止。解决这个问题的方法是从Intent Receiver中启动一个服务,让系统知道进程中还有处于活动状态的工作。为了使系统能够正确决定在内存不足时应该终止哪个进程,Android 根据每个进程中运行的组件及组件的状态把进程放入一个“Importance Hierarchy(重要性分级)”中。进程的类型按重要程度排序,主要包括如下几项。

1.前台进程(Foreground)
与用户当前正在做的事情密切相关。不同的应用程序组件能够通过不同的方法将它的宿主进程移到前台。在如下的任何一个条件下:进程正在屏幕的最前端运行一个与用户交互的活动(Activity),它的onResume方法被调用;或进程有一正在运行的Intent Receiver(它的IntentReceiver.onReceive方法正在执行);或进程有一个服务(Service),并且在服务的某个回调函数(Service.onCreate、Service.onStart或Service.onDestroy)内有正在执行的代码,系统将把进程移动到前台。

2.可见进程(Visible)
它有一个可以被用户从屏幕上看到的活动,但不在前台(它以onPause方法被调用)。例如,如果前台的活动是一个对话框,以前的活动就隐藏在对话框之后,就会现这种进程。可见进程非常重要,一般不允许被终止,除非是为了保证前台进程的运行而不得不终止它。

3.服务进程(Srvice)
拥有一个已经用startService方法启动的服务。虽然用户无法直接看到这些进程,但它们做的事情却是用户所关心的(如后台MP3回放或后台网络数据的上传下载)。因此,系统将一直运行这些进程,除非内存不足以维持所有的前台进程和可见进程。

4.后台进程(Background)
拥有一个当前用户看不到的活动(它以onStop方法被调用)。这些进程对用户体验没有直接的影响。如果它们正确执行了活动生命周期,系统可以在任意时刻终止该进程以回收内存,并提供给前面3种类型的进程使用。系统中通常有很多这样的进程在运行,因此要将这些进程保存在LRU 列表中,以确保当内存不足时用户最近看到的进程最后一个被终止。

5.空进程(Empty)
不拥有任何活动的应用程序组件的进程。保留这种进程的唯一原因是在下次应用程序的某个组件需要运行时,不需要重新创建进程,这样可以提高启动速度。

系统将以进程中当前处于活动状态组件的重要程度为基础对进程进行分类。进程的优先级可能也会根据该进程与其他进程的依赖关系而增长。例如,如果进程A 通过在进程B中设置Context.BIND_AUTO_CREATE标记或使用ContentProvider被绑定到一个服务(Service),那么进程B在分类时至少要被看成与进程A同等重要。

例如Activity的状态转换图如图2-21所示。


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图2-21所示的状态的变化是由Android内存管理器决定的,Android会首先关闭那些包含Inactive Activity的应用程序,然后关闭Stopped状态的程序。在极端情况下,会移除Paused状态的程序。

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