Android 平臺架構系統啟動流程詳解

一、平臺架構模塊

Android 是一個基于 Linux 的開源軟件堆棧，針對多種不同設備類型打造。圖 1 顯示了 Android 平臺的主要組件。

1.1 Linux 內核?

Android 平臺的基礎是 Linux 內核。例如，Android 運行時 (ART)?依賴 Linux 內核來實現底層功能，例如線程處理和低級內存管理。

使用 Linux 內核可讓 Android 利用關鍵安全功能，并讓設備制造商能夠為知名內核開發硬件驅動程序。

1.2?硬件抽象層 (HAL)?

硬件抽象層 (HAL)?提供了用于向較高級別的?Java API 框架公開設備硬件功能的標準接口。HAL 由多個庫模塊組成，每個模塊都為特定類型的硬件組件（例如相機或藍牙模塊）實現一個接口。當框架 API 發出調用以訪問設備硬件時，Android 系統將為該硬件組件加載庫模塊。

**硬件抽象層(HAL)**通過標準接口實現了硬件能力與Java框架的解耦。其核心價值體現在：

模塊化設計：每個硬件組件（如藍牙、傳感器）對應獨立.so庫
動態加載機制：當應用調用Camera API時，系統自動加載對應的Camera HAL模塊
版本兼容：通過HIDL接口定義語言保證跨版本兼容性

這種設計使得OEM廠商可以靈活實現硬件功能，同時保持應用層API的穩定性。

1.3?Android 運行時?

對于搭載 Android 5.0（API 級別 21）或更高版本的設備，每個應用都在其自己的進程中運行，并且有其自己的?Android 運行時 (ART)?實例。ART 編寫為通過執行 Dalvik 可執行文件格式 (DEX) 文件，在低內存設備上運行多個虛擬機。DEX 文件是一種專為 Android 設計的字節碼格式，針對最小的內存占用量進行了優化。構建工具（如?d8）可將 Java 源代碼編譯成 DEX 字節碼，此類字節碼可在 Android 平臺上運行。

ART 的部分主要功能包括：

預先 (AOT) 和即時 (JIT) 編譯
優化的垃圾回收 (GC)
在 Android 9（API 級別 28）及更高版本中，可將應用軟件包的 DEX 文件轉換為更緊湊的機器代碼
可提供更好的調試支持，包括專用采樣剖析器、詳細的診斷異常和崩潰報告，以及設置觀察點以監控特定字段的能力

在 Android 版本 5.0（API 級別 21）之前，Dalvik 是 Android 運行時。如果您的應用在 ART 上運行良好，那么它也可以在 Dalvik 上運行，但反過來不一定。

Android 還包含一套核心運行時庫，可提供 Java API 框架所使用的 Java 編程語言中的大部分功能，包括一些?Java 8 語言功能。

從Dalvik到ART的演進標志著Android性能的質的飛躍：

特性	Dalvik	ART
編譯方式	JIT即時編譯	AOT預先編譯
內存占用	較高	優化減少40%
啟動速度	較慢	提升50%以上
GC效率	暫停時間較長	并發標記清除

ART運行時的關鍵技術創新：

支持Java 8 Lambda表達式
引入Compact DEX格式減少安裝體積
診斷工具支持內存泄漏檢測
多Dex文件并行加載加速冷啟動

1.4?原生 C/C++ 庫?

許多核心 Android 系統組件和服務（如 ART 和 HAL）都是從需要用 C 和 C++ 編寫的原生庫的原生代碼構建的。Android 平臺提供 Java 框架 API，用于向應用提供其中一些原生庫的功能。例如，您可以通過 Android 框架的?Java OpenGL API?訪問?OpenGL ES，以支持在應用中繪制和操控 2D 和 3D 圖形。

如果開發的是需要 C 或 C++ 代碼的應用，可以使用?Android NDK?直接從原生代碼訪問某些原生平臺庫。

1.5 Java API 框架?

您可通過以 Java 語言編寫的 API 使用 Android 操作系統的整個功能集。這些 API 是創建 Android 應用所需的構建塊的基礎，可簡化核心、模塊系統組件和服務的重復使用，包括以下組件和服務：

豐富且可擴展的視圖系統，可用于構建應用界面，包括列表、網格、文本框、按鈕，甚至可嵌入的網絡瀏覽器
資源管理器，用于訪問非代碼資源，例如本地化的字符串、圖形和布局文件
通知管理器，可讓所有應用在狀態欄中顯示自定義提醒
一個?activity 管理器，用于管理應用的生命周期，并提供常見的導航返回堆棧
Content Provider，可讓應用訪問其他應用（例如“通訊錄”應用）中的數據或共享自己的數據

開發者可以完全訪問 Android 系統應用使用的相同框架 API。

1.6?系統應用?

Android 隨附一套用于電子郵件、短信、日歷、互聯網瀏覽和通訊錄等的核心應用。平臺隨附的應用與用戶可以選擇安裝的應用一樣，沒有特殊狀態。因此，第三方應用可以成為用戶的默認網絡瀏覽器、短信應用甚至默認鍵盤。但有一些例外情況，例如系統的“設置”應用。

系統應用既可用作用戶體驗應用，又能提供開發者可從自己的應用訪問的關鍵功能。例如，如果您希望應用發送短信，則無需自行構建該功能。您可以改為調用已安裝的短信應用，將消息發送給您指定的接收者。

二、系統啟動流程

Android啟動流程的大致步驟：

1. 電源啟動，執行Boot ROM中的代碼，加載Bootloader。

2. Bootloader加載內核和initramfs到內存。

3. 內核初始化硬件和驅動，掛載文件系統，啟動init進程。

4. init進程解析init.rc，啟動系統服務，包括Zygote。

5. Zygote啟動System Server，System Server啟動各種系統服務。

6. 系統服務啟動完成后，啟動Launcher，進入用戶界面。

此流程體現了Android從硬件初始化到用戶交互的完整鏈路，結合Linux內核與獨特的Android服務設計，確保了系統的高效啟動與運行。

Android系統的啟動流程是一個復雜但結構化的過程，涉及多個階段的協同工作。以下是整理后的詳細流程：

2.1?Bootloader階段

Boot ROM：設備上電后，執行芯片內固化的代碼（Boot ROM），初始化硬件并加載第一階段的Bootloader。
Bootloader：通常分為多個階段（如Primary和Secondary），負責驗證簽名、加載內核和initramfs到內存。常見的Bootloader如U-Boot或廠商定制版本。

2.2?內核啟動

Linux內核初始化：內核解壓后，初始化CPU、內存、設備驅動等，掛載根文件系統（通常為ramdisk）。
掛載系統分區：內核掛載/system（只讀）、/data（讀寫）等分區，可能涉及dm-verity驗證系統完整性。

2.3?Init進程（PID 1）

解析init.rc腳本：執行早期初始化（如創建目錄、設置權限），啟動核心守護進程（ueventd、logd）。
啟動關鍵服務：
- Zygote：通過app_process啟動，預加載Java核心類和資源，監聽Socket等待孵化應用進程。
- Service Manager：Binder IPC的核心管理服務。
- SurfaceFlinger：圖形合成服務，負責渲染UI。
- Media Server：多媒體相關服務。

2.4?Zygote與System Server

Zygote孵化System Server：Zygote fork出System Server進程（Java層核心）。
System Server啟動：
- Binder線程池初始化：啟用跨進程通信。
- 核心服務啟動順序：
  1. Activity Manager：管理應用生命周期。
  2. Package Manager：管理應用安裝與信息。
  3. Window Manager：窗口管理。
  4. Power Manager、Battery Service等其他服務。
- 服務依賴管理：確保服務按正確順序啟動。