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一文了解AOSP是什么？

AOSP基本信息

基本定义

AOSP是Android Open Source Project的缩写，这是一个由Google维护的完全免费和开放的操作系统开发项目。它是Android系统的核心基础，提供了构建移动操作系统所需的基本组件。

主要特点

• 完全开源：源代码可以自由获取和修改
• 基于Linux内核：使用修改版的Linux内核和其他开源软件
• 主要面向触屏设备：设计优化适配触摸屏设备

AOSP与商业Android的区别

• AOSP是纯净版Android系统，不包含Google服务和专有应用
• 商业版Android包含了额外的Google移动服务（GMS）和各种专有组件
• 大多数手机制造商会基于AOSP开发自己的定制Android版本

开发相关

• 支持多种编程语言：包括Java、C++和C语言
• 提供完整的开发文档和指南
• 定期发布安全更新和新版

最新发展

截至2024年9月，Android 15已经发布到AOSP，带来了许多新特性：

• 改进的应用开发工具
• 增强的排版功能
• 国际化支持优化
• 系统性能提升

使用场景

AOSP主要应用于：

• 定制Android系统开发
• 设备制造商的系统定制
• 第三方ROM开发（如LineageOS）
• 研究和学习Android系统架构

AOSP主要组件

系统层次结构-（从底层到顶层）：

A. Linux内核层

• 设备驱动程序
• 电源管理
• 安全系统
• 内存管理
• 进程管理

B. 硬件抽象层（HAL）

• 提供标准接口
• 连接高层框架与底层硬件
• 包含各种硬件模块的接口实现

C. 原生系统库

• libc（C库）
• SQLite数据库
• OpenGL ES（图形库）
• Media Framework（多媒体框架）
• WebKit（浏览器引擎）

D. Android Runtime

• ART（Android Runtime）或Dalvik虚拟机
• 核心库
• 即时编译器

框架层组件：

A. 系统服务（System Services）

• ActivityManager
• WindowManager
• PackageManager
• NotificationManager
• LocationManager

B. Java API框架

• View System（视图系统）
• Resource Manager（资源管理器）
• Content Providers（内容提供者）
• Notification Manager（通知管理器）

应用层组件：

A. 系统应用

• 基础应用程序
• 预装应用
• 核心功能应用

4. 模块化组件（Project Mainline）：

A. 可更新的系统组件

• 安全模块
• 隐私模块
• 媒体编解码器
• 网络组件
• 开发者API

重要目录结构：

AOSP根目录
├── build/          # 编译系统
├── bionic/         # 精简版C库
├── frameworks/     # 框架层代码
├── system/         # 底层文件系统
├── packages/       # 应用程序包
├── vendor/         # 厂商专有文件
└── device/         # 设备相关配置

安全架构组件：

• SELinux安全策略
• 权限管理系统
• 应用沙箱
• 加密系统
• 验证启动

核心特性：

• 模块化设计
• 开放源代码
• 可定制性强
• 支持多种硬件平台
• 定期安全更新

Android Runtime (ART)

ART是Android操作系统中的应用程序运行时环境，它在Android系统架构中扮演着关键角色。深入了解ART的特性、功能和它与前身Dalvik的区别。

ART的定义和演进：

Android Runtime (ART) 是Android操作系统中用于执行应用程序的运行时环境。它取代了早期版本中使用的Dalvik虚拟机，从Android 5.0 (Lollipop) 开始成为默认的运行时环境。ART负责将应用程序的字节码转换为本地指令，然后由设备的运行时环境执行这些指令。

ART的主要特性：

a) 预先编译（Ahead-of-Time Compilation，AOT）：ART在应用安装时就将字节码编译成机器码，而不是在运行时才进行编译。这显著提高了应用的执行速度。

b) 改进的垃圾回收：ART具有更高效的垃圾回收机制，减少了应用暂停时间，提高了性能。

c) 增强的调试支持：ART提供了更好的调试功能，有助于开发者更容易地找出和修复问题。

d) 优化的异常和垃圾回收追踪：这有助于提高应用的性能和稳定性。

ART vs Dalvik：

• 编译方式：Dalvik使用即时编译（JIT），而ART主要使用预先编译（AOT）。
• 性能：由于预先编译，ART通常能提供更好的性能和更快的应用启动速度。
• 存储空间：ART需要更多的存储空间来存储预编译的代码。
• 兼容性：如果应用在ART上运行良好，它通常也能在Dalvik上运行，但反之则不一定成立。

ART的工作原理：

当安装一个应用时，ART会将Dalvik字节码（.dex文件）编译成本地机器码。这个过程叫做"dex2oat"，它取代了Dalvik中的"dexopt"过程。在运行时，应用可以直接执行这些本地指令，而不需要额外的解释或编译步骤。

编译机制：

a) AOT（Ahead-of-Time）预先编译：

• 在应用安装时，将DEX文件转换为本地机器码
• 使用dex2oat工具进行编译优化
• 生成的本地代码存储在/data/dalvik-cache目录中
• 减少运行时开销，提高执行效率

b) JIT（Just-in-Time）即时编译：

• 识别频繁执行的代码片段（热点代码）
• 在运行时动态编译这些代码
• 结合配置文件导向优化（PGO）
• 平衡启动时间和性能优化

内存管理：

a) 垃圾回收机制：

• 采用并发垃圾回收器
• 支持内存压缩
• 减少应用暂停时间
• 更高效的内存分配和回收策略

b) 堆内存优化：

• 改进的对象分配
• 更好的内存碎片处理
• 优化的堆内存布局
• 支持大对象空间管理

执行优化：

a) 代码优化：

• 方法内联
• 循环优化
• 死代码消除
• 常量传播和折叠

b) 运行时优化：

• 改进的异常处理
• 优化的线程调度
• 更高效的方法调用
• 更好的类型检查消除

类加载和执行：

a) 类加载过程：

• 验证类文件格式
• 准备类数据结构
• 解析符号引用
• 初始化静态字段

b) 执行流程：

• 直接执行本地机器码
• 减少解释执行开销
• 支持动态链接
• 提供调试和监控能力
• 性能改进：

a) 启动优化：

• 减少应用冷启动时间
• 优化类加载顺序
• 提前加载关键组件

b) 运行时性能：

• 更低的内存占用
• 更好的电池效率
• 更流畅的用户体验
• 更稳定的长期性能

ART的架构：

ART的架构包括以下主要组件：

• 编译器：负责将DEX字节码转换为本地机器码。
• 垃圾回收器：管理内存分配和回收。
• 运行时：执行编译后的代码并提供运行时支持。
• 类加载器：负责加载应用所需的类。

ART的未来发展：

Google持续优化ART，以提供更好的性能、更低的内存使用和更长的电池寿命。未来的版本可能会引入更多的优化技术，如更智能的编译策略和更高效的内存管理。

System Apps（系统应用层）

核心系统应用

a) 设置应用（Settings）

• 提供系统级配置界面
• 管理设备各项功能开关
• 控制应用权限和通知
• 处理网络、显示、声音等设置
• 提供系统更新和安全选项

b) 包安装器（Package Installer）

• 处理应用的安装、更新和卸载
• 验证应用签名和权限
• 管理应用版本和兼容性
• 执行安装前的安全检查

c) 系统界面（SystemUI）

• 管理状态栏和导航栏
• 处理系统通知和快速设置
• 提供系统级UI交互
• 显示系统状态信息

基础功能应用

a) 电话应用

• 管理通话功能
• 维护通话记录
• 提供紧急呼叫服务
• 支持通讯录集成

b) 短信应用

• 处理短信和彩信
• 管理消息会话
• 提供垃圾信息过滤
• 支持消息备份恢复

c) 相机应用

• 提供拍照和录像功能
• 支持基本图像处理
• 管理相机参数设置
• 集成AR和AI功能

用户服务应用

a) 联系人

• 管理通讯录信息
• 支持多账户同步
• 提供联系人分组
• 处理联系人导入导出

b) 日历

• 管理日程和提醒
• 支持多账户日历同步
• 提供农历和节假日信息
• 处理重复事件逻辑

c) 时钟

• 提供闹钟功能
• 支持世界时钟显示
• 包含计时器和秒表
• 管理系统时间设置

4. 系统工具

a) 文件管理器

• 浏览文件系统
• 管理存储空间
• 支持文件操作
• 提供文件分享功能

b) 下载管理器

• 处理系统下载任务
• 支持断点续传
• 管理下载队列
• 监控下载进度和状态

c) 备份还原

• 系统设置备份
• 应用数据备份
• 用户数据迁移
• 系统恢复功能

重要特点

a) 系统权限

• 具有特殊系统权限
• 可访问底层API
• 运行在系统进程
• 享有高优先级

b) 预装特性

• 出厂预装
• 难以卸载
• 自动更新
• 系统级整合

c) 安全机制

• 系统签名保护
• 特权操作控制
• 安全存储访问
• 隐私数据保护

Java API Framework（应用框架层）

视图系统（View System）

• 提供UI构建的基础组件
  • View：所有UI组件的基类
  • ViewGroup：容器类，可包含其他View
  • Layout：各种布局管理器
  • Widget：预制UI控件
• 处理用户交互
  • 触摸事件处理
  • 手势识别
  • 动画效果
  • 视图切换

资源管理器（Resource Manager）

• 管理应用资源
  • 布局文件（XML）
  • 字符串资源
  • 图片和多媒体
  • 主题和样式
• 支持特性
  • 国际化（多语言）
  • 屏幕适配
  • 主题切换
  • 运行时资源访问

活动管理器（Activity Manager）

• 管理应用组件生命周期
  • onCreate()：创建初始化
  • onStart()：可见未交互
  • onResume()：可见可交互
  • onPause()：失去焦点
  • onStop()：不可见
  • onDestroy()：销毁
• 处理应用导航和任务
  • 任务栈管理
  • Intent系统
  • 进程管理
  • 应用切换

窗口管理器（Window Manager）

• 窗口类型管理
  • 应用窗口
  • 系统窗口
  • 子窗口
• 窗口控制功能
  • 布局参数设置
  • Z轴排序
  • 焦点管理
  • 输入事件分发

内容提供者（Content Provider）

• 数据操作接口
  • CRUD操作
  • 跨应用数据共享
  • 权限控制
  • URI寻址
• 系统内容提供者
  • 联系人数据
  • 日历数据
  • 媒体库
  • 通话记录

包管理器（Package Manager）

• 应用程序管理
  • 安装和卸载
  • 权限管理
  • 版本控制
  • 签名验证
• 应用信息查询
  • 包信息
  • 组件信息
  • 权限信息
  • 服务信息

通知管理器（Notification Manager）

• 通知类型支持
  • 标准通知
  • 进度通知
  • 自定义通知
  • 前台服务通知
• 通知功能特性
  • 通知渠道
  • 重要性级别
  • 用户交互
  • 自定义样式

电话管理器（Telephony Manager）

• 通讯功能管理
  • 通话控制
  • 短信处理
  • SIM卡管理
  • 网络状态监控
• 设备信息获取
  • 设备识别码
  • 运营商信息
  • 信号强度
  • 通话状态

位置管理器（Location Manager）

• 定位方式支持
  • GPS定位
  • 网络定位
  • 被动定位
  • 地理编码
• 位置服务功能
  • 位置更新
  • 地理围栏
  • 位置权限
  • 省电模式

这些框架组件共同构成了Android应用开发的基础，为开发者提供了丰富的API接口。每个组件都专注于特定的功能领域，通过良好的封装和抽象，使得应用开发更加高效和规范。

Native Libraries（原生库层）

概述

• Native Libraries 是 Android 系统中的重要组成部分，主要由 C/C++ 编写
• 它们为上层的 Java API 框架提供必要的底层支持
• 可以直接与 Linux 内核进行交互，提供高效的系统服务

主要组件

a) Surface Manager（表面管理器）

• 负责管理显示子系统
• 处理多个应用窗口的显示合成
• 确保界面显示的流畅性

b) OpenGL ES

• 提供 2D 和 3D 图形处理能力
• 支持硬件加速的图形处理
• 为游戏和图形应用提供强大支持

c) Media Framework（媒体框架）

• 处理各种音频和视频格式
• 提供媒体编解码功能
• 支持图片处理和转换

d) SQLite

• 轻量级关系型数据库
• 为应用提供结构化数据存储
• 支持复杂的数据查询和管理

e) WebKit

• 提供网页浏览核心引擎
• 支持 HTML 内容的解析和渲染
• 为浏览器和 WebView 提供支持

f) SSL

• 提供安全通信支持
• 实现数据加密和解密
• 保护网络传输安全

g) libc

• 标准 C 库实现
• 提供基本的系统调用接口
• 负责内存管理等基础功能

特点

a) 高性能

• 可以直接访问硬件资源
• 执行效率高
• 适合处理计算密集型任务

b) 跨平台

• 通过 JNI 接口与 Java 层交互
• 支持使用 NDK 进行开发
• 具有良好的可移植性

c) 安全性

• 实现系统级的权限控制
• 提供内存保护机制
• 确保进程间的隔离

Native Libraries 层是 Android 系统性能和功能的重要保障，它通过底层的 C/C++ 实现提供了高效的系统服务，同时通过良好的接口设计，使得上层应用能够方便地使用这些功能。

Hardware Abstraction Layer（硬件抽象层）

基本概念

a) 定义

• HAL 是 Android 系统中的一个标准接口层
• 负责封装底层硬件驱动程序的具体实现
• 作为硬件和高层软件之间的桥梁

b) 作用

• 有效隔离不同硬件设备的差异性
• 为上层提供统一的硬件访问接口
• 简化硬件驱动程序的开发过程

主要模块

a) 显示模块

• 负责设备屏幕的显示功能
• 处理图形渲染相关操作
• 控制显示分辨率和刷新率

b) 音频模块

• 管理声音的播放和录制
• 处理音频数据的采集
• 实现各种音效处理功能

c) 相机模块

• 控制图像的采集过程
• 管理视频的录制功能
• 提供相机参数的调节接口

d) 传感器模块

• 处理加速度传感器数据
• 管理陀螺仪信息
• 控制地磁感应器
• 处理环境光感应等功能

e) 无线模块

• 管理 WiFi 连接和控制
• 处理蓝牙通信功能
• 控制 NFC 近场通信

f) 存储模块

• 管理设备内部存储
• 控制外部存储访问
• 提供存储空间管理

实现机制

a) 模块化设计

• 采用独立的模块结构
• 实现可插拔的架构设计
• 保持模块间的松耦合

b) 接口规范

• 定义标准的 HAL 接口
• 确保版本间的兼容性
• 维护接口的稳定性

c) 驱动适配

• 对接具体的硬件驱动
• 实现设备适配功能
• 保证硬件兼容性

特点优势

a) 跨平台特性

• 实现硬件无关性
• 提供设备兼容能力
• 支持平台间的移植

b) 可维护性

• 便于模块化管理
• 支持独立更新维护
• 实现错误隔离机制

c) 安全性

• 实现严格的权限控制
• 限制直接硬件访问
• 提供系统保护机制

HAL 层在 Android 系统中扮演着至关重要的角色，它不仅使得 Android 能够运行在各种不同的硬件平台上，还为硬件厂商提供了标准的开发接口。通过 HAL 的抽象，上层应用开发者可以专注于功能实现，而不必过多关注底层硬件的具体细节。同时，HAL 的模块化设计也使得系统的维护和升级变得更加容易和灵活。

Linux Kernel（Linux内核层）

核心组件

a) 进程管理

• 负责进程的创建、调度和终止
• 管理进程间通信（IPC）机制
• 处理线程的创建和管理
• 实现进程同步和互斥机制

b) 内存管理

• 管理物理内存的分配和回收
• 实现虚拟内存机制
• 处理页面置换算法
• 管理内存映射和共享内存

c) 文件系统

• 提供 VFS（虚拟文件系统）抽象层
• 实现各种文件系统操作接口
• 管理文件系统缓存
• 处理磁盘存储管理

d) 网络协议栈

• 实现 TCP/IP 协议族
• 管理网络设备驱动程序
• 提供网络过滤功能
• 处理网络数据包的收发

e) 设备驱动

• 管理字符设备（如终端、串口）
• 控制块设备（如硬盘、USB存储）
• 处理网络设备
• 提供统一的设备驱动模型

系统特性

a) 多任务支持

• 实现抢占式调度机制
• 支持实时任务调度
• 管理进程优先级
• 实现系统负载均衡

b) 内存保护

• 实现地址空间隔离
• 控制内存访问权限
• 提供内存屏障机制
• 处理缺页异常

c) 安全机制

• 管理用户权限和访问控制
• 集成 SELinux 安全框架
• 控制系统调用访问
• 实现资源访问限制

内核功能

a) 系统调用

• 提供进程控制接口
• 实现文件操作功能
• 支持设备控制操作
• 维护系统信息

b) 中断处理

• 处理硬件中断请求
• 管理软件中断
• 维护中断向量表
• 执行中断处理程序

c) 同步机制

• 提供信号量机制
• 实现互斥锁
• 支持自旋锁
• 提供读写锁机制

扩展特性

a) 模块化支持

• 支持动态加载内核模块
• 管理模块间依赖关系
• 实现设备热插拔
• 控制模块版本兼容性

b) 调试功能

• 提供内核调试工具
• 支持性能分析功能
• 实现系统日志机制
• 提供故障诊断能力

c) 虚拟化支持

• 集成 KVM 虚拟化
• 提供容器技术支持
• 支持硬件虚拟化
• 实现资源隔离机制

Linux 内核是整个操作系统的核心，它直接管理计算机的硬件资源，为上层应用程序提供了稳定、高效的运行环境。通过模块化设计和丰富的功能特性，Linux 内核能够适应各种不同的应用场景，从嵌入式设备到大型服务器都可以很好地支持。同时，其开源特性也使得它能够持续改进和发展，保持技术的先进性和创新性。