Android高级进阶之路【六】Android Framework解析

众所周知，Android是一个基于Linux实现的操作系统。但对于Linux内核来说，Android也仅仅只是一个运行在内核之上的应用程序，与其他运行在内核之上的应用程序没有任何区别。所以Android也需要运行环境，需要Linux内核在启动完成后加载Android Framework运行所需要的资源。当Framework完成初始化后才能继续启动相应的APK应用程序。

Framework启动分析

Framework运行的第一个Java虚拟机进程为zygote（对应具体程序为app_process，该程序位于system/bin目录下），zygote是APK应用程序的父进程，此后所有的虚拟机进程都由zygote创建。

zygote有两个功能：
1.接受请求创建新的Dalvik进程
2.共享类和资源（需要加载的资源在preload-classes文本文件中声明）

对于Android来说，每一个应用程序对应着一个Linux 进程，每一个进程都是一个Dalvik虚拟机，Dalvik虚拟机是一种类似Java虚拟机的实现。

zygote进程在启动时会预先装载共享类和共享资源，这些类及资源实际上就是SDK中定义的大部分类和资源。当zygote进程创建新进程时，新的APK进程只需装载自身类和资源即可。共享的资源位于同一段物理内存空间中，zygote进程及其创建的Dalvik进程都可以访问，这就解决了多个APK共享Framework资源的问题。（更多关于资源的讨论请看Android资源加载机制详解）

zygote创建的第一个进程名为SystemServer，SystemServer创建了一个Socket客户端，并创建了ActivityManagerService线程来管理该客户端。之后所有的Dalvik进程都是由该客户端启动的。当需要启动新的APK进程时，AmS会通过该Socket客户端向zygote进程的Socket服务端发送一个启动命令，然后zygote就会创建(使用fork()创建新进程)出新的应用程序进程。

系统服务
SystemServer进程内部运行着APK应用中能够直接交互的大部分系统服务。比如WindowManagerService（简称WmS），ActivityManagerService（简称AmS），PackageManagerService（简称PmS）等。这些系统服务都是以一个线程的方式生存在SystemServer进程中。SystemServer启动的各种服务线程如下所示：

PowerManagerService电源管理服务
ActivityManagerService管理Activity
PackageManagerService程序包管理服务
BatteryService电池管理服务
LightService自然光强度感应传感器服务
VibratorService震动传感器服务
ClipboardService剪切板服务
NetworkManagerService网络管理服务
InputMethodManagerService输入法管理服务
BluetoothService蓝牙服务
...

Dalvik与Android Runtime（ART）
Dalvik是一种类Java虚拟机的实现，其执行的是class优化后的dex字节码文件。Dalvik通过一个JIT（Just-In-Time）编译器去解释字节码，但执行效率并不理想。

自动Android 4.4后安卓就内置了ART实现，从5.0开始更是直接抛弃了Dalvik全面使用ART。ART通过AOT机制（Ahead-Of-Time）在应程序安装时将字节码编译成机器语言，因此执行速度更快。并且ART也完全兼容Dalvik。

应用程序启动分析

在计算机的世界里每个程序都有一个main()方法，程序代码都是从main()方法开始执行，Android应用程序也不例外。

当应用程序启动时系统首先会为其创建一个Dalvik虚拟机进程，并加载APK应用程序类及资源。然后，APK应用程序从ActivityThred的main()方法处开始执行。

首先main()方法为UI线程创建一个消息队列（MessageQueue）。然后创建ActivityThread对象，ActivityThread初始化时会创建一个Handler和一个Binder。Binder负责接收远程AmS的IPC调用，接收到调用后通过Handler将消息发送到消息队列，UI主线程会异步地从消息队列中取出消息并执行相应操作，比如start,stop,pause等。

接着UI主线程调用Looper.loop()方法进入消息循环体，进入后就会不断从消息队列中读取并处理消息。

ActivityThread是APK程序的UI线程，也就是我们所说的主线程。主线程要求执行时间不能超过5秒，超过就会报ANR，这个5秒就是UI线程消息队列循环一次的最大时间阈值。

当ActivityThread接收到AmS发送的start某个Activity消息后，就会创建指定Activity对象。Activity又会创建PhoneWindow类，PhoneWindow创建DecorView，DecorView内部包含Activity.setContentView(R.layout.xxx)指定的布局。

创建完成后，Activity需要将布局显示在屏幕上，于是调用WindowManager.addView()方法。WindowManager为Activity对应的窗口（Window）创建一个ViewRoot对象（每一个窗口对应一个ViewRoot对象），然后调用WmS提供的远程接口将窗口（布局）显示到屏幕上。至此应用程序中的Activity就显示在屏幕上了。

APK中的线程
在现在操作系统中，任何应用程序都运行在线程之中。客户端在启动时系统会首先为其分配一个线程，然后该线程从程序的入口处开始执行。对于包含Activity的客户端程序，至少包含三个线程：

主线程，又称UI线程，也就是应用程序本身所在的线程，主要用于处理用户消息以及绘制程序界面。
ViewRoot.W对象对应的线程，Activity启动后会创建一个ViewRoot.W对象，W对象继承自Binder，因此会启动一个对象负责接收Linux Binder驱动的IPC调用。
ApplicationThread对象所对应的线程，该对象也继承自Binder，因此也会启动一个线程用于IPC调用。

自定义Thread与UI线程的区别
对于UI线程，在启动时已经创建了消息队列（MessageQueue），既在ActivityThread的main()方法中已经使用Looper.prepareMainLooper()方法为UI线程添加了Looper对象。程序员可以直接在Activity中定义Handler对象发送处理消息。

而对于普通线程，需要手动调用Looper.prepareLooper()方法为Thread创建消息队列，这样才能定义Handler处理消息。即不能直接在Thread中定义Handler。

从使用场景上说，就是不能直接给Thread对象发消息，但是却可以给UI线程发消息。

具体Handler的使用及解释请移步Android异步通信机制详解

一些重要的类：

下面是一些系统中常见的类及其功能介绍，通读一遍会对理解Android源码很有帮助。

两个重要的系统服务

WindowManagerService，管理所有的窗口，包括创建删除窗口，隐藏显示窗口，决定窗口的层级顺序，指定当前正在与应用程序交互的窗口。
ActivityManagerService，内存管理，进程管理，统一调度所有应用程序中的Activity。所有Activity的启动必须通知AmS，AmS也决定了某个进程会不会被杀死。

两个消息处理类

KeyQ类：该类是WmS的内部类，继承自KeyInputQueue，一旦创建就立即启动一个线程，该线程会不断读取用户UI操作消息，比如按键、触摸屏、等，并把这些消息放到一个消息队列QueueEvent类中。
InputDispatcherThread类：该类一旦创建也会启动一个线程，该线程会不断地从QueueEvent中读取用户消息，并进行一定的过滤，过滤后发送给当前活动的而应用程序中。

其他常用类

ActivityThread类，应用程序主线程类，所有的APK都有且仅有一个ActivityThread类，程序的入口为该类中的static main()方法，ActivityThread所在的线程即为UI线程或主线程。
ViewRoot类，WmS管理客户端窗口时，需要通知客户端进行某种操作，这些都是通过IPC调用来完成的，而客户端在接收到IPC后，都需要将该调用转换成本地异步调用。ViewRoot继承自Handler，其作用就是将远程接口调用转换成本地异步调用。
W类，ViewRoot内部类，继承自Binder，Wms通知客户端时就是该类进行IPC调用。该类内部会向其所在的ViewRoot发送一个Handler消息，以便进行异步处理。
Window类，是一个抽象类，提供了一套操作窗口的通用方法（Callback接口）。Activity就是通过实现这个Callback接口来获得对消息的处理机会。因为消息首先会由WmS传递给窗口中的View树，View树不处理消息的话才会传递给Window，这时候就会回调Activity实现的Callback方法使Activity有机会处理事件。
PhoneWindow类，是Window的具体实现类，其内部保存有DecorView对象。
DecorView类，应用程序视图的根布局View，该类继承自FrameLayout。客户端使用WindowManager添加窗口就是将该类（及其子View）添加到WmS中，并将其所代表的视图绘制到屏幕上。
Activity类，该类APK程序最小运行单元。ActivityThread根据用户的操作选择加载哪个Activity。
WindowManager类，该类是WindowManagerService在客户端的管理类，客户端通过WindowManager申请创建一个窗口，而具体创建窗口的任务是由WMS来完成的。

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