最近因为工作需要，再次捡起了放下多年的Android开发。说起Android，还是要感谢这个时代，感谢开源。这个时代，让我们开发者，可以通过开源，通过开源的Android，学到很多东西。有如此感慨，是因为早期，像操作系统这类软件，是被厂商严格保护起来的“秘籍”。曾几何时，想学都没有东西学，振臂高呼：“我要学”，是何等的悲壮。现如今，网上一抓一大把的资料，倒不见当年的学习热情，悲乎哉？

 

参加工作十几年来，主要方向一直在嵌入式领域。Android也可以看做是嵌入式大家庭的一员。做Android开发，并没有脱离嵌入式这个大方向。我曾经将嵌入式开发分成了三个大类，如下图所示（参见博文基于多进程架构的嵌入式软件框架研究与实现_龙赤子的博客-CSDN博客_多进程软件架构）：

可见，Android也是其中重要的一类。其实，上图的高中低端横轴表述并不正确，简单到复杂的纵轴也不准确。经过很多项目的锤炼后，我认为，更多以业务和需求来做划分基准，是比较靠谱的。这样来看，Android其实是属于消费级的富媒体设备。硬件性能较低、内存较少的这种，包括单片机一类的，则更多面向低功耗、特定功能场景。有些硬实时、高可靠、高安全要求的产品，不见得简单。比如，面向航空航天、汽车等领域的专用功能产品。在这两类之间的，则是功能要求可能没Android那么多，实时性也没有航空航天那样高，通过综合功能、成本等因素，选择比较适中的软硬复杂度构建的嵌入式产品。

纠正了之前的错误后，再来说说Android。重新捡起Android开发，是因为遇到了一个项目上的问题。之前的产品系列中包含有一个Android的APP，可以与我们的后台系统互联互通，这个APP算是补全了终端产品这块的拼图。后来，因为市场因素，这个APP一直没有再维护，至今算起来，已有五六年时间了。最近，新的交付项目又突然包含了这样一个产品，但是客户的硬件（类似手机的便携设备）是基于较新的Android系统开发的，而我们的APP因为开发年代久远，还是基于很老的Android4完成的。结果，老的APP安装到新的硬件上，出现了一些问题。源于此，我又开始着手熟悉Android开发，以便解决该适配问题。一切皆由此开始。

熟悉Android的过程中，发现了很多有意思的东西，也有了很多新的感受，记录于此，是为学习笔记。

首先，Android作为一个系统，一直在演化。可以说，现在的Android，从上到下，从内到外，都发生了很大变化。我们来详细说说。从上到下，是从层级的角度来看。大家都知道，Android包含如下几个层：应用层、框架层、库层、硬件抽象层、内核层、硬件层。这从Google官方释放的结构图就可以看到（https://developer.android.google.cn/guide/platform）。

一个经典的系统层次构成图

关于这几个层次，之前的博文里已经讲解过了，官方文档里也有说明，这里就不再展开。我们说说前面所提的从上到下的变化。首先是应用层，最开始做Android开发时，使用了Eclipse作为IDE。开发语言使用了Java。这些都是可用理解的，因为那时，Google急于推出Android系统，还来不及处理这些事情，于是就使用基于插件设计思想的Eclipse，构建了自家的IDE。这些年，Android系统已经成为移动领域装机最多的系统，地位的稳固性不再是问题，此时，系统生态构建的问题就逐渐提上日程，Google也可以腾出精力将资源投向这块。最终结果是，重新基于Ideal构建了Android Studio作为IDE，研发了Kotlin语言。框架层，SDK的更新是持续进行的。根据技术发展形势，很多新的API不断加入其中。比如，这两年人工智能在端边云大放异彩，Android也适时加入了机器学习相关的API。库层，NDK也在持续的优化更新。最近了解相关资料，我才发现，新的NDK将GCC移除了，采用了更高效、更节省空间的CLANG作为编译工具。C/C++标准库、STL库也被替换了。这其中的每一项，都不是一个简单的任务，都是关系基础根基的，国内在这些方面的积累还是很缺乏。再往下，就是内核层。最开始，Google在内核里添加了不少特性，特别是binder驱动，以此提供便捷高效的进程间通信框架。这两年，据传Google也研发了新的操作系统内核fusion，采用了微内核架构，跟华为的鸿蒙有点类似。说不定哪天，Linux也可能被替换为fusion。

简单了解Google在Android外衣上的动作后，我们来看看瓤子的变化。应用层其实是每次Android新版本发布时主要的更新地。界面的设计风格、通知、安全隐私等，这些方面的变化也是用户比较容易直观感受到的。隐藏在可见界面下面的，是普通用户不可见的框架层。应用层跟框架层是骨肉相连的。框架层是骨，上层应用是肉。这两层的变化主要是通过SDK推送给用户的。使用新的SDK，应用就可以基于新的API开发APP了。当然，前提是设备也要支持新的API，这一点后面会介绍到。

计算机软件世界的一个显著特点是复制成本很低。所以，大部分人的工作都是在别人工作的基础上展开的。这一点在Android的库层体现的尤为明显。记得最开始接触Android系统开发时，看到了很多熟悉的开源库，这让我倍感亲切。包括无线的、网络的、音频的、视频的等等。如今，有不少已经被Google因为各种原因替换掉了。像Dalvik虚拟机变成ART了，基于Webkit的浏览器演变为基于chromium的浏览器。最初的音视频媒体框架被替换为更加高效的框架，新的渲染引擎也在引入进来。这些变化，不一定能够反映到API的变化上，这样应用开发者可能是无感的。但是，因为这些更新，用户体验的进化是一点一点在累积的。

对于库层的变化，除了原生程序开发人员和系统底层适配开发者外，其他开发者是很难接触到的。这两类关联人员，需要依赖NDK来进行相关开发工作。这是跟上层的SDK对应的。

对于硬件抽象层和内核层，因为嵌的更深，我们就不再介绍了。

其次，Android作为一个自成体系的闭环，有自己的生态系统。这可以从下面几个方面来了解：硬件、内核软件、库软件、Java运行时、框架软件、应用软件及模型、SDK、NDK、开发工具、开发语言、IDE、模拟器、辅助工具、应用商店等。下面我们分别介绍一下。

硬件不用说了，看得见、摸得着，我们最先接触到的部分。

Android开发不像PC开发，不是每一个人都有实际的硬件。特别是Android发展早期，硬件产品还不是很充足的时候。现在，这种情况好多了。但是，即便有实际的硬件，Android作为嵌入式领域产品，受终端的类型、系统的版本、硬件的裁剪等因素影响，应用开发人员不一定有完全匹配的硬件可用。这个时候，模拟器就发挥了先锋的作用。我们可以先在模拟器上调试软件。这里，模拟器跟实际硬件是对应的。Google提供了x86和ARM版本的系统镜像，运行在模拟器中，完成系统环境的模拟。

有了硬件环境，下一步就是操作系统。目前，Android产品主要还是基于Linux内核。不过，前面已有所述，Google对Linux内核做了一些修改适配，以适应安卓产品开发。这一部分，Google为了照顾硬件厂商，将部分驱动单独从内核中提出来，放到应用层，以规避内核开源的许可证要求。由于此，内核基金会和Google闹的不愉快。

库软件是应用层的基础。我们可以将标准C、C++相关的库，各种功能库都划归到这一部分。从运行的角度来看，这些库是系统镜像的构成部分。从静态的角度来看，这些库是NDK的组成部分。编译时依赖静态部分，运行时依赖动态部分。

Java运行时，这是上层代码的运行环境。虽然名字改变了，但是我们还是可以将其理解为Java虚拟机一类的东西，只不过目前的优化措施做得比较好，很多地方接近原生指令的性能，亦或甚至就是采用原生指令来翻译的。

Java运行时和库软件之间有一个交互，这样，上层应用的Java代码和底层的C/C++支撑代码就结合起来了。

框架软件是基于Java代码构建的，主要提供两部分功能，一是完成对底层的封装支撑，使得二者可以相互调用；二是建立应用软件抽象模型的实现。应用软件所使用的各种方便的组件，就是在这里实现的。

应用软件及模型，这是应用开发者直接面对的，也是用户在硬件之外，可触摸的部分。为了方便应用软件的开发，系统设计时对应用的构成进行了抽象建模。目前我们看到Android 的activity、service、receiver等，都属于这种抽象级别。

上面了解了各个层次的东西之后，我们再看看，为了建立Android系统生态，围绕上述各个部分，还需要准备什么。

虚拟机和镜像是针对硬件层面的，前面已有所述。在开发中，我们更常见的叫法是模拟器。也就是模拟一个Android手机。为了构建底层原生库，我们需要NDK。NDK包括了很多东西，比如编译工具链，基础的标准库，一些API接口的实现，底层的调试工具等等。使用NDK，我们就可以编译出在Android硬件上可执行的原生程序和库来，并可以对这些代码进行一定程度的调试。

和NDK对应的，还有一个SDK。基于SDK，我们可以编写上层的应用。SDK包含了上层Java层依赖的组件接口及实现。对于SDK的提供形式，可能是jar包，也可能是源码。除此，SDK中也可能包括有例子代码，官方文档等。不过实际中，SDK包含的可能远远不止这些。像镜像、模拟器等，都可能打包到SDK中发布给用户。

为了构建开发生态，还需要外围的辅助东西，这包括我们前面提到的开发工具（比如，SDK更新工具），开发语言，IDE（集成开发环境，包括代码的编辑、编译、打包、下载、调试等）。到此，我们完成了应用开发的准备。有了应用，还需要发布出来，以便让别人下载安装，进而使用，这就需要应用商店了。最终，整个生态链就构建起来了。

回过头来看，应用开发者所做的工作，其实是整个生态系统中的一小部分。这就像一个立体的魔法拼图，Google、各类软硬件厂商以及开发者共同参与，在一套规则约束下，协作完成整个拼图的搭建。（图片来自网络）

 

从技术的角度来看，我们需要在脑海的潜意识中意识到，NDK和SDK所提供的支撑，在设备中也是存在一份的。我们依赖NDK编译底层原生库，这部分代码在运行时，其依赖的动态库，则由Android设备里的副本来提供；同样，我们依赖SDK编译上层应用，这部分代码运行时，其依赖的框架组件，同样由Android设备里的副本来提供。Android采用了类似底层的孵化机制（fork--->zygote），系统初始化时，从原始简单应用不断进化为具有框架支撑能力的复杂应用。这样，当用户应用启动时，就由这个具备NDK和SDK支撑能力的复杂应用作为基础来孵化，如此，产生的应用就可以使用NDK和SDK提供的接口了。