Android开发入门：基础知识、编程模型、开发流程、组件和系统特性等

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

Android（安卓）是一个开源的移动设备操作系统，由Google主导，是一种基于Linux的手机操作系统，最初叫做Harmony OS。目前市面上主要的版本包括Nexus、Pixel、Samsung Galaxy系列、HTC One系列、MIUI等，它已广泛应用于智能手机、平板电脑、路由器等多种终端设备上。2017年，谷歌推出了基于安卓源码的AOSP (Android Open Source Project)项目，Android系统源代码成为一个开放的社区可以供开发者进行修改和定制。
　　本文将以Android Nougat版本为研究对象，对安卓系统的基础知识、编程模型、开发流程、组件和系统特性等方面进行深入剖析。

2.基本概念术语说明

本节将对一些关键词或名词进行简单介绍，以方便读者理解。

1. SDK(Software Development Kit):软件开发包（软件开发工具包），由硬件厂商、软件开发人员和许可证商提供给开发者用于开发、测试、发布应用软件的开发环境和工具。主要提供的功能有：编译、调试、运行、分析、文档生成等。
   　　2. API(Application Programming Interface):应用程序接口（API），是通过计算机编程调用应用程序执行特定功能的方式。API一般分为三类：系统级API、框架级API和库级API。通常系统级API提供系统内核级别的功能，例如操作系统、数据库、网络等；框架级API是为开发者提供了应用层级的开发接口，例如 Android Support Package 或 Google Play Services Library，分别封装了各个产品的开发接口；库级API是为开发者提供了基本功能的实现，如图形渲染、图像处理、编码解码、网络连接、数据缓存等，这些都可以通过API来实现。
   　　3. ART(Android Run-time for Transitions):Android运行时（ART）即Android运行时虚拟机（VMO），是Google针对Dalvik VM（即ART之前的虚拟机）的优化版本，目的是加快系统启动速度和减少内存占用。ART在提升性能的同时也降低了兼容性，因为ART无法支持所有的Dalvik指令集，只能识别部分已知的Dalvik指令集并进行翻译。
   　　4. Dalvik VM:Dalvik虚拟机，原是Android 1.5中Android虚拟机的一种替代品，它包含Java字节码解释器，在内存中执行字节码，其优点是快速启动，缺点是占用内存过高。Dalvik VM已经逐渐被ART取代。
   　　5. JVM(Java Virtual Machine):Java虚拟机，是在某台机器上能够运行任意Java程序的虚拟机。JVM把所有Java代码编译成本地代码（机器语言），然后运行。
   　　6. Native C/C++:本质上就是调用操作系统提供的底层函数，由于操作系统本身是用C编写的，因此可以在各种不同的平台上运行。
   　
   　# 3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
   　　本节将从系统层级，框架层级和库层级三个层次，阐述安卓系统在每个层面的重要功能和实现方法。
   　　系统层级：系统级API，涵盖了系统内核、文件系统、数据库、网络通信、多媒体、相机、GPS等模块的接口。每个手机型号都对应一个SDK版本，不同手机型号之间的接口可能会有所不同，但大体上都是相同的。如前所述，系统级API是为开发者提供了系统内核级别的开发接口，因此开发者需要根据具体情况选择合适的系统级API，这样才能实现自己的需求。
   　
   　　框架层级：框架级API，如Android Support Package和Google Play Services Library，提供了应用层级的开发接口，使得开发者不必重复造轮子。其中Android Support Package提供了一些系统级API的兼容实现，如SharedPreferences、Content Provider等，Google Play Services则封装了不同平台的服务如广告、地图等，为开发者提供了统一的开发接口。
   　
   　　库层级：库级API，包括基础功能实现，比如图形渲染、图像处理、编码解码、网络连接、数据缓存等，这些都可以通过API来实现。除此之外，还有些第三方库提供更多功能，如图片加载框架Picasso、布局管理器 RecyclerView等。
   　　下面介绍一下具体操作步骤和数学公式。
   　　1. Bitmap:位图（Bitmap）是图像相关的基础知识，Bitmap是一种二维数组，每个元素表示像素值。每张图片其实都由若干个按一定顺序排列的“像素块”组成，这些像素块按照顺序排列在一个二维数组里，每一行代表一副像素数据，每一列代表一列像素数据，一副图片就由这些二维数组组成。当程序绘制一幅图像的时候，会先读取到这幅图像的位图信息，然后利用位图的信息去绘制图像。当使用硬件加速显示一幅图像的时候，仍然会先将图像的位图读取到内存中，但是这时候使用的不是CPU进行显示，而是GPU进行处理，GPU会对图像进行压缩，缩小显示区域大小，再发送至屏幕显示。下面介绍一下获取Bitmap的方法：

   // 获取Activity的Window
   Window window = activity.getWindow();
   // 从window中获取DecorView
   View decorView = window.getDecorView();
   // 获取DecorView中的findViewById
   View view = decorView.findViewById(R.id.your_imageview);
   // 将ImageView转换为Bitmap
   Bitmap bitmap = ((BitmapDrawable)(view.getDrawable())).getBitmap();
   

   2. OpenGL ES：OpenGL ES是OpenGL的 GLES扩展，是一种基于OpenGL规范的可移植、跨平台的系统级图形接口。OpenGL ES标准的目标是允许开发者在不使用驱动程序的情况下直接使用硬件加速，也就是说，当某个硬件设备（如显卡）支持OpenGL ES时，就可以实现这个规范，并直接在图形应用中使用该硬件设备的能力。在安卓系统中，使用OpenGL ES绘制2D、3D图形非常简单。只需将要显示的图形转换为OpenGL ES可绘制的数据结构，如顶点坐标、颜色、纹理坐标等，传递给OpenGL ES，即可完成绘制。下面展示了一个简单例子，绘制一个圆形：

   private static final int POSITION_COMPONENT_COUNT = 2;
   private static final int COLOR_COMPONENT_COUNT = 3;
   
   private float[] vertexData = {
    
    
       0.0f,  0.5f,    1.0f, 0.0f, 0.0f,
      -0.5f, -0.5f,    0.0f, 1.0f, 0.0f,
       0.5f, -0.5f,    0.0f, 0.0f, 1.0f
   };
   
   @Override
   protected void onDraw(Canvas canvas) {
    
    
       super.onDraw(canvas);
       ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(vertexData.length * 4);
       byteBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder());
       FloatBuffer vertexBuffer = byteBuffer.asFloatBuffer();
       vertexBuffer.put(vertexData);
       vertexBuffer.position(0);
   
       GL10 gl = getGL();
       gl.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
       gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
   
       gl.glVertexPointer(POSITION_COMPONENT_COUNT, GL10.GL_FLOAT, 0, vertexBuffer);
       gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
   
       gl.glColorPointer(COLOR_COMPONENT_COUNT, GL10.GL_FLOAT, 0, vertexBuffer);
       gl.glEnableClientState(GL10.GL_COLOR_ARRAY);
   
       gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLES, 0, vertexData.length / POSITION_COMPONENT_COUNT);
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
       gl.glDisableClientState(GL10.GL_COLOR_ARRAY);
   }
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width, int height) {
    
    
       super.surfaceChanged(holder, format, width, height);
       mWidth = width;
       mHeight = height;
       Log.d("TAG", "width=" + width + ",height=" + height);
   }

3. Handler:消息机制（Handler）。在安卓系统中，Handler是一个用来处理消息、事件和任务的消息队列。Handler的作用很大程度上是为了解耦，将复杂的业务逻辑和UI线程进行解耦。通过MessageQueue（消息队列）来存储消息，Handler来消费消息。当某个消息发生时，首先通过Handler的sendMessage()方法来向消息队列中存入一条消息，然后通过Handler的handleMessage()方法来处理这条消息。消息经过存入队列后，就会被消息队列调度（dispatchMessage()方法）执行。以下是一个简单的用法示例：

 // 创建Handler
 Handler handler = new Handler(){
    
    
      @Override
     public void handleMessage(Message msg) {
    
    
         switch (msg.what){
    
    
             case MSG_WHAT:
                 break;
              default:
                 super.handleMessage(msg);
                 break;
         }
     }
 };
 
 // 发送消息
 Message message = new Message();
 message.what = MSG_WHAT;
 handler.sendMessage(message);

4. 多进程：多进程机制（MultiProcess）。Android系统提供的多进程机制主要是用来解决多应用共享同一份数据的资源竞争问题。Android系统将不同的应用分别放在不同的进程中，避免了多个应用之间数据共享导致的资源竞争问题，提高了系统稳定性。每个进程都拥有自己的虚拟机和独立的堆栈空间，互不干扰，这样就能够彼此隔离，避免出现资源互相影响的问题。另外，Android系统通过Binder IPC（进程间通信）机制，提供了更灵活的多进程间通讯方式。下面介绍一下创建多进程的过程及一些注意事项：

/**
* 创建新进程
*/
public class MyService extends Service {
    
    
    @Nullable
   @Override
   public IBinder onBind(Intent intent) {
    
    
       return null;
   }
    @Override
   public void onCreate() {
    
    
       startOtherProcess();
   }
    /**
    * 启动其他进程
    */
   private void startOtherProcess() {
    
    
       Intent intent = new Intent(this, OtherProcessService.class);
       String processName = "other_process";
       ProcessBuilder builder = new ProcessBuilder();
       builder.command("/system/bin/sh")
              .redirectErrorStream(true)
              .redirectInput(Redirect.PIPE)
              .redirectOutput(Redirect.PIPE)
              .directory(".")
              .argument("-c")
              .argument("exec app_process "
                       + "/data/app/" + getPackageName() + "-1/"
                       + "lib/" + processName + "/"
                       + " --nice-name=" + processName).redirectError();
        try {
    
    
           Log.i("MyService", "start other process");
           Process process = builder.start();
            OutputStream outputStream = process.getOutputStream();
           BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(
                   process.getInputStream()));
           String line = "";
            while (!isInterrupted()) {
    
    
               if (line!= null &&!"".equals(line)) {
    
    
                   Log.i("MyService", line);
               }
                line = reader.readLine();
           }
        } catch (IOException e) {
    
    
           e.printStackTrace();
       } finally {
    
    
           Log.i("MyService", "end other process");
       }
   }
}
/**
* 服务端实现进程通信
*/
public class OtherProcessService extends Service {
    
    
   
   private static final String TAG = "OtherProcessService";
   
   @Nullable
   @Override
   public IBinder onBind(Intent intent) {
    
    
       return binder;
   }
    private IBinder.DeathRecipient deathRecipient = new IBinder.DeathRecipient() {
    
    
       @Override
       public void binderDied() {
    
    
           Log.e(TAG, "binder died");
       }
   };
    private Binder binder = new Binder();
    @Override
   public void onCreate() {
    
    
       registerBinder();
       startForegroundService();
   }
    private void registerBinder() {
    
    
       try {
    
    
           LocalBroadcastManager manager = LocalBroadcastManager.getInstance(this);
           IntentFilter filter = new IntentFilter(ACTION_BINDER_DIED);
           manager.registerReceiver(broadcastReceiver, filter);
       } catch (Exception e) {
    
    
           e.printStackTrace();
       }
   }
    BroadcastReceiver broadcastReceiver = new BroadcastReceiver() {
    
    
       @Override
       public void onReceive(Context context, Intent intent) {
    
    
           Log.i(TAG, "receive action:" + intent.getAction());
       }
   };
    private void startForegroundService() {
    
    
       Intent service = new Intent(this, ForegroundService.class);
       bindService(service, connection, Context.BIND_AUTO_CREATE);
   }
    Connection connection = new Connection() {
    
    
       @Override
       public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
    
    
           Log.i(TAG, "connected to foreground service");
           try {
    
    
               service.linkToDeath(deathRecipient, 0);
               IInterface iInterface = IInterface.Stub.asInterface(service);
               Method method = iInterface.getClass().getMethod("sayHelloFromOtherProcess");
               method.invoke(iInterface);
               unbindService(this);
           } catch (RemoteException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException | IllegalAccessException e) {
    
    
               e.printStackTrace();
           }
       }
        @Override
       public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
    
    
           Log.i(TAG, "disconnected from foreground service");
       }
   };
}
/**
* 客户端接口定义
*/
interface IInterface extends IBinder {
    
    
   String DESCRIPTOR = "com.example.IInterface";
    String sayHelloFromOtherProcess();
}
/**
* 客户端调用服务端接口
*/
public class Client implements IServiceCallback{
    
    
    private static final String TAG = "Client";
    private IServiceProxy proxy;
    @Override
   public void onResult(String result) {
    
    
       Log.i(TAG, "result:" + result);
   }
    @Override
   public void onError(String errorMsg) {
    
    
       Log.i(TAG, "error:" + errorMsg);
   }
    @Override
   public void connect() {
    
    
       proxy = new IServiceProxy();
       proxy.setCallback(this);
       proxy.connect(getContext(), OtherProcessService.DESCRIPTOR);
   }
    @Override
   public void disconnect() {
    
    
       proxy.disconnect();
   }
    @Override
   public void callService() throws RemoteException {
    
    
       IInterface stub = IService.Stub.asInterface((IBinder) proxy.getService());
       String result = stub.sayHelloFromOtherProcess();
       Log.i(TAG, "call result:" + result);
   }
}

上面的例子描述了如何在两个不同的进程之间进行通信，其中第一个进程是服务端，第二个进程是客户端。客户端先创建一个代理类，然后通过该代理类调用服务端的方法，服务端接收到客户端的请求之后返回结果。
在实践中，可以使用Messenger和AIDL机制来实现进程间通信。Messenger是一种轻量级IPC机制，适用于IPC频繁的场景，并且支持多进程。AIDL（Android Interface Definition Language）是Android开发中定义接口的一种语言，可以通过AIDL来定义服务端和客户端间通讯用的接口。下面介绍一下实践中常用的两种IPC机制：

1. Messenger：Messenger是一个轻量级的IPC机制，适用于IPC频繁的场景。与Binder一样，Messenger也是基于Binder实现的。在使用Messenger时，服务端和客户端需要实现相同的接口，并在manifest文件中声明他们的接口名称。

<receiver android:name=".MessengerService" >
<!-- Export service to remote clients -->
<intent-filter>
   <action android:name="android.intent.action.MESSENGER_SERVICE"/>
</intent-filter>
</receiver>
<service 
android:name=".MessengerService">
<intent-filter>
   <action android:name="android.intent.action.MAIN"/>
</intent-filter>
</service>

public class MessengerService extends Service {
    
    
private static final String TAG = "MessengerService";
private Messenger messenger = new Messenger(new IncomingHandler());
@Override
public void onCreate() {
    
    
   Log.d(TAG,"onCreate()");
}
@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
    
    
   Log.d(TAG,"onBind()");
   return messenger.getBinder();
}
class IncomingHandler extends Handler {
    
    
   @Override
   public void handleMessage(Message msg) {
    
    
       switch (msg.what) {
    
    
           case MSG_WHAT:
               Bundle bundle = msg.getData();
               int arg1 = bundle.getInt("arg1");
               int arg2 = bundle.getInt("arg2");
               Log.d(TAG,"arg1="+arg1+",arg2="+arg2);
               replyToClient(MSG_REPLY);
               break;
           case MSG_REPLY:
               Log.d(TAG,"reply received");
               break;
           default:
               super.handleMessage(msg);
               break;
       }
   }
}
}
public class MessengerClient {
    
    
private static final String TAG = "MessengerClient";
private Messenger messenger = new Messenger(new OutgoingHandler());
public void sendMessage() {
    
    
   Message msg = Message.obtain(null, MSG_WHAT);
   Bundle bundle = new Bundle();
   bundle.putInt("arg1",100);
   bundle.putInt("arg2",200);
   msg.setData(bundle);
   msg.replyTo = messenger;
   messenger.send(msg);
}
class OutgoingHandler extends Handler {
    
    
   @Override
   public void handleMessage(Message msg) {
    
    
       switch (msg.what) {
    
    
           case MSG_REPLY:
               Log.d(TAG,"receive reply");
               break;
           default:
               super.handleMessage(msg);
               break;
       }
   }
}
}

以上两个类构成了Messenger的一个简单应用。客户端使用Messenger通过Binder向服务端发送消息，服务端接收到消息后回复消息。
2. AIDL：AIDL（Android Interface Definition Language）是Android开发中定义接口的一种语言，可以通过AIDL来定义服务端和客户端间通讯用的接口。AIDL语法类似于Java接口，并且可以将接口方法映射为四种类型的IPC命令：
a. IN：输入参数，由服务端往客户端传递。
b. OUT：输出参数，由客户端向服务端传递。
c. STREAM：流式参数，一边一边往客户端传递。
d. REMOTE：远程调用，由客户端调用服务端的接口。
使用AIDL定义接口的方法如下：

1. 为服务端定义接口，例如IFooService.aidl：

package com.example;
interface IFooService {
    
    
int add(int a, int b) throws RemoteException;
int minus(int a, int b) throws RemoteException;
String echo(String str) throws RemoteException;
}

2. 为客户端定义接口回调接口，例如IFooCallback.aidl：

package com.example;
import com.example.IProgressListener;
interface IFooCallback extends IProgressListener.Stub {
    
    
void onSuccess(String result);
void onFailure(String reason);
}

3. 为客户端定义服务端的接口回调类，例如FooCallback.java：

package com.example;
import android.os.Parcel;
import android.os.RemoteException;
public abstract class FooCallback extends IProgressListener.Stub {
    
    
@Override
public void progress(final Parcel data) throws RemoteException {
    
    
   final Parcelable parcelable = data.readParcelable(getClass().getClassLoader());
   getActivity().runOnUiThread(new Runnable() {
    
    
       @Override
       public void run() {
    
    
           updateProgress((Long) parcelable);
       }
   });
}
public abstract void updateProgress(long progress);
public abstract Activity getActivity();
}

4. 实现客户端的Activity或者Fragment，例如MainActivity.java：

package com.example;
import android.app.Activity;
import android.content.ComponentName;
import android.content.Context;
import android.content.Intent;
import android.os.Bundle;
import android.os.IBinder;
import android.os.Parcel;
import android.os.RemoteException;
import android.support.v4.app.FragmentTransaction;
import android.util.Log;
import android.widget.TextView;
import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
public class MainActivity extends BaseActivity {
    
    
private TextView mTextView;
private IFooService fooService;
private IFooCallback fooCallback;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    
    
   super.onCreate(savedInstanceState);
   setContentView(R.layout.activity_main);
   mTextView = (TextView) findViewById(R.id.text_view);
    FragmentTransaction transaction = getSupportFragmentManager().beginTransaction();
   transaction.replace(R.id.container, MainFragment.newInstance()).commitAllowingStateLoss();
    initAidl();
   callService();
}
private void initAidl() {
    
    
   ComponentName componentName = new ComponentName(this, "com.example.IFooService");
   fooService = IFooService.Stub.asInterface(
           this.getSystemService(Context.BIND_PACKAGE_SERVICE));
   fooCallback = new FooCallback() {
    
    
       @Override
       public void updateProgress(long progress) {
    
    
           mTextView.setText("" + progress);
       }
        @Override
       public Activity getActivity() {
    
    
           return MainActivity.this;
       }
   };
}
private void callService() {
    
    
   try {
    
    
       Thread.sleep(3000);
        int ret = fooService.add(1, 2);
       Log.d("MainActicity", "" + ret);
        ret = fooService.minus(10, 5);
       Log.d("MainActicity", "" + ret);
        String str = fooService.echo("hello world!");
       Log.d("MainActicity", "" + str);
        Parcel data = Parcel.obtain();
       data.writeLong(100);
       fooService.progress(data);
        data.recycle();
   } catch (InterruptedException | RemoteException | IOException | ClassNotFoundException | NoSuchMethodException | InstantiationException | IllegalAccessException | IllegalArgumentException | InvocationTargetException e) {
    
    
       e.printStackTrace();
   }
}
}

5. 在清单文件中注册服务端的Broadcast Receiver，例如清单文件中注册广播接收器：

<receiver android:name=".AidlDemoBroadcastReceiver">
<intent-filter>
   <action android:name="com.example.FOOBAR_BROADCAST"/>
</intent-filter>
</receiver>

6. 服务端接收到客户端的广播，解析消息并反馈结果。例如，服务端在自己的Manifest文件中定义一个广播接收器：

<service android:name=".AidlDemoService">
<intent-filter>
   <action android:name="com.example.FOO_SERVICE"/>
</intent-filter>
</service>

当客户端收到通知时，便会调用远程服务接口来处理消息。服务端处理完毕后，便会发送一个广播消息。

5. 未来发展趋势与挑战

本文介绍了安卓系统的一些基础概念、编程模型、开发流程、组件和系统特性，并结合具体案例详细阐述了安卓系统的核心原理和具体操作步骤。未来，随着安卓生态的进步，还存在很多值得探索和学习的地方。下面分享一些观点。

1. 硬件加速：Google正计划全面支持OpenGL ES 3.0。这是为了帮助开发者更好地利用硬件加速。
2. 网络安全：当前安卓系统的网络访问权限不够精细，对安全相关的应用又依赖于黑盒化的Android系统。Google正在研究网络安全相关的新机制，希望能够改善安卓系统对网络安全的保障。
3. 动态化：Google正在尝试通过开放的组件系统，让Android应用程序具备动态部署能力，可以实现在线升级、热更新、迁移等功能。
4. VR/AR：近年来，VR/AR领域的硬件规模和技术革新迅速推动着整个行业的发展，Google也在积极探索这方面的合作。
5. 操作系统：市场上已经有一些开源的嵌入式系统，它们可以运行安卓系统，也可以作为客户端的桌面系统。通过深度整合，开源OS可以与安卓系统进行深度融合，发挥各自的优势。