作者：罗升阳
出版社：电子工业出版社
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Android系统源代码情景分析(第三版)试读：
前言
Android系统自2008年9月发布第一个版本1.0以来，截至2016年8月发布最新版本7.0，一共存在十多个版本。本书在2012年10月出版第一版时，选择了Android 2.3的源代码来分析Android系统的实现，主要是因为就当时而言，它的基础架构是最稳定的，而且也是使用最广泛的。
本书有两个特点。一是通过使用情景来分析Android源代码。这种方式不仅能使读者带着目标去阅读源代码，还能把系统各个模块有机地联系在一起来理解。二是分析的内容都是Android系统的核心基础架构。这些内容在后来的版本中，都是灵魂般地稳定存在的。例如，智能指针、硬件抽象层（HAL）、匿名共享内存（Ashmem）、Binder IPC和四大组件管理等。
因此，读者阅读了本书之后，能够自行去阅读和分析其他的Android源代码。这种“授人以鱼，不如授人以渔”的效果，正是本书所追求的目标。因为技术发展日新月异，只有掌握了本质和宗旨，才能以不变应万变。
笔者记得2010年学习Linux内核时，一开始就从当时的最新版本（2.6.32）入手，结果犹如跌入茫茫大海之中。高版本的源代码，为了解决和优化一些问题，往往会引进一些复杂的概念，以及增加一些难以理解的代码。对于初学者来说，这些复杂的概念和难以理解的代码，会阻碍他们理解代码的核心思想。后来笔者改为从0.11版本（Linux的第一个基本可以正常运行的内核版本，于1991年发布）入手，才逐渐进入状态。《Linux内核完全注释》这本书，就是以0.11版本为蓝本，对Linux内核进行分析的。
本书自第一版发布以来，经历了6次重印，得到了读者的热烈反馈和建议。基于这些反馈和建议，本书在2015年12月进行了相应的修订。在不到两年的时间内，修订版又经历了4次重印，这充分说明了读者对本书的厚爱。本次修订仍以Android 2.3版本的源代码为蓝本，并且根据读者持续的反馈和建议（http：//blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/8116866）进行。由于读者提供的反馈和建议众多，这里就不一一列出，具体可以参考上述链接。
同时，本次修订还根据最新的官方文档，优化了Android源代码编译环境搭建的内容，使读者可以简单、快速、准确地初始化好Android源代码编译环境。另外，本次修订还增加了一节内容，介绍如何为真机编译ROM。让自己编译的Android源代码运行在真机上，是一件令人兴奋的事情，一方面，可以加深对Android系统的理解；另一方面，可以随心所欲地定制系统的行为，这不仅可以满足特殊的手机使用需求，还能辅助日常的开发工作。
为了更好地帮助读者理解本书的内容，笔者创建了一个网站（http：//0xcc0xcd.com）。该网站会陆续提供一些免费视频，讲解Android系统相关的知识。最后，希望本书能够继续为有志于深入研究Android的读者服务。同时也非常感谢读者的反馈和建议，你们的支持是笔者持续研究和分享Android系统技术的动力所在。本书内容
全书分为初识Android系统篇、Android专用驱动系统篇和Android应用程序框架篇三个部分。
初识Android系统篇包含三个章节的内容，主要介绍Android系统的基础知识。第1章介绍与Android系统有关的参考书籍、Android源代码工程环境的搭建方法，以及为真机编译ROM的过程；第2章介绍Android系统的硬件抽象层；第3章介绍Android系统的智能指针。读者可能会觉得奇怪，为什么一开始就介绍Android系统的硬件抽象层呢？因为涉及硬件，它似乎是一个深奥的知识点。其实不然，Android系统的硬件抽象层无论是从实现上，还是从使用上，它的层次都是非常清晰的；而且从下到上涵盖了整个Android系统，包括Android系统在用户空间和内核空间的实现。内核空间主要涉及硬件驱动程序的编写方法，而用户空间涉及运行时库层、应用程序框架层及应用程序层。因此，尽早学习Android系统的硬件抽象层，有助于我们从整体上去认识Android系统，以便后面可以更好地分析它的源代码。在分析Android系统源代码的过程中，经常会碰到智能指针，第3章我们就重点分析Android系统智能指针的实现原理，也是为了后面可以更好地分析Android系统源代码。
Android专用驱动系统篇包含三个章节的内容。我们知道，Android系统是基于Linux内核来开发的，但是由于移动设备的CPU和内存配置都要比PC低，因此，Android系统并不是完全在Linux内核上开发的，而是在Linux内核里面添加了一些专用的驱动模块来使它更适合于移动设备。这些专用的驱动模块同时也形成了Android系统的坚实基础，尤其是Logger日志驱动程序、Binder进程间通信驱动程序，以及Ashmem匿名共享内存驱动程序，它们在Android系统中被广泛地使用。在此篇中，我们分别在第4章、第5章和第6章分析Logger日志系统、Binder进程间通信系统和Ashmem共享内存系统的实现原理，为后面深入分析Android应用程序的框架打下良好的基础。
Android应用程序框架篇包含十个章节的内容。我们知道，在移动平台中，Android系统和iOS系统比的是谁的应用程序更丰富、质量更高、用户体验更好，谁就能取得最终的胜利。因此，每个平台都在尽最大努力吸引第三方开发者来为其开发应用程序。这就要求平台必须提供良好的应用程序架构，以便第三方开发者可以将更多的精力集中在应用程序的业务逻辑上，从而开发出数量更多、质量更高和用户体验更好的应用程序。在此篇中，我们将从组件、进程、消息和安装四个维度来分析Android应用程序的实现框架。第7章到第10章分析Android应用程序四大组件Activity、Service、Broadcast Receiver和Content Provider的实现原理；第11章和第12章分析Android应用程序进程的启动过程；第13章到第15章分析Android应用程序的消息处理机制；第16章分析Android应用程序的安装和显示过程。学习了这些知识之后，我们就可以掌握Android系统的精髓了。本书特点
本书从初学者的角度出发，结合具体的使用情景，在纵向和横向上对Android系统的源代码进行了全面、深入、细致的分析。在纵向上，采用从下到上的方式，分析的源代码涉及Android系统的内核层（Linux Kernel）、硬件抽象层（HAL）、运行时库层（Runtime）、应用程序框架层（Application Framework）以及应用程序层（Application），这有利于读者从整体上掌握Android系统的架构。在横向上，从Android应用程序的组件、进程、消息和安装四个维度出发，全面地剖析Android系统的应用程序框架层，这有利于读者深入理解Android应用程序的架构及运行原理。第1篇 初识Android系统
Linux内核的鼻祖Linus在回答一个Minix系统[1]的问题时，第一句话便是“Read The Fucking Source Code”。这句话虽然颇有调侃的味道，但是它道出了阅读源代码的重要性。由于Android系统的源代码是开放的，因此，认识Android系统的最好方法莫过于阅读它的源代码。
我们知道，Android系统是基于Linux内核来开发的，因此，在阅读它的源代码之前，需要掌握Linux内核的基础知识。有了Linux内核的基础知识之后，就可以下载Android源代码来阅读。阅读Android源代码时，宜采用动静结合的方法。所谓静，就是研究和思考源代码的实现；而所谓动，就是通过运行系统来证实自己对源代码的研究和思考。运行系统并不是单纯地将系统运行起来就可以了，还需要亲自动手编写一些应用程序来验证系统的行为。因此，在第1章中，我们首先介绍几本Linux内核的经典参考书籍，然后介绍如何搭建Android源代码工程环境，最后介绍如何在Android源代码工程环境中开发应用程序。
在阅读Android源代码之前，首先需要从整体上了解Android系统的架构。Android系统大致可以划分为五个层次，它们分别是Linux内核层、硬件抽象层、运行时库层、应用程序框架层和应用程序层。其中，硬件抽象层从实现到使用上涉及这五个层次，因此，在第2章中，我们通过具体的实例来介绍Android系统的硬件抽象层，以便对Android系统的实现层次有一个感性的认识。
虽然Android应用程序是使用Java语言来开发的，但是在Android应用程序框架层中，有相当多的一部分代码使用C++语言来编写，在阅读这些C++代码时，经常会碰到智能指针。Android系统的智能指针对于C++开发者来说，是比较容易理解的；但是对于Java开发者来说，就比较苦涩了。因此，在第3章中，我们继续通过具体的实例来分析Android系统的智能指针实现原理。
[1] Minix是一个类UNIX的操作系统，见http：//en.wikipedia.org/wiki/MINIX。第1章 准备知识
Android系统的源代码非常庞大和复杂，我们不能贸然进入，否则很容易在里面迷失方向，进而失去研究它的信心。为了有条不紊地对Android系统的源代码进行全面、深入、细致的分析，我们需要准备一些参考书籍，搭建好Android系统源代码工程环境，以及对Android系统有一个感性认识。1.1 Linux内核参考书籍
在阅读分析Android系统的源代码时，经常会碰到诸如管道（pipe）、套接字（socket）和虚拟文件系统（VFS）等知识。此外，Android系统通过模块的形式在Linux内核中增加了一些专用的驱动程序，如Logger日志驱动程序、Binder进程间通信驱动程序，以及Ashmem匿名共享内存驱动程序等，这些都是Linux内核的基础知识，涉及进程、内存管理等内容。由于本书的重点是分析Android系统的源代码，因此，下面推荐四本介绍Linux内核基础知识的经典书籍。
(1)Linux Kernel Development
这本书的作者是Robert Love，目前最新的版本是第3版。它对Linux内核的设计原理和实现思路提供了一个总览视图，并且对Linux内核的各个子系统的设计目标进行了清晰的描述，非常适合初学者阅读。从软件工程的角度来看，这本书相当于Linux内核的概要设计文档。
(2)Understanding the Linux Kernel
这本书的作者是Daniel P.Bovet和Marco Cesati，目前最新的版本是第3版。它对Linux内核的实现提供了更多的细节，详细地描述了内核开发中用到的各种重要数据结构、算法以及编程技巧等，非常适合中、高级读者阅读。从软件工程的角度来看，这本书相当于Linux内核的详细设计文档。
(3)Linux Device Drivers
这本书的作者是Jonathan Corbet，Alessandro Rubini和Greg Kroah-Hartman，目前最新的版本是第3版。它更加注重于实际操作，详细地讲解了Linux内核驱动程序的实现原理，对分析Android系统的专用驱动模块有非常大的帮助。（4）《Linux内核源代码情景分析》
这本书的作者是毛德操和胡希明，是中国人自己编写的一本经典的Linux内核书籍。它最大的特点是从使用情景出发，对Linux内核作了详细的分析，为读者在Linux内核源代码的汪洋大海中指明方向。1.2 Android应用程序参考书籍
分析Android系统的源代码时，应该带着问题或者目标。要把问题或者目标挖掘出来，最好的方法就是在Android系统中编写应用程序。通过编写Android应用程序，我们可以知道系统提供了哪些功能，并且如何去使用这些功能，进而激发我们去了解这些功能是如何实现的。这样我们就可以获得分析Android系统源代码所需要的问题或者目标。下面推荐两本介绍Android应用程序开发的书籍。
(1)Professional Android 2 Application Development（2）《Google Android SDK开发范例大全》
这两本书的特点是都使用了大量的例子来描述如何使用Android SDK来开发Android应用程序。我们可以根据实际情况来熟悉Android应用程序的开发方法，主要掌握Android应用程序四大组件（Activity、Service、Broadcast Receiver和Content Provider）的用法。在学习的过程中，如果遇到其他问题，还可以参考官方API文档，其网址为：
http://developer.android.com/index.html1.3 下载、编译和运行Android源代码
目前，官方支持Android源代码在Ubuntu和Mac系统上编译。本书推荐使用Ubuntu系统。Ubuntu系统是一个广受称道的Linux发行版本，它具有强大的软件包管理系统，并且简单易用，官方下载地址为：http：//www.ubuntu.com/。
不同版本的Android源代码对Ubuntu系统版本的要求不一样，具体如下。
● Android 6.0 (Marshmallow)~AOSP master:Ubuntu 14.04 (Trusty)
● Android 2.3.x (Gingerbread)~Android 5.x (Lollipop):Ubuntu 12.04 (Precise)
● Android 1.5 (Cupcake)~Android 2.2.x (Froyo):Ubuntu 10.04 (Lucid)
本书分析的Android源代码版本为2.3.x，因此推荐安装Ubuntu 12.04。另外，如果要安装Ubuntu 14.04，则需要安装64位版本。
如果读者习惯使用Windows系统，就可以考虑先在Windows上安装虚拟机，然后在虚拟机上安装Ubuntu系统。虚拟机推荐使用VMware，官方网站为：http：//www.vmware.com/。
安装VMware时，最好选择6.0以上的版本，因为较旧版本的VMware在网络连接支持上比较差，而我们在下载Android源代码时，是必须要联网的。
安装好Ubuntu系统之后，还需要安装JDK及其他的依赖包，然后才可以正常下载、编译和运行Android源代码。接下来我们就介绍它们的安装方法[1]。
1.JDK
不同版本的Android源代码对JDK版本的要求也不一样，具体如下。
● AOSP master:OpenJDK 8
● Android 5.x (Lollipop)~Android 6.0 (Marshmallow):OpenJDK 7
● Android 2.3.x (Gingerbread)~Android 4.4.x (KitKat):Java JDK 6
● Android 1.5 (Cupcake)~Android 2.2.x (Froyo):Java JDK 5
Java JDK 5和6的官方网站为：http：//www.oracle.com。
该网站为Linux提供的JDK有bin和rpm.bin两种包，推荐下载bin包。以JDK 6为例，假设下载文件为jdk-6u45-linux-x64.bin，保存在～/Downloads目录下，执行以下命令进行安装。
安装完成后，可以通过update-alternatives工具管理JDK，如下所示。
如果电脑上也安装了其他版本的JDK，则可以通过以下命令选择所需要的版本。
输入数字“1”，就可以将系统的java命令指向JDK 6安装目录下的Java文件。
输入数字“1”，就可以将系统的javac命令指向JDK 6安装目录下的javac文件。
OpenJDK 7和8的下载地址分别如下：
http://archive.ubuntu.com/ubuntu/pool/universe/o/openjdk-7/
http://archive.ubuntu.com/ubuntu/pool/universe/o/openjdk-8/
下载得到一个deb文件，可以使用dpkg命令进行安装。例如，假设下载OpenJDK 8，文件名为openjdk-8-dbg_8u45-b14-1_amd64.deb，保存在～/Downloads目录下，执行以下命令进行安装。
在安装过程中如果提示依赖缺失，则可以执行以下命令进行修复安装。
2.其他依赖包
Ubuntu 14.04的依赖包可以执行以下命令进行安装。
Ubuntu 12.04的依赖包可以执行以下命令进行安装。
Ubuntu 10.04的依赖包可以执行以下命令进行安装。
在上述依赖包中，包含了Git工具。Git是一种分布式的源代码管理工具，它可以有效、高速地对项目源代码进行版本管理[2]。Android源代码就是采用它来管理的。1.3.1 下载Android源代码
为了方便开发者下载Android源代码，Google提供了一个repo工具。这个工具实际上是一个脚本文件，里面封装了用来下载Android源代码所需要的git命令。它的下载和安装方法如下：
安装好repo工具之后，我们就可以创建一个空目录，然后进入到这个目录中执行repo命令来下载Android源代码了。
下载的过程可能会比较漫长，这取决于网络连接速度，期间还可能会碰到网络中断的现象，这时候只需要重复执行repo sync命令就可以继续下载了。
上述命令下载的是主线上的Android源代码，即最新版本的Android源代码。一般来说，主线上的源代码是正在开发的版本，它是不稳定的，编译和运行时都可能会遇到问题。如果想下载稳定的版本，就需要选择某一个支线上的代码。例如，如果我们想下载Android 2.3.1版本的代码，就可以在执行repo init命令时指定-b选项。
在本书接下来的内容中，如果没有特别声明，我们所分析的Android源代码都是基于Android 2.3版本的，并且位于～/Android目录中。1.3.2 编译Android源代码
要编译Android源代码，只需在Android源代码目录下执行make命令就可以了。
第一次编译Android源代码时，花费的时间会比较长，同时也可能会遇到各种各样的问题，这时候一般都可以通过搜索引擎来找到解决方案。例如，如果我们是在32位机器上编译主线上的Android源代码，则会碰到下面这个错误提示。
这时候可以使用关键词“You are attempting to build on a 32-bit system”在搜索引擎上找到解决方案。原来，主线上的Android源代码默认只能在64位的机器上编译，如果在32位的机器上编译，就会出现上述错误提示。如果我们仍然想在32位的机器上编译Android源代码，就可以按照下面方法来修改编译脚本。（1）打开build/core/main.mk文件，并且找到下面内容。
将第3行修改为（2）打开external/clearsilver/cgi/Android.mk、external/clearsilver/cs/Android.mk、external/clearsilver/java-jni/Android.mk和external/clearsilver/util/Android.mk这四个文件，并且找到下面内容：
将后面两行修改为
经过这样的修改之后，在32位的机器上编译Android源代码产生的问题就可以解决了。
编译成功后，可以看到下面的输出。
编译结果输出目录为out/target/product/$（TARGET_PRODUCT），其中，TARGET_PRODUCT是一个环境变量，它的默认值为generic。
Android源代码编译成功之后，可以执行以下命令将它打包成SDK。
打包成功后，可以看到下面的输出。
其中，$USER$表示当前登录到系统中的用户名。有了这个SDK包之后，我们就可以在IDE环境中开发Android应用程序了。1.3.3 运行Android模拟器
Android源代码编译成功之后，我们就可以运行它。为了方便起见，我们使用Android模拟器emulator来运行编译出来的Android源代码。执行以下命令来启动Android模拟器。
Android模拟器位于源代码根目录下的子目录out/host/linux-x86/bin中，因此，为了方便使用，我们把这个目录添加到环境变量PATH中。
启动Android模拟器需要四个文件，它们分别是zImage、system.img、userdata.img和ramdisk.img，其中，前面一个是Linux内核镜像文件，而后面三个是Android系统镜像文件。如果不带任何参数来运行emulator命令，那么Android模拟器默认使用的zImage文件是位于源代码根目录下的子目录out/host/linux-x86/bin中的kernel-qemu文件，而默认使用的system.img、userdata.img和ramdisk.img文件则位于ANDROID_PRODUCT_OUT目录中。ANDROID_PRODUCT_OUT是一个环境变量，我们将它的值设置为Android源代码编译结果输出目录；如果不设置ANDROID_PRODUCT_OUT环境变量，就需要指定上述四个文件来启动Android模拟器，如下所示。
在本书接下来的内容中，当我们运行不带参数的emulator命令时，如果没有特别声明，都是假设已经设置好PATH和ANDROID_PRODUCT_OUT两个环境变量，其中PATH环境变量包含了～/Android/out/host/linux-x86/bin目录，而ANDROID_PRODUCT_OUT环境变量指向～/Android/out/target/product/generic目录。
Android模拟器emulator启动起来后，它的界面如图1-1所示。图1-1 Android模拟器界面1.4 下载、编译和运行Android内核源代码
Android源代码工程默认是不包含它所使用的Linux内核的源代码的，因此，如果我们需要运行定制的Linux内核，就要下载它的源代码，并且对它进行编译。接下来，我们就详细介绍如何为Android模拟器下载、编译和运行Linux内核源代码。1.4.1 下载Android内核源代码
Android模拟器所使用的Linux内核源代码也是通过Git工具来管理的，不过它不像Android源代码有一个repo脚本工具来支持下载，我们需要手动执行git命令来下载。
首先在Android源代码根目录下创建一个用来保存Linux内核源代码的子目录kernel，然后调用git clone命令来下载Linux内核源代码。取决于网络连接速度，整个下载过程可能需要较长时间的等待。
下载完成之后，在kernel目录下就会看到一个空的goldfish子目录，这时候需要执行git checkout命令来指定所需要的支线代码。
在执行git checkout命令之前，可以先执行git branch命令来查看有哪些支线代码。由于我们使用Android模拟器来运行Android系统，因此，我们选择android-goldfish-2.6.29支线代码来作为Android系统的内核源代码。
执行完成git checkout命令之后，我们就可以在goldfish目录中看到Linux内核源代码了。在本书接下来的内容中，如果没有特别声明，我们分析的Android内核源代码都是基于android-goldfish-2.6.29版本的，并且位于～/Android/kernel/goldfish目录中。1.4.2 编译Android内核源代码
在编译Android内核源代码之前，我们首先要修改它的Makefile文件。Android模拟器所使用的CPU体系结构是arm的，因此，我们需要将Makefile文件中ARCH变量的值设置为arm。又由于我们是在PC上为Android模拟器编译内核的，因此，还需要在Makefile文件中指定交叉编译工具，即修改里面的CROSS_COMPILE变量的值。
打开Android内核源代码目录下的Makefile文件，并且找到下面的内容。
将后面两行修改为
Android源代码目录为我们准备了一个适用于编译Android模拟器内核的交叉编译工具，它位于Android源代码目录下的prebuilt/linux-x86/toolchain子目录中。在Makefile文件中，我们将ARCH变量的值设置为arm，表示编译的Linux内核是适用于arm体系结构的；而将CROSS_COMPILE变量的值设置为arm-eabi-，表示所使用的交叉编译工具名称是以“arm-eabi-”来作为前缀的。
为Android模拟器编译内核分为三个步骤。其中，第一步是将交叉编译工具所在的目录添加到环境变量PATH中；第二步是修改硬件配置文件goldfish_defconfig[3]；第三步是执行make命令。
编译成功后，可以看到下面两行输出。
这表明编译好的Android内核镜像文件zImage位于Android内核源代码目录下的arch/arm/boot子目录中。1.4.3 运行Android模拟器
在前面1.3.3小节提到，在执行不带参数的emulator命令来启动Android模拟器时，使用的内核镜像文件zImage是位于Android源代码根目录下的out/host/linux-x86/bin子目录中的kernel-qemu文件，现在既然已经编译了自己的内核镜像文件zImage，我们就需要通过-kernel选项来启动Android模拟器，以便可以指定Android模拟器所使用的内核镜像文件。
在命令后面加一个符号“&”，表示要在后台启动Android模拟器。这样做的目的是为了能够在同一个终端运行adb[4]工具来连接Android模拟器，以便验证Android模拟器是否使用了我们自己编译的
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]