Android的架構圖如下，圖中按照功能結構及面向人群進行划分，可以看出Android分成三個部分：
- 應用部分：包含在Android設備上運行的所有應用，它們是Android系統中直接面向用戶的部分。
- 核心部分： Android系統中核心的功能實現，包括應用框架、核心類庫等，每個Android應用的開發者，都是在此基礎上進行應用開發的。
- 底層部分：主要指Android寄宿的Linux操作系統及相關驅動。通常來說，只有硬件廠商和從事Android移植的開發者，才會基於此來進行開發。
除了上述划分方式以外，從系統實際的架構模型來看，Android則可以分成以下幾個層次：
- 應用層
- 框架層
- 運行時
- 核心類庫
- 硬件抽象層
- Linux內核
本文的后續內容將針對以上各層逐一進行分析。
1.1.1 應用層
對於普通的用戶而言，只能通過具體的應用來判斷移動平台的優劣。即便一個移動平台具有最華麗的技術，但是如果不能給用戶提供最得心應手的應用，頂多也只能贏得無冕之王的名頭，而無法抓住用戶的心，贏得市場的認可。
Android應用層由運行在Android設備上的所有應用共同構成，它不僅包括通話、短信、聯系人等系統應用（隨Android系統一起預裝在移動設備上），還包括其他后續安裝到設備中的第三方應用。
第 三方應用都是基於Android提供的SDK（Software Development Kit）進行開發的，並受到SDK接口的約束。而預裝在設備中的系統應用，則可以調用整個框架層的接口和模塊，其中的很多接口在SDK中是隱藏的，因此， 系統應用具有比第三方應用更多的權利。
Android的應用都是基於Java語言來開發的，但在很多應用（尤其是游戲）中，需要進行大規模 的運算和圖形處理，以及使用開源C/C++類庫。通過Java來實現，可能會有執行效率過低和移植成本過高等問題。因此在Android開發中，開發者可 以使用C/C++來實現底層模塊，並添加JNI（Java Native Interface）接口與上層Java實現進行交互，然后利用Android提供的交叉編譯工具生成類庫並添加到應用中。
為了讓應用開發者能夠繞過框架層，直接使用Android系統的特定類庫，Android還提供了NDK（Native Development Kit），它由C/C++的一些接口構成，開發者可以通過它更高效地調用特定的系統功能。
但在Android上，開發者通常只能使用C/C++編寫功能類庫，而不是整個應用。這是因為，諸如界面繪制、進程調度等核心機制是部署在框架層並通過Java來實現的，應用只有按照它們規定的模式去編寫特定的Java模塊和配置信息，才能夠被識別、加載和執行。
小 貼士 從Android 2.3（API 9）開始，新增了android.app.NativeActivity類，它是通過調用預定義的JNI接口來實現的。開發者可以基於NDK，通過 C/C++語言來實現具體功能。這就意味着，開發者僅通過C/C++語言就能實現整個應用。這對於游戲開發者而言是一大喜訊，但由於控件在Android 中並沒有Native的實現，普通的應用開發者通常還是需要通過Java來實現上層界面。
1.1.2 框架層
框架層是Android系統中最核心的部分，它集中體現了Android系統的設計思想。在Android之前，有很多基於Linux內核打造的移動平台。作為超越前輩的成功范例，框架層的設計正是Android脫穎而出的關鍵所在。
框 架層由多個系統服務（System Service）共同組成，包括組件管理服務、窗口管理服務、地理信息服務、電源管理服務、通話管理服務，等等。所有服務都寄宿在系統核心進程 （System Core Process）中，在運行時，每個服務都占據一個獨立的線程，彼此通過進程間的通信機制（Inter-Process Communication，IPC）發送消息和傳輸數據。
應用層中的應用，時刻都在與這些系統服務打交道。每一次構造窗口、處理用戶交互事件、繪制界面、獲得當前地理信息、了解設備信息等操作，都是在各個系統服務的支持下實現的。
而 對於開發者而言，框架層最直觀的體現就是SDK，它通過一系列的Java功能模塊，來實現應用所需的功能。SDK的設計決定了上層應用的開發模式、開發效 率及能夠實現的功能范疇。因此，對於開發者而言，關注SDK的變遷是一件很有必要的事情，SDK每個新版本的誕生，都意味着一些老的接口會被調整或拋棄， 另一些新的接口和功能火熱出爐。開發者不但要查看和關注那些被修改的接口，來檢查應用的兼容性，並采取相應的策略去適應這些變化，更重要的是，開發者還要 追蹤新提供的接口，尋找改進應用的機會，甚至是尋求開發新應用的可能。
從系統設計的角度來看，Android期望框架層是所有應用運行的核 心，參與到應用層的每一次操作中，並進行全局統籌。Android應用的最大特征是基於組件的設計方式。每個應用都由若干個組件構成，組件和組件之間並不 會建立通信信道，而是通過框架層的系統服務，集中地調度和傳遞消息。這樣的設計方式相當於增加了一個中間層，該層了解所有組件的狀況，可以更智能地進行協 調，從而提升了整個系統的靈活性。
1.1.3 運行時
和所有的Java程序運行平台一樣，為了實現Java程序在運行階段的二次編譯， Android為它們提供了運行時（Runtime）的支撐。
Android的運行時由Java核心類庫和Java虛擬機Dalvik共同構成。Java核心類庫涵蓋了Android框架層和應用層所要用到的基礎Java庫，包括Java對象庫、文件管理庫、網絡通信庫，等等。
Dalvik 是為Android量身打造的Java虛擬機，負責動態解析執行應用、分配空間、管理對象生命周期等工作。如果說框架層是整個Android的大腦，決定 了Android應用的設計特征，那么，Dalvik就是Android的心臟，為Android的應用提供動力，決定它們的執行效率。
與 為低端移動設備而設計的J2ME虛擬機不同，Dalvik是專門為高端設備而優化設計的。它沒有采用基於棧的虛擬機架構，而是采取了基於寄存器的虛擬機架 構設計。通常來說，基於棧的虛擬機對硬件的依賴程度小、生成的應用更節約空間，可以適配更多的低端設備；而基於寄存器的虛擬機，對硬件的門檻會更高一些， 編譯出的應用可能會耗費稍多的存儲空間，但它的執行效率更高，更能夠發揮高端硬件（主要指處理器）的能力。
Dalvik沒有沿用傳統的 Java二進制碼（JavaBytecode）作為其一次編譯的中間文件，而是應用了新的二進制碼格式文件.dex。在Android應用的編譯過程中， 它會先生成若干個.class文件，然后統一轉換成一個.dex文件。在轉換過程中，Android會對部分.class文件中的指令做轉義，使用 Dalvik特有的指令集OpCodes來替換，以提高執行效率。同時，.dex會整合多個.class文件中的重復信息，並對冗余部分做全局的優化和調 整，合並重復的常量定義，以節約常量池耗費的空間。這使得最終得到的.dex文件通常會比將.class文件壓縮打包得出的.jar文件更精簡。
為 了提升Android應用的執行效率，從垃圾回收器（Garbage Collection，GC）到編譯器，Dalvik一直在各個方面進行優化。經常可以聽到這樣的消息：“新版本的Android系統，比上一個版本的效 率高了x倍。”這大都是改善Dalvik的效果。在Android 2.2中，Dalvik引入了對JIT（Just-in-time）編譯的支持，將上層應用的執行效率提升了2～4倍，開啟了Android發展的新篇 章。
由於對於大部分應用開發者而言，無須了解Android運行時的具體細節，因此，本書后續將不會詳細介紹Android運行時的相關內容，有興趣的讀者，可以另行查閱相關資料和源代碼。
1.1.4 核心類庫
對於框架層而言，核心類庫就是它的“賢內助”。每一次Android系統升級，能看到的都是框架層SDK的變遷，增加了新的功能，提供了新的接口。而在這些新功能的背后，核心類庫都是居功至偉。
核心類庫由一系列的二進制動態庫共同構成，通常使用C/C++進行開發。與框架層的系統服務相比，核心類庫不能夠獨立運行於線程中，而需要被系統服務加載到其進程空間里，通過類庫提供的JNI接口進行調用。
核 心類庫的來源主要有兩種，一種是系統原生類庫，Android為了提高框架層的執行效率，使用C/C++來實現它的一些性能關鍵模塊，如：資源文件管理模 塊、基礎算法庫，等等。而另一種則是第三方類庫，大部分都是對優秀開源項目的移植，它們是Android能夠提供豐富功能的重要保障，如：Android 的多媒體處理，依賴於開源項目OpenCORE的支持；瀏覽器控件的核心實現，是從Webkit移植而來；而數據庫功能，則是得益於Sqlite。 Android會為所有移植而來第三方類庫封裝一層JNI接口，以供框架層調用。
為了幫助游戲和圖形圖像處理等領域的開發者搭建更高效的應 用，Android將數學函數庫、OpenGL庫等核心類庫以NDK的形式提供給開發者，開發者可以基於NDK更高效地構建算法，進行圖形圖像繪制。從實 踐的角度看，只要能獲取到底層類庫的頭文件信息，開發者就可以逾越NDK的界限，用其他核心類庫的接口進行開發。但這樣做的危險之處在於兼容性 差，Android在版本變遷時，可能會替換或修改一些類庫接口或實現，這就會導致依賴於這些類庫的應用無法運行。而NDK提供的都是穩定的類庫實現，不 會再做修改，以保證使用NDK的應用具有向上的兼容性。
1.1.5 硬件抽象層和Linux內核
Android 系統並不是從零開始設計的，而是搭建在Linux內核之上。狹義的Android系統，主要指的是Linux內核以上的各層，從運行的角度來看，它們只是 運行在Linux系統上的一些進程，並不是完整的系統，離開了Linux的支撐，就像魚兒離開了水一樣，無法運行。
Linux之於 Android最大的價值，便是其強大的可移植性。Linux可以運行在各式各樣的芯片架構和硬件環境下，而依托於它的Android系統，也便有了強大 的可移植性。同時，Linux像一座橋梁，將Android的上層實現與底層硬件連接起來，使它們可以不必直接耦合，因此，降低了移植的難度。
而硬件抽象層（Hardware Abstract Layer，HAL），是Android為廠商定義的一套接口標准，它為框架層提供接口支持，廠商需要根據定義的接口實現相應功能。
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本文節選自《Android開發精要》一書，范懷宇著，由機械工業出版社出版。
【內容簡介】
如 何才能寫出貼近Android設計理念、能夠更加高效和可靠運行的Android應用？通過Android的源代碼去了解其底層實現細節是最重要的方法之 一！然而，Android系統太過於龐大，源代碼實現復雜，學習的技術門檻和時間成本都很高。 有沒有一種方法既能幫助開發者深入理解Android應用開發，又能不被底層大量的實現細節所羈絆，迅速掌握編寫高質量Android應用所需的知識？本 書針對這個問題給出了完美的答案！它從Android繁雜的源代碼中抽取出了Android開發的“精華”和“要點”，剝離了大量瑣碎的底層實現細節，進 行了高度概括和總結，不僅能幫助開發者迅速地從宏觀上理解整個Android系統的設計理念，而且能幫助開發者迅速地從微觀上掌握核心知識點的原理，從而 編寫出高質量的Android應用。
本書共13章，在邏輯上分為4個部分。第一部分（1～2章）：第1章系統介紹了Android的系統架 構、核心模塊和設計思想，旨在讓讀者真正理解它的設計理念；第2章講解了Android源代碼的獲取、編譯、閱讀和編輯的方法。第二部分（3～6章）：第 3章深入闡述了Android組件機制的設計理念和重要特征，並詳細介紹了4大組件的方法和原理；第4章講解了Intent對象和Android的意圖機 制，闡明了Android是如何將來自不同應用、不同進程的組件整合在一起的；第5章解析了Android中各個組件的生命周期，包括組件的進程模型和線 程模型；第6章從開發的角度詳細闡述了組件間數據傳輸的解決方案，以及它們的優缺點和適用場景。第三部分（7～8章）：第7章深入講解了Android的 控件框架，結合實際項目對重要控件的實現和使用逐一進行了分析，還包含Android 4.0界面開發的實踐“精華”；第8章分析了Android的資源體系，剖析了Android底層對資源的處理。第四部分（9～13章）：第9章講解了 Android的數據存儲結構，以及不同數據存儲模式的使用要點；第10章分析了Android的各種網絡連接方式，涵蓋NFC和基於WiFi的P2P連 接等內容；第11章講解了Android的定位服務、地址服務和地圖服務的框架實現；第12章仔細分析了Android各種多媒體功能的實現機制；第13 章對Android中比較有特色的一些模塊的實現細節進行了分析。
【作者簡介】
范懷宇，資深Android開發工程師，畢業於清華大學，從事移動開發多年，對Android系統有頗為深入的研究，開發經驗十分豐富。曾就職於網易有道，負責完成了有道詞典Android版、網易 掌上郵Android版、網易八方Android版等項目的開發工作，現就職於豌豆實驗室，負責豌豆莢2.0版本的設計和開發。
作者微博：@duguguiyu 個人站點：http://flyvenus.net