【Linux系统】Android系统是如何基于Linux内核构建出来的
Android系统如何基于Linux内核构建
Android 是一款基于 Linux 内核 的操作系统，由 Google 开发，最初用于智能手机和平板电脑，如今扩展到电视、汽车、物联网设备等领域。虽然 Android 基于 Linux 内核，但它并不是一个传统意义上的 Linux 操作系统，而是对 Linux 内核和用户空间层进行了大量定制，以满足移动设备的特殊需求。
Android 与 Linux 内核的关系
使用 Linux 内核的原因
Google 选择基于 Linux 内核构建 Android 系统，主要是因为 Linux 所具备以下优势：
- 开源性：Linux 内核是开源的（GPL 许可证），允许自由使用、修改和分发。
- 硬件抽象：Linux 内核提供了丰富的驱动支持，可以轻松适配各种硬件设备。
- 稳定性与安全性：Linux 内核经过多年发展，具有高稳定性和强大的安全机制。
- 多任务支持：Linux 内核的多任务、多用户和内存管理机制非常适合移动设备的需求。
Android 对 Linux 内核的扩展
虽然 Android 使用 Linux 内核，但它对原生内核进行了大量修改和扩展，以适应移动设备的要求。这些扩展包括：
- 增加的功能：
- Binder IPC（进程间通信）机制。
- 低内存杀手（Low Memory Killer）机制。
- 电源管理优化。
- Wakelocks（唤醒锁）机制。
- Android 专用的安全模块（如 SELinux for Android）。
- 删除的功能：
- 删除了部分不必要的 Linux 内核功能（如某些文件系统、服务器相关模块），以降低内核体积和功耗。
Android 系统架构概览
Android 的系统架构可以分为以下几个层次：
- Linux 内核层：
- 提供核心系统服务（如进程管理、内存管理、网络支持、驱动程序等）。
- 扩展了 Android 特有的功能（如 Binder IPC、安全机制、电源管理）。
- 硬件抽象层（HAL）：
- 通过硬件抽象接口，将 Linux 内核与 Android 框架层解耦。
- 硬件厂商只需实现 HAL 层接口即可适配 Android 系统。
- Android 运行时（ART）：
- 提供 Java 应用的运行环境。
- 包括 Android 专用的类库和虚拟机（ART 取代了早期的 Dalvik 虚拟机）。
- 系统库和服务：
- 包括 C/C++ 库（如 OpenGL ES、SSL）和 Android 专用的系统服务（如 Activity Manager、Window Manager）。
- 应用框架层：
- 提供应用开发的核心框架（如 Activity、Service、ContentProvider）。
- 应用层：
- 包括用户安装的应用和系统预装的应用。
Android 基于 Linux 内核的关键技术
1. Binder IPC 机制
- 功能：
- Android 使用 Binder 作为主要的进程间通信（IPC）机制，替代了传统的 Linux IPC（如管道、共享内存等）。
- Binder 支持高效的进程间数据传输，同时实现了权限验证和安全性。
- 实现：
- Binder 是一个在 Linux 内核中实现的字符设备驱动程序。
- Android 的核心服务（如 ActivityManager、WindowManager）通过 Binder 进行通信。
2. 电源管理（Power Management）
- 功能：
- 移动设备的电池续航至关重要，Android 对 Linux 内核的电源管理机制进行了优化。
- 引入 Wakelocks（唤醒锁），用于防止设备在关键任务（如后台数据同步）时进入休眠状态。
- 实现：
- Wakelocks 是 Linux 内核中的一种机制，允许应用或系统服务请求 CPU 或其他硬件资源保持活跃。
3. 低内存杀手（Low Memory Killer）
- 功能：
- Android 设备通常内存有限，低内存杀手机制用于在内存不足时自动杀死后台进程，以释放内存资源。
- 替代了原生 Linux 中的 OOM Killer（Out of Memory Killer）。
- 实现：
- 低内存杀手是一个内核模块，通过监控系统的内存消耗，根据进程的优先级（如前台、后台、服务进程等）决定哪些进程可以被杀死。
4. 安全机制（SELinux for Android）
- 功能：
- Android 使用 SELinux（Security-Enhanced Linux）来增强系统的安全性。
- 定义了严格的访问控制策略，限制应用和服务的权限，防止恶意软件获取不必要的权限。
- 实现：
- SELinux 是 Linux 内核中的安全模块，通过强制访问控制（MAC）机制限制进程对资源的访问。
5. 文件系统
- 功能：
- Android 支持多种文件系统，但主要使用 ext4（第四代扩展文件系统）作为默认文 件系统。
- 在 Android 设备上，文件系统会被分为多个分区（如 /system、/data、/cache）。
- 实现：
- Android 针对 NAND 闪存优化了 ext4 文件系统，并实现了 F2FS（Flash-Friendly File System）以提高闪存性能。
6. 驱动支持
- 功能：
- Linux 内核本身具有丰富的硬件驱动支持，Android 继承了这些驱动。
- 同时，Android 定义了硬件抽象层（HAL），硬件厂商只需实现 HAL 接口即可适配 Android 系统。
- 实现：
- 驱动程序位于 Linux 内核层，HAL 层通过调用驱动程序接口与硬件交互。
Android 对 Linux 内核的修改
Android 在 Linux 内核的基础上做了大量修改，以满足移动设备的需求。以下是主要的修改内容：
| 功能 | 原生 Linux 功能 | Android 修改/扩展 |
|---|---|---|
| 进程间通信 | 管道、共享内存、消息队列等 | 引入 Binder IPC，优化了通信效率和权限控制。 |
| 电源管理 | 基础电源管理 | 引入 Wakelocks，增强对电池续航的支持。 |
| 内存管理 | OOM Killer | 引入低内存杀手（Low Memory Killer）。 |
| 安全性 | SELinux | 修改为 SELinux for Android，定义更严格的安全策略。 |
| 文件系统 | ext3、ext4 | 优化 ext4，并支持 F2FS 文件系统。 |
| 驱动支持 | 标准驱动框架 | 增加 HAL 层，解耦硬件与系统框架。 |
Android 系统的构建流程
- 选择 Linux 内核版本：Android 通常基于特定版本的 Linux 内核进行开发。例如，Android 13 使用的是
Linux 5.10内核。 - 内核定制：Google 和硬件厂商对 Linux 内核进行裁剪和优化，以满足设备的性能和功耗需求。
- 硬件抽象层（HAL）实现：硬件厂商实现 HAL 接口，与定制的 Linux 驱动程序交互。
- 用户空间框架开发：在内核基础上构建 Android 的用户空间组件（如 ART、系统服务等）。
- 系统集成与测试：将内核、HAL 和用户空间框架集成到一起，进行全面的功能和性能测试。
Android 是一个基于 Linux 内核的定制化操作系统，虽然继承了 Linux 的核心功能，但针对移动设备的需求进行了大量优化和扩展。通过引入 Binder IPC、Wakelocks、低内存杀手等核心技术，Android 实现了高效的资源管理和设备适配能力。其独特的架构和创新设计，使其成为现代移动设备和嵌入式系统的主流操作系统。
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