深入理解Android内核设计思想 第2版(上下册)

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内容简介: 全书从操作系统的基础知识入手,全面剖析进程/线程、内存管理、Binder机制、GUI显示系统、多媒体管理、输入系统、虚拟机等核心技术在Android中的实现原理。书中讲述的知识点大部分来源于工程项目研发,因而具有较强的实用性,希望可以让读者“知其然,更知其所以然”。本书分为编译篇、系统原理篇、应用原理篇、系统工具篇,共4篇25章,基本涵盖了参与Android开发所需具备的知识,并通过大量图片与实例来引导读者学习,以求尽量在源码分析外为读者提供更易于理解的思维方式。
本书既适合Android系统工程师,也适合于应用开发工程师来阅读,从而提升Android开发能力。读者可以在本书潜移默化的学习过程中更深刻地理解Android系统,并将所学知识自然地应用到实际开发难题的解决中。

目录: 第1篇 Android编译篇
第1章 Android系统简介 2
1.1 Android系统发展历程 2
1.2 Android系统特点 4
1.3 Android系统框架 8
第2章 Android源码下载及编译 11
2.1 Android源码下载指南 11
2.1.1 基于Repo和Git的
版本管理 11
2.1.2 Android源码下载流程 12
2.2 原生Android系统编译指南 16
2.2.1 建立编译环境 16
2.2.2 编译流程 19
2.3 定制产品的编译与烧录 22
2.3.1 定制新产品 22
2.3.2 Linux内核编译 26
2.3.3 烧录/升级系统 27
2.4 Android Multilib Build 28
2.5 Android系统映像文件 31
2.5.1 boot.img 32
2.5.2 ramdisk.img 34
2.5.3 system.img 35
2.5.4 Verified Boot 35
2.6 ODEX流程 37
2.7 OTA系统升级 39
2.7.1 生成升级包 39
2.7.2 获取升级包 40
2.7.3 OTA升级—Recovery
模式 41
2.8 Android反编译 44
2.9 NDK Build 46
2.10 第三方ROM的移植 48
第3章 Android编译系统 50
3.1 Makefile入门 50
3.2 Android编译系统 52
3.2.1 Makefile依赖树的概念 53
3.2.2 Android编译系统抽象
 模型 53
3.2.3 树根节点droid 54
3.2.4 main.mk解析 55
3.2.5 droidcore节点 59
3.2.6 dist_files 61
3.2.7 Android.mk的编写规则 61
3.3 Jack Toolchain 64
3.4 SDK的编译过程 68
3.4.1 envsetup.sh 68
3.4.2 lunch sdk-eng 70
3.4.3 make sdk 75
3.5 Android系统GDB调试 85
第2篇 Android原理篇
第4章 操作系统基础 90
4.1 计算机体系结构
(Computer Architecture) 90
4.1.1 冯 诺依曼结构 90
4.1.2 哈佛结构 90
4.2 什么是操作系统 91
4.3 进程间通信的经典实现 93
4.3.1 共享内存
(Shared Memory) 94
4.3.2 管道(Pipe) 95
4.3.3 UNIX Domain Socket 97
4.3.4 RPC(Remote Procedure Calls) 99
4.4 同步机制的经典实现 100
4.4.1 信号量(Semaphore) 100
4.4.2 Mutex 101
4.4.3 管程(Monitor) 101
4.4.4 Linux Futex 102
4.4.5 同步范例 103
4.5 Android中的同步机制 104
4.5.1 进程间同步——Mutex 104
4.5.2 条件判断——Condition 105
4.5.3 “栅栏、障碍”
 ——Barrier 107
4.5.4 加解锁的自动化操作
——Autolock 108
4.5.5 读写锁——Reader
WriterMutex 109
4.6 操作系统内存管理基础 110
4.6.1 虚拟内存
(Virtual Memory) 110
4.6.2 内存保护
(Memory Protection) 113
4.6.3 内存分配与回收 113
4.6.4 进程间通信——mmap 114
4.6.5 写时拷贝技术
(Copy on Write) 115
4.7 Android中的Low
Memory Killer 115
4.8 Android匿名共享内存
(Anonymous Shared Memory) 118
4.8.1 Ashmem设备 118
4.8.2 Ashmem应用实例 122
4.9 JNI 127
4.9.1 Java函数的本地实现 127
4.9.2 本地代码访问JVM 130
4.10 Java中的反射机制 132
4.11 学习Android系统的两条线索 133
第5章 Android进程/线程和
程序内存优化 134
5.1 Android进程和线程 134
5.2 Handler, MessageQueue,
Runnable与Looper 140
5.3 UI主线程——ActivityThread 147
5.4 Thread类 150
5.4.1 Thread类的内部原理 150
5.4.2 Thread休眠和唤醒 151
5.4.3 Thread实例 155
5.5 Android应用程序如何利用
 CPU的多核处理能力 157
5.6 Android应用程序的典型启
 动流程 157
5.7 Android程序的内存管理与优化 159
5.7.1 Android系统对内存使用
 的限制 159
5.7.2 Android中的内存泄露与
 内存监测 160
第6章 进程间通信 — Binder 166
6.1 智能指针 169
6.1.1 智能指针的设计理念 169
6.1.2 强指针sp 172
6.1.3 弱指针wp 173
6.2 进程间的数据传递载体
 ——Parcel 179
6.3 Binder驱动与协议 187
6.3.1 打开Binder驱动
——binder_open 188
6.3.2 binder_mmap 189
6.3.3 binder_ioctl 192
6.4 “DNS”服务器——Service
 Manager(Binder Server) 193
6.4.1 ServiceManager的启动 193
6.4.2 ServiceManager的构建 194
6.4.3 获取ServiceManager服
务—设计思考 199
6.4.4 ServiceManagerProxy 203
6.4.5 IBinder和BpBinder 205
6.4.6 ProcessState和IPCThreadState 207
6.5 Binder客户端——Binder Client 237
6.6 Android接口描述语言——AIDL 242
6.7 匿名Binder Server 254
第7章 Android启动过程 257
7.1 第一个系统进程(init) 257
7.1.1 init.rc语法 257
7.1.2 init.rc实例分析 260
7.2 系统关键服务的启动简析 261
7.2.1 Android的“DNS服务器”
——ServiceManager 261
7.2.2 “孕育”新的线程和进程
——Zygote 261
7.2.3 Android的“系统服务”
——SystemServer 274
7.2.4 Vold和External Storage
存储设备 276
7.3 多用户管理 282
第8章 管理Activity和组件运行状
态的系统进程——Activity ManagerService(AMS) 284
8.1 AMS功能概述 284
8.2 管理当前系统中Activity
 状态——Activity Stack 286
8.3 startActivity流程 288
8.4 完成同一任务的“集合”——Activity Task 296
8.4.1 “后进先出”——Last In,First Out 297
8.4.2 管理Activity Task 298
8.5 Instrumentation机制 300
第9章 GUI系统 — SurfaceFlinger 305
9.1 OpenGL ES与EGL 305
9.2 Android的硬件接口——HAL 307
9.3 Android终端显示设备的“化身”
——Gralloc与Framebuffer 309
9.4 Android中的本地窗口 313
9.4.1 FramebufferNativeWindow 315
9.4.2 应用程序端的本地窗口——Surface 321
9.5 BufferQueue详解 325
9.5.1 BufferQueue的内部原理 325
9.5.2 BufferQueue中的缓冲区
分配 328
9.5.3 应用程序的典型绘图
流程 333
9.5.4 应用程序与BufferQueue
的关系 339
9.6 SurfaceFlinger 343
9.6.1 “黄油计划”——Project Butter 343
9.6.2 SurfaceFlinger的启动 347
9.6.3 接口的服务端——Client 351
9.7 VSync的产生和处理 355
9.7.1 VSync信号的产生和
分发 355
9.7.2 VSync信号的处理 361
9.7.3 handleMessageTransaction 363
9.7.4 “界面已经过时/无效,需要重
新绘制”——handleMessage Invalidate 367
9.7.5 合成前的准备工作
 ——preComposition 369
9.7.6 可见区域
 ——rebuildLayerStacks 371
9.7.7 为“Composition”搭建环境
 ——setUpHWComposer 375
9.7.8 doDebugFlashRegions 377
9.7.9 doComposition 377
第10章 GUI系统之“窗口管理员”
 —WMS 385
10.1 “窗口管理员”——WMS综述 386
10.1.1 WMS的启动 388
10.1.2 WMS的基础功能 388
10.1.3 WMS的工作方式 389
10.1.4 WMS,AMS与Activity
 间的联系 390
10.2 窗口属性 392
10.2.1 窗口类型与层级 392
10.2.2 窗口策略
 (Window Policy) 396
10.2.3 窗口属性
 (LayoutParams) 398
10.3 窗口的添加过程 400
10.3.1 系统窗口的添加过程 400
10.3.2 Activity窗口的添加
 过程 409
10.3.3 窗口添加实例 412
10.4 Surface管理 416
10.4.1 Surface申请流程(relayout) 416
10.4.2 Surface的跨进程传递 420
10.4.3 Surface的业务操作 422
10.5 performLayoutAndPlace
 SurfacesLockedInner 423
10.6 窗口大小的计算过程 424
10.7 启动窗口的添加与销毁 433
10.7.1 启动窗口的添加 433
10.7.2 启动窗口的销毁 437
10.8 窗口动画 438
10.8.1 窗口动画类型 439
10.8.2 动画流程跟踪——Window
 StateAnimator 440
10.8.3 AppWindowAnimator 444
10.8.4 动画的执行过程 446
第11章 让你的界面炫彩起来的GUI
 系统 — View体系 452
11.1 应用程序中的View框架 452
11.2 Activity中View Tree的
 创建过程 455
11.3 在WMS中注册窗口 461
11.4 ViewRoot的基本工作方式 463
11.5 View Tree的遍历时机 464
11.6 View Tree的遍历流程 468
11.7 View和ViewGroup属性 477
11.7.1 View的基本属性 477
11.7.2 ViewGroup的属性 482
11.7.3 View、ViewGroup和
 ViewParent 482
11.7.4 Callback接口 482
11.8 “作画“工具集——Canvas 484
11.8.1 “绘制UI”——Skia 485
11.8.2 数据中介——Surface.
 lockCanvas 486
11.8.3 解锁并提交结果——unlock
 CanvasAndPost 490
11.9 draw和onDraw 491
11.10 View中的消息传递 497
11.10.1 View中TouchEvent
 的投递流程 497
11.10.2 ViewGoup中Touch-
 Event的投递流程 500
11.11 View动画 504
11.12 UiAutomator 509
第12章 “问渠哪得清如许,为有源头
 活水来”— InputManager
 Service与输入事件 514
12.1 事件的分类 514
12.2 事件的投递流程 517
12.2.1 InputManagerService 518
12.2.2 InputReaderThread 519
12.2.3 InputDispatcherThread 519
12.2.4 ViewRootImpl对事件
 的派发 523
12.3 事件注入 524
第13章 应用不再同质化 — 音频系统 526
13.1 音频基础 527
13.1.1 声波 527
13.1.2 音频的录制、存储
 与回放 527
13.1.3 音频采样 528
13.1.4 Nyquist–Shannon采样
 定律 530
13.1.5 声道和立体声 530
13.1.6 声音定级——Weber–
 Fechner law 531
13.1.7 音频文件格式 532
13.2 音频框架 532
13.2.1 Linux中的音频框架 532
13.2.2 TinyAlsa 534
13.2.3 Android系统中的
 音频框架 536
13.3 音频系统的核心——Audio-
 Flinger 538
13.3.1 AudioFlinger服务的
 启动和运行 538
13.3.2 AudioFlinger对音频
 设备的管理 540
13.3.3 PlaybackThread的
 循环主体 547
13.3.4 AudioMixer 551
13.4 策略的制定者——Audio-
 PolicyService 553
13.4.1 AudioPolicyService
 概述 554
13.4.2 AudioPolicyService
 的启动过程 556
13.4.3 AudioPolicyService
 与音频设备 558
13.5 音频流的回放——AudioTrack 560
13.5.1 AudioTrack应用实例 560
13.5.2 AudioPolicyService
 的路由实现 567
13.6 音频数据流 572
13.6.1 AudioTrack中的音频流 573
13.6.2 AudioTrack和AudioFlinger
 间的数据交互 576
13.6.3 AudioMixer中的
 音频流 582
13.7 音量控制 584
13.8 音频系统的上层建筑 588
13.8.1 从功能入手 588
13.8.2 MediaPlayer 589
13.8.3 MediaRecorder 592
13.8.4 一个典型的多媒体
 录制程序 595
13.8.5 MediaRecorder
 源码解析 596
13.8.6 MediaPlayerService简析 598
13.9 Android支持的媒体格式 600
13.9.1 音频格式 600
13.9.2 视频格式 601
13.9.3 图片格式 601
13.9.4 网络流媒体 602
13.10 ID3信息简述 602
13.11 Android多媒体文件管理 606
13.11.1 MediaStore 607
13.11.2 多媒体文件信息的
 存储“仓库”
 ——MediaProvider 608
13.11.3 多媒体文件管理中
 的“生产者”
 —MediaScanner 611
第3篇 应用原理篇
第14章 Intent的匹配规则 616
14.1 Intent属性 616
14.2 Intent的匹配规则 618
14.3 Intent匹配源码简析 624
第15章 APK应用程序的资源适配 628
15.1 资源类型 629
15.1.1 状态颜色资源 630
15.1.2 图形资源 631
15.1.3 布局资源 632
15.1.4 菜单资源 633
15.1.5 字符串资源 633
15.1.6 样式资源 634
15.1.7 其他资源 635
15.1.8 属性资源 635
15.2 提供可选资源 638
15.3 最佳资源的匹配流程 642
15.4 屏幕适配 644
15.4.1 屏幕适配的重要参数 644
15.4.2 如何适配多屏幕 646
15.4.3 横竖屏切换的处理 648
第16章 Android字符编码格式 650
16.1 字符编码格式背景 650
16.2 ISO/IEC 8859 651
16.3 ISO/IEC 10646 651
16.4 Unicode 652
16.5 String类型 655
16.5.1 构建String 655
16.5.2 String对多种编码
 的兼容 656
第17章 Android和OpenGL ES 660
17.1 3D图形学基础 661
17.1.1 计算机3D图形 661
17.1.2 图形管线 662
17.2 Android中的OpenGL ES简介 664
17.3 图形渲染API—EGL 665
17.3.1 EGL与OpenGL ES 665
17.3.2 egl.cfg 665
17.3.3 EGL接口解析 667
17.3.4 EGL实例 670
17.4 简化OpenGL ES开发
 —GLSurfaceView 670
17.5 OpenGL分析利器
 —GLTracer 677
第18章 “系统的UI”——SystemUI 685
18.1 SystemUI的组成元素 685
18.2 SystemUI的实现 687
18.3 Android壁纸资源
 —WallpaperService 694
18.3.1 WallPaperManager-
 Service 695
18.3.2 ImageWallpaper 697
第19章 Android常用的工具
“小插件”——Widget机制 700
19.1 “功能的提供者”——AppWidgetProvider 700
19.2 AppWidgetHost 702
第20章 Android应用程序
 的编译和打包 707
20.1 “另辟蹊径”采用第三方工具——Ant 707
20.2 通过命令行编译和打包APK 708
20.3 APK编译过程详解 709
20.4 信息安全基础概述 711
20.5 应用程序签名 716
20.6 应用程序签名源码简析 719
20.7 APK重签名实例 724
第21章 Android虚拟机 725
21.1 Android虚拟机基础知识 725
21.1.1 Java虚拟机核心概念 725
21.1.2 LLVM编译器框架 734
21.1.3 Android中的经典
 垃圾回收算法 736
21.1.4 Art和Dalvik之争 738
21.1.5 Art虚拟机整体框架 741
21.1.6 Android应用程序与
 虚拟机 742
21.1.7 Procedure Call Standard
 for Arm Architecture
 (过程调用标准) 744
21.1.8 C++ 11标准中的新
 特性 746
21.2 Android虚拟机核心文件格式
 —Dex字节码 749
21.3 Android虚拟机核心文件格式
 —可执行文件的基石ELF 756
21.3.1 ELF文件格式 756
21.3.2 Linux平台下ELF文件的加载和动态链接过程 764
21.3.3 Android Linker和
 动态链接库 771
21.3.4 Signal Handler和
 Fault Manager 782
21.4 Android虚拟机核心文件格式
 ——“主宰者”OAT 786
21.4.1 OAT文件格式解析 786
21.4.2 OAT的两个编译时机 793
21.5 Android虚拟机的典型
 启动流程 806
21.6 堆管理器和堆空间释义 815
21.7 Android虚拟机中的线程管理 823
21.7.1 Java线程的创建过程 823
21.7.2 线程的挂起过程 827
21.8 Art虚拟机中的代码执行
 方式综述 829
21.9 Art虚拟机的“中枢系统”
 ——执行引擎之Interpreter 836
21.10 Art虚拟机的“中枢系统”——执行引擎之JIT 839
21.10.1 JIT重出江湖的契机 839
21.10.2 Android N版本中JIT
 的设计目标及策略 840
21.10.3 Profile Guided Compilation
 (追踪技术) 842
21.10.4 AOT Compilation
 Daemon 843
21.11 Art虚拟机的“中枢系统”
 ——执行引擎之本地代码 844
21.12 Android x86版本兼容ARM二
 进制代码——Native Bridge 864
21.13 Android应用程序调试
 原理解析 871
21.13.1 Java代码调试与
 JDWP协议 872
21.13.2 Native代码调试 879
21.13.3 利用GDB调试
 Android Art虚拟机 885
第22章 Android安全机制透析 887
22.1 Android Security综述 887
22.2 SELinux 889
22.2.1 DAC 889
22.2.2 MAC 890
22.2.3 基于MAC的SELinux 890
22.3 Android系统安全保护
 的三重利剑 892
22.3.1 第一剑:Permission
 机制 893
22.3.2 加强剑:DAC(UGO)
 保护 896
22.3.3 终极剑:SEAndroid 898
22.4 SEAndroid剖析 899
22.4.1 SEAndroid的顶层模型 899
22.4.2 SEAndroid相关的核心
 源码 900
22.4.3 SEAndroid标签和规则 901
22.4.4 如何在Android系统中
 自定义SEAndroid 903
22.4.5 TE文件的语法规则 905
22.4.6 SEAndroid中的核心
 主体—init进程 907
22.4.7 SEAndroid中的客体 912
22.5 Android设备Root简析 913
22.6 APK的加固保护分析 916
第4篇 Android系统工具
第23章 IDE和Gradle 922
23.1 Gradle的核心要点 922
23.1.1 Groovy与Gradle 923
23.1.2 Gradle的生命周期 926
23.2 Gradle的Console语法 927
23.3 Gradle Wrapper和Cache 929
23.4 Android Studio和Gradle 931
23.4.1 Gradle插件基础知识 931
23.4.2 Android Studio中的
 Gradle编译脚本 932
第24章 软件版本管理 937
24.1 版本管理简述 937
24.2 Git的安装 937
24.2.1 Linux环境下安装Git 938
24.2.2 Windows环境下
 安装Git 939
24.3 Git的使用 939
24.3.1 基础配置 939
24.3.2 新建仓库 940
24.3.3 文件状态 942
24.3.4 忽略某些文件 943
24.3.5 提交更新 944
24.3.6 其他命令 944
24.4 Git原理简析 945
24.4.1 分布式版本系统的特点 946







24.4.2 安全散列算法
 —SHA-1 947
24.4.3 4个重要对象 948
24.4.4 三个区域 953
24.4.5 分支的概念与实例 954
第25章 系统调试辅助工具 958
25.1 万能模拟器——Emulator 958
25.1.1 QEMU 958
25.1.2 Android工程中
 的QEMU 963
25.1.3 模拟器控制台
 (Emulator Console) 966
25.1.4 实例:为Android
 模拟器添加串口功能 969
25.2 此Android非彼Android 970
25.3 快速建立与模拟器或真机的
 通信渠道——ADB 972
25.3.1 ADB的使用方法 972
25.3.2 ADB的组成元素 975
25.3.3 ADB源代码解析 976
25.3.4 ADB Protocol 981
25.4 SDK Layoutlib 984
25.5 TraceView和Dmtracedump 985
25.6 Systrace 987
25.7 代码覆盖率统计 992
25.8 模拟GPS位置 995