Android筆記(1)：發展歷史與系統架構

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因為疫情的關係，最近空出一些時間，想學如何撰寫手機 APP 應用程式，之前在實作使用手機藍芽與傳感器之間的控制時，大概瞭解如何使用 App Inventor 的圖形介面設計手機應用程式，覺得 App Inventor 的圖像操作方式比較像是讓初學程式者能夠更快上手，對於我有點程式基礎，覺得有點簡單，於是打算每天利用幾個小時來學習 Android 程式開發的介面，順便將多年前學習的 Java 程式熟悉一下，考量我的電腦是 Wintel 機種，如要撰寫 iOS 程式，還要去找一台 Macbook 才會比較方便，礙於設備關係，就先從 Android 著手。之後的文章會陸續整理撰寫 Android 程式的重要資料，我們先從 Android 的歷史開始。

[Android 歷史簡介]

Android 一個以 Linux 為基礎的半開放原始碼操作系统，主要用於移动設備，最初由安迪·鲁宾（Andy Rubin）開發製作，主要是支援手機，於2005年8月被 Google 收購。
2007年11月，Google 與 84 家硬體製造商、軟體開發商及電信營運商成立開放手機聯盟來共同研發 Android，任何廠商都不須經過 Google 和開放手持裝置聯盟的授權隨意使用 Android 作業系統；但是製造商不能在未授權下在產品上使用 Google 的標誌和應用程式。
Android是一個全身綠色的機器人，半圓形的頭部，有兩支天線和空白的點作為眼睛。它的頭部與身體之間有空白的區域，相似於一枚有平底的雞蛋，兩側各有兩個圓角矩形，作為它的雙臂。歷年來 Android 換過幾次商標 Logo，使用年份與圖標如下：

來源：1000Logos

Android作業系統有預發行的內部版本，分別為原子小金剛（Astro）與機器人班亭（Bender，電視動畫《飛出個未來》的角色）。從2009年5月開始，Android的版本代號改以甜點來命名，且每個代號間的字首以英文字母序接續排列：Cupcake（紙杯蛋糕）、Donut（甜甜圈）、Eclair（閃電泡芙）....Oreo（奧利奧）、Pie（派）等命名方式，直到 2019年8月23日，Google宣布從Android Q開始不再以甜品命名，且直接稱Android Q為Android 10。

來源：groomingyourworld

為了加速 Android 平台軟體的開發，Google 於 2008 年九月首先釋出第一版的 SDK 1.0 Release 1 供開發人員使用，之後，則規律的釋出新版本的 SDK。

若要瞭解更多 Android 的歷史，可參考 維基百科 Android 的介紹。相關發展版本的歷史也可以參考 Android 版本列表。

[Android作業系統架構]

Android 是執行於 Linux kernel 之上，但並不是 GNU/Linux。因為在一般GNU/Linux裏支援的功能，Android大都沒有支援，包括 Cairo、X11、Alsa、FFmpeg、GTK、Pango及Glibc等都被移除掉了。有一些由C所寫的中介軟體、函式庫和應用程式介面，以及運行包含 Java 相容庫的應用框架上應用程式。Linux 核心的開發則繼續獨立於 Android 的其他原始碼項目。Android 的作業系統架構如下圖：

Android 的作業系統架構圖(來源：Wiki)

• 系統應用層（System Apps）

　　使用者安裝的應用程式，如郵件、簡訊、地圖等，或是可從 Google Play商店下載安裝的應用程式。

• 應用框架層（Java API Framework）

　　主要提供構建應用程序時可能用到的各種 API，Android 本身就有一些核心應用就是使用這些 API 完成的，開發者也可通過使用API，來構建自己的應用程序。

• 系統運行庫層（Native C/C++ Libraries And Runtimes）

　　透過一些 C/C++ 函數庫來為 Android 系統提供支援。如 SQLite 函數庫提供了資料庫支援，OpenGL ES函數庫支援 3D 繪圖等。

• Android Runtime：

　　對於 Android 5.0（API級別21）或更高版本的設備，每個應用都在其自己的程序中運行，並且有其自己的 Android Runtime(ART)實例。例如使用 DEX 在低記憶體設備上運行多個虛擬機，DEX 文件是一種專為 Android 設計的字節碼格式。ART 的部分主要功能包括：

1. 預先(AOT)和即時(JIT)編譯。
2. 優化的垃圾回收(GC)。
3. 在Android 9（API級別28）及更高版本的系統中，支援將應用軟體中的 DEX( Dalvik Executable)格式文件轉換。

• 硬體抽象層（Hardware Abstraction Layer, HAL）

　　HAL的目的是為了把 Android Framework 與 Linux Kernel隔開，定義一個標準的硬體介面以供硬體供應商使用，可讓 Android 忽略較低層次的驅動程序開發，把一部分驅動功能放到 HAL 層中。為什麼要麻煩地增加一個 HAL？其實是為了保護廠商開發的原始碼，由於 Linux內核採用了 GPL 協議，所以硬體生產商想要支持 Linux 系統，必須遵照 GPL 協議公開硬體驅動的原始源。但這些原始碼中包含有許多硬體的設計信息，攸關硬體生產商的核心利益。增加了 HAL 層之後，硬體廠商就不需要開放所有的驅動程式碼了。

• Linux內核層（Linux Kernel）及電源管理(Power Management)

　　Android系統基於 Linux2.6 內核，這一層為 Android 設備各種硬件提供了底層驅動，如顯示、音效、照相機、藍牙、Wi-Fi等驅動，也包括電源管理、喚醒鎖定等程式。

[Android 應用程式組件]

Android 的應用程式由以下四種組件(Component)組成，這些組件可互相搭配來構建應用程式所有功能。

• Activity 活動

　　Activity 是與用戶交互的入口點，比如說一個進入畫面或功能表時，每個 Activity 都是一個獨立的元件個體，可利用 Intent 意圖的設計，在不同 Activity 間切換，Activity 是繼承自 android.app.Activity 的子類別。

• Service服務

　　Servie 服務是用於在背景執行的一種 Java 類別，用於執行長時間執行，且不需與用戶互動的作業。例如下/上載檔案或與網路連線等。

• Broadcast Receiver 廣播接收器

　　廣播接收器這個元件能夠傾聽特定的事件，進行接收並做出回應，不需用到使用者介面。例如撥出電話、螢幕關閉等，可以啟動一個 activity 或 serice 來回應它們收到的資訊。或是使用 NotificationManager來通知使用者，如震動、播放聲音等，或呈現一個圖示視窗等。

• Content Provider 內容提供器

　　內容提供器管理一組共享的資料，可將這些資料儲存在文件檔案、SQLite 資料庫、網路中或者其他儲存位置。在預設的情況下，這個共享的資料庫只允許該應用程式內的元件可以存取，但透過 Content Provider 的共享機制，將這些資料提供出來，讓其他的應用程式也能夠讀取。例如應用程式可透過內容提供器讀取裝置上的聯絡人資料。

上述的四種組件可搭配組合成 Android 應用程式，這些組件的項目與應用會在 AndroidManifest.xml 檔案中描述，稍後的筆記中會瞭解這個檔案的用途。除此，還有其他額外的組件(Component)用來建構上述提到的應用以及邏輯等，這些組件包括以下各項：

組件	說明
Fragments	用來呈現在 Activity 活動中用戶界面的一部分。
Views	在螢幕上繪製的 UI 元件，如按鈕，列表表單等。
Layouts	控制 View 的格式、外觀以及層次結構等。
Intents	將各組件間用訊息連接起來。
Resources	外部元素，例如字符串，常數和可繪製圖片。
Manifest	應用程式的設定檔。

[參考資料]

• 維基百科：Android
• 維基百科：Android 版本列表
• Developers：開發者指南
• tutorialspoint：Android - Application
Components