第四章 Android 平台對於運營商業者之影響
第二節 Android 作業系統平台介紹
國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
59
第二節 第二節 第二節
第二節 Android 作業系統平台介紹 作業系統平台介紹 作業系統平台介紹 作業系統平台介紹 壹 壹 壹
壹、 、 、 、 Android 平台之架構分 平台之架構分 平台之架構分 平台之架構分析 析 析 析
97Android 嚴格而論並非單指一作業系統（operating system），而是一針對可攜 式裝置所開發涵蓋作業系統核心、系統函式庫、中介軟體及應用程式等的軟體平 台（platform）。Android 平台採用軟體堆疊（software stack）的架構，並清楚定義 每層應具備之專屬功能，且只能與鄰近上下層的軟體進行直接溝通以確保架構的 抽象化（abstraction）。架構上的抽象化可保障各層軟體在呼叫下層特定功能各函 式庫或核心中各項模組之使用彈性，以自由使用下層軟體所提供的各項功能。
圖 25 Android 平台軟體堆疊架構 資料來源：Google Android 官方網站
Android 以開放原始碼的 Linux 作業系統核心為基礎，搭配開放原始碼函式庫，
加上 Google 本身所開發的應用程式框架，因此組成 Android 的整體平台。根據
97 由於 Android 版本不斷更新，造成 Android 平台軟體堆疊架構的應用程式框架層等上層部分於 各版本之間有些微的不同。本節對於 Android 平台的技術架構介紹，主要則是針對 Android 1.5 版 本做為介紹之主體。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
60
2008 年 Google 行動平台技術總監 Andy Rubin 與 Patrick Brady 於 Google I/O 大會 所發表的『Anatomy & Physiology of an Android』演講內容98，Android 平台軟體 堆疊架構如圖所示，由下至上可細分為第一層的作業系統核心層（Linux Kernel）、
第二層的系統函式庫層（Libraries）、第三層包括執行環境（Runtime）與應用程 式框架（Application Framework）的中介軟體層（Middleware）以及第四層的應用 程式層（Applications）等，以下將針對各層逐一介紹。
一 一一
一、、、 作業系統核心層、作業系統核心層作業系統核心層作業系統核心層：：：：
Android 選用 Linux Kernel 2.6 版本做為整體平台的基底驅動引擎（base engine），採用 C 語言撰寫。除了包含一套用於可攜式裝置的嵌入式 Linux 外，其 餘皆為連接硬體裝置的驅動程式，負責驅動所有的 I/O 與硬體，包括 Bluetooth 藍 芽驅動、Wi-Fi 無線通訊驅動、顯示驅動、鍵盤驅動、照相機驅動、USB 驅動、
程式間溝通管道驅動（binder）以及音效驅動等。另外，此層的 Linux Kernel 也負 責執行程序管理、記憶體管理、網路管理、電源管理、系統安全管理以及權限管 理等所有作業系統底層需負責的管理作業活動。
在硬體支援方面，Linux Kernel 則負責與上層（系統函式庫層）定義軟體抽 象化的硬體溝通介面（Hardware Abstraction Layer；HAL）溝通。透過此抽象化的 硬體溝通介面，上層軟體開發人員可利用高階語法與硬體直接進行溝通，而不須 實際撰寫低階指令操作硬體。
Android 平台之所以採用 Linux Kernel 作為其作業系統核心，最主要原因即在 於完全開放原始碼的特性，除可吸引開發人員與相關社群不斷進行更新，以維護 Linux Kernel 的狀態更新外，並可針對錯誤與不足之處進行修正，以確保作業系 統整體的運作穩定。此外，Android 平台為實現應用程式跨硬體平台的特性，透 過修改既有 Linux 核心系統之架構，使其能達成以 Java 撰寫的應用程式不需經過 修改，即直接可以在不同硬體平台上運作之目標。
另外值得注意的是，雖然 Android 平台是運作執行於 Linux Kernel 之上，但
98 詳細演講內容可見 http://www.youtube.com/watch?v=G-36noTCaiA，最後瀏覽日期：2010 年 3 月 20 日。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
61
事實上 Android 並非一般人所認知的 Linux 作業系統（GNU/Linux）99。Android 只有在作業系統核心及少數系統函式庫元件與 GNU/Linux 相似，其餘一般 GNU/Linux 系統中常見包括 Cairo、X11、Alsa、FFmpeg、GTK、Pango、Glibc 等功能均不予以支援100。另外，Android 上層的應用程式架構皆以 Java 程式碼撰 寫，並透過由 Google 本身自行開發的虛擬機器（virtual machine）方式轉換執行，
亦與一般的 GNU/Linux 系統架構存在很大的差異。
二 二二
二、、、 系統函式庫層、系統函式庫層系統函式庫層系統函式庫層：：：：
Android 的系統函式庫層（native libraries）主要用以存放較偏重於硬體的基 礎軟體函式，藉以提供較低層級的系統支援性功能以及相關的運算演算法。該程 式庫使用許多開放原始碼程式庫與元件，來提供上層應用程式開發功能，如提供 瀏覽器安全加解密的 SSL、3D 圖形的 OpenGL/ES、瀏覽器排版引擎 WebKit、字 型引擎 Freetype、嵌入式 SQL 資料庫 SQLite、2D 向量圖形處理程式庫 SGL、管 理顯示系統存取的 Surface Manager、多媒體存取的 Media Framework 等，此層之 函式庫軟體元件皆以 C 或 C++語言撰寫而成。此外，Android 的系統函式庫層還 具備一針對嵌入式系統（embedded system）最佳化而特別設計的基礎 C 程式庫
（Bionic Libc），其目的在於將開發程式時最常重複使用到的程式碼、指令及功能 擷取出來，開發人員透過使用該標準函式庫的內建指令，不必為程式內同樣功能 重複撰寫相同之程式碼，因此得以大幅改善開發程式之效率。
另外，Android 平台於系統函式庫層中特別定義了一層特殊的硬體抽象層
（Hardware Abstraction Layer；HAL），如圖 26 所示，硬體抽象層界於硬體與執 行於平台上的應用程式之間，並作為兩者之間的溝通管道。其主要功能為將各種 硬體的不同加以隱藏並抽離於作業系統的核心，如此可讓 Linux Kernel 的程式碼
99 GNU/Linux 是 GNU 計劃的支援者與開發者，特別是其創立者 Richard Stallman 對於一個以 Linux 聞名的類 Unix 操作系統的稱呼。一般所稱的 Linux 其實是指根基於 Linux Kernel 以及其他許多與 核心相關的軟體所組成之作業系統。最早 Linux 一詞其實是專指核心（kernel），其僅提供系統底 層與硬體間的基本平台，另外尚須配合其他程式才能成為一完整的作業系統。因此，有許多廠商 透過整合 Linux Kernel 加上其他軟體如基本的函式庫、工具、圖形介面及應用程式等，所組成的 一套完整作業系統，才是一般所稱的 Linux。為了避免誤解，自由軟體基金會建議開發者稱呼這 樣的一套作業系統為 GNU/Linux。其中的根本原因為 kernel 提供底層機制，但系統中重要的元件 幾乎都是來自於 GNU。
100 資料來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/Android，最後瀏覽日期：2010 年 3 月 20 日。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
62
不必因為硬體的不同而需要修改，因此可大幅增進應用程式的可移植性。
硬體抽象層在 Android 平台中可分為兩個部份：一個部份在作業系統核心層 的 Linux Kernel，另一個部份則位於系統函式庫層的 HAL，這兩個部份可以彼此 相互溝通。HAL 的部份主要負責詳細定義所有硬體的驅動程式內容，並實作所有 Android 平台定義的標準化硬體控制介面；而 Linux Kernel 的部分則主要負責與硬 體連接，並傳達 HAL 層的驅動程式所下達的指令101。
圖 26 Android 硬體抽象層之溝通示意圖
資料來源：『How Android Differs from GNU/Linux』，0xLab 三
三三
三、、、 中介軟體層、中介軟體層中介軟體層中介軟體層：：：：
中 介 軟 體 層 主 要 由 執 行 環 境 （ Runtime ） 與 應 用 程 式 框 架 （ Application Framework）所組成。執行環境區塊中另外包括兩個部分：其一為 Java 核心函式 庫（Core Libraries），其二為 Google 專為 Android 平台應用程式運作所開發出的 虛擬機器102「Dalvik」（Dalvik Virtual Machine）。當 Application Framework 中的應
101 透過如此之設計，可以讓行動裝置廠商及硬體零件廠商在「非」Linux Kernel 層中撰寫硬體的 驅動程式。資料來源：蔡華展、顏向瑜、朱南勳、李宗霖、翁嘉德，揭開揭開揭開 Android 的神秘面紗揭開 的神秘面紗的神秘面紗，的神秘面紗 資策會研究報告，2009 年 5 月 27 日。
102 虛擬機器本身是一個軟體，可在下層系統以及硬體裝置間提供相同的執行環境去執行軟體。以
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
63
用程式需要使用常用的 Java 程式時，即可直接呼叫位於在 Runtime 中的核心函式 庫並加以使用；而 Dalvik 虛擬機器則負責轉換應用程式的程式碼，使 Android 的 各種應用程式得在不同硬體系統下進行跨平台的運作。
在執行環境部分，Android Runtime 為一專門為嵌入式行動裝置所設計的執行 環境，其目的為在有限的電源、記憶體以及處理器能力限制下能夠有效率的執行 應用程式。Android Runtime 的主要特色在於所有的應用程式都是採用 Java 程式 語言所撰寫，並以專屬的 Dalvik 虛擬機器執行。透過 Java 語言及虛擬機器可以確 保所有中介軟體層以及應用層程式皆具有跨平台特性，不需因不同硬體規格重新 撰寫與編譯程式。
雖然 Android 平台的應用程式也是以 Java 語言所撰寫，但 Runtime 卻不是使 用 Java 虛擬機器，而是使用針對 Android 平台所專門設計的 Dalvik 虛擬機器，
Dalvik 利用其專屬的轉譯器將 Java bytecode 轉為 Dalvik bytecode 後再執行 Java 程式。Dalvik 與 Java Virtual Machine 最大的差異即在於記憶體需求更少以及執行 程序管理更有效率，因此更適合於有限資源的行動裝置環境中實施。而除了 Dalvik 之外，在 Runtime 部份 Android 還提供了一系列的核心函式庫（Core Libraries）
供應用程式開發人員使用。Core Libraries 之於 Java 程式語言就如同 Libc 之於 C/C++程式語言，將許多 Java 程式語言中最常使用的基本指令與功能進行明確定 義，讓應用程式開發人員如有需要時可以直接呼叫使用，而不須重新撰寫相關的 程式碼。
而在應用程式框架部分，在執行環境的上方的 Application Framework 提供一 系列開發 Android 應用程式所需的基本應用服務以及功能，且為開發應用程式時 所需的必要元件103，而所有的元件皆由 Java 程式語言所撰寫，若應用程式開發人 員需使用函式庫時可直接在此呼叫，故可因此減少重覆開發的時間。
Java 為例，所有以其撰寫的應用程式，經 Java 編譯器進行編譯過後轉換為 Bytecode，便可透過 Java 虛擬機器（Java Virtual Machine；JVM）加以執行。使用者若想在 Windows 或 Linux 等不同的作 業系統之下執行相同的 Java 應用程式，只要在各作業系統中分別安裝專屬的 Java 虛擬機器便可 以順利執行。資料來源：蔡華展、顏向瑜、朱南勳、李宗霖、翁嘉德，揭開揭開揭開揭開 Android 的神秘面紗的神秘面紗的神秘面紗，的神秘面紗 資策會研究報告，2009 年 5 月 27 日。
Java 為例，所有以其撰寫的應用程式，經 Java 編譯器進行編譯過後轉換為 Bytecode，便可透過 Java 虛擬機器（Java Virtual Machine；JVM）加以執行。使用者若想在 Windows 或 Linux 等不同的作 業系統之下執行相同的 Java 應用程式，只要在各作業系統中分別安裝專屬的 Java 虛擬機器便可 以順利執行。資料來源：蔡華展、顏向瑜、朱南勳、李宗霖、翁嘉德，揭開揭開揭開揭開 Android 的神秘面紗的神秘面紗的神秘面紗，的神秘面紗 資策會研究報告，2009 年 5 月 27 日。