В этой статье мы рассмотрим архитектуру Android-приложений.
Откровенно говоря, официальную статью Google по этой теме я считаю не очень полезной. Детально отвечая на вопрос «как», она совсем не объясняет «что» и «почему». Итак, вот моя версия, и, я надеюсь, она внесёт некоторую ясность. Да, кстати, я полностью одобряю чтение статей Google, поскольку они содержат полезную информацию, повторять которую я не собираюсь.
Как это часто бывает в IT, многие вещи не могут быть объяснены в отрыве от истории возникновения конкретного программного обеспечения. Вот почему мы должны обратиться к истокам ОС Android.
Разработка ОС Android была начата в 2003 молодой компанией Android Inc. В 2005 году эта компания была куплена Google. Я считаю, что главные особенности архитектуры Android были определены именно в этот период. Это заслуга не только Android Inc; архитектурные концепции и финансовые ресурсы Google оказали решающее влияние на архитектуру Android. Далее я приведу несколько примеров.
Если вы помните, 2003-2005 года были ознаменованы повышенным вниманием к AJAX приложениям. Я думаю, это оказало основополагающее влияние на архитектуру Android: во многих аспектах она ближе к архитектуре типичного AJAX приложения, нежели к десктопному GUI приложению, написанному на Java, C#, C++, VB и тп.
Не знаю, почему так произошло. Моя догадка — это придумал кто-то из Google в тот период, когда насыщенные интернет-приложения (Rich Internet Applications, RIA) в духе Google Docs или Gmail считались решением всех проблем. По-моему, эту идею нельзя назвать ни плохой, ни хорошей. Просто помните, что Android-приложения очень сильно отличаются от десктопных.
Влияние архитектурной философии Eclipse заметно в выборе принципа реализации GUI, который больше похоже на SWT, нежели на Swing.
В стандартах оформления кода Android присутствует «венгерская нотация», рождённая в стенах MS. Можно предположить, что тот, кто писал эти стандарты, ранее занимался разработкой под Windows.
Операционная система Android имеет три весьма различных и сильно отделённых друг от друга уровня:
Рассмотрим эти слои один за другим и более подробно.
Представьте себе, что вы — архитектор в молодой компании. Вы должны разработать ОС для нового типа устройств. Что вы будете делать?
Грубо говоря, у вас два пути: реализовывать собственные идеи, начав с нуля или же использовать существующую ОС и адаптировать её под свои устройства.
Реализация с нуля всегда звучит захватывающе для программистов. В эти моменты мы все верим в то, что в этот раз мы всё сделаем лучше, чем делают другие, и даже лучше, чем мы сами делали ранее.
Тем не менее, это не всегда практично. Например, использование ядра Linux заметно уменьшило стоимость разработки (возможно где-то и без того чрезмерно большую). Согласитесь, если кто-то решит создать нечто, напоминающее ядро Linux в его сегодняшнем состоянии, ему потребуется несколько миллионов долларов.
Если вы руководите Android Inc, то у вас по определению не может быть столько денег. Если вы руководите Google, то у вас такие деньги найдутся, но вы, скорее всего, подумаете дважды, прежде чем потратить их на создание собственной ОС. Так же вы потратите несколько лет, прежде чем достигните сегодняшнего состояния Linux; несколько лет задержки могут стать слишком большим опозданием при выходе на рынок.
В подобной ситуации компания Apple решила построить Mac OS на основе Free BSD. Android Inc приняла решение использовать Linux как основу для Android. Исходники как Free BSD, так и Linux, находятся в свободном доступе и предоставляют собой хорошую основу для любых разработок, будь то Apple или Google.
Но в то время запустить стандартный Linux на мобильном устройстве было невозможно (сейчас это уже не так). Устройства имели слишком мало оперативной и энергонезависимой памяти. Процессоры были значительно медленнее по сравнению с процессорами компьютеров, где обычно используется Linux. Как результат, разработчики Android решили минимизировать системные требования Linux.
Если рассматривать Linux на высоком уровне, то это комбинация ядра (без которого нельзя обойтись) и множества других, необязательных частей. Можно даже запустить одно ядро, без чего бы то ни было ещё. Так, Google вынуждена в любом случае использовать ядро Linux как часть ОС Android. Кроме того, были рассмотрены необязательные части и из них выбрано самое необходимое. Например, были добавлены сетевой фаервол IPTables и оболочка Ash. Любопытно, что добавили именно Ash, а не Bash, не смотря на то, что последний на порядок мощнее; вероятно, это решение было основано на том, что Ash менее требователен к ресурсам.
Разработчики Android модифицировали ядро Linux, добавив поддержку железа, используемого в мобильных устройствах и, чаще всего, недоступного на компьютерах.
Выбор Linux в качестве основы оказал огромное влияние на все аспекты ОС Android. Сборка Android, по сути, есть вариация процесса сборки Linux. Код Android находится под управлением git (инструмент, разработанный для управления кодом Linux). И так далее.
Пускай это всё и интересно, но вы, скорее всего, никогда не коснётесь всех этих специфических моментов до тех пор, пока ваша цель просто разработать приложения под Android. Исключение может составить разве что обзор файловой системы с помощью команд ash. Главное, что вы должны знать, разрабатывая приложения под Android — это уровень инфраструктуры приложения.
Вы можете спросить, как же быть, если необходимо разработать нативное приложение для Android? Google настоятельно не рекомендует делать этого. Технически, конечно, это возможно, но в дальнейшем у вас не будет возможности распространять это приложение нормальным способом. Так что подумайте дважды, прежде чем начать нативную разработку под Android, если конечно, вы не работает над Android Open Source Project (AOSP), т.е. собственно ОС Android.
Несмотря на некоторое сходство Apple iOS и Android ОС, существуют значительные отличия между архитектурными решениями на инфраструктурном уровне обоих ОС.
Apple решила использовать Objective-C как язык программирования и среду выполнения приложения iOS. Objective-C выглядит более или менее естественным выбором для ОС, в основе которой лежит Free BSD. Можно рассматривать Objective-C как обычный C++ с кастомным препроцессором, который добавляет некоторые специфические лингвистические конструкции. Почему же нельзя использовать стандартный C++, на котором написана Free BSD? Мне кажется причина в том, что Apple старается всё делать в своём, «эппловском» стиле.
Основная идея в том, что приложения iOS написаны более или менее на том же языке, что и стоящая за ними ОС.
Android-приложения сильно отличаются в этом смысле. Они написаны на Java, а это совсем другая технология, нежели C++ (хотя синтаксис и унаследован от C++).
Почему это так? Почему, например, Android-приложения не написаны на C++? Со стороны Google я не нашёл никаких объяснений, поэтому могу поделиться лишь собственными соображениями.
Я думаю, основная причина состоит в необходимости одному и тому же приложению работать на различном аппаратном обеспечении. Эта проблема имеет место лишь для ОС Android; у ребят из Apple такой проблемы нет. iOS работает только на оборудовании собственного производства, и Apple полностью контролирует весь процесс. Для Android же всё наоборот: Google не контролирует производителей аппаратных средств. Например, ОС Android работает на процессорах с архитектурой x86, ARM и Atom (в комментах подсказывают, что x86 включает в себя Atom, и Android работает на x86, ARM, PPC и MIPS — примечание переводчика). На бинарном уровне эти архитектуры несовместимы.
Если бы архитекторы ОС Android выбрали тот же путь, что и архитекторы из Apple, разработчики приложений под Android были бы вынуждены распространять несколько версий одного и того же приложения одновременно. Это стало бы серьёзной проблемой, которая могла бы привести к краху всего проекта Android.
Для того, чтобы одно и то же приложение могло работать на разном аппаратном обеспечении, компания Google использовала контейнер-ориентированную архитектуру (container-based architecture). В такой архитектуре двоичный код выполняется программным контейнером и изолируется от деталей конкретного аппаратного обеспечения. Примеры всем знакомы — Java и C#. В обоих языках двоичный код не зависит от специфики аппаратного обеспечения и выполняется виртуальной машиной.
Конечно, есть и другой способ достигнуть независимости от аппаратного обеспечения на уровне двоичного кода. Как один из вариантов, можно использовать эмулятор аппаратного обеспечения, так же известный как QEMU. Он позволяет эмулировать, например, устройство с процессором ARM на платформе x86 и так далее. Google могла бы использовать C++ как язык для разработки приложений внутри эмуляторов. Действительно, Google использует такой подход в своих эмуляторах Android, которые построены на основе QEMU.
Очень хорошо, что они не пошли по такому пути, поскольку тогда кому-то пришлось бы запускать ОС на эмуляторе, требующем намного больше ресурсов, и, как итог, скорость работы снизилась бы. Для достижения наилучшего быстродействия эмуляция была оставлена только там, где этого нельзя было избежать, в нашем случае — в Android-приложениях.
Как бы то ни было, компания Google пришла к решению использовать Java как основной язык разработки приложений и среды их выполнения.
Я думаю, это было критически важное архитектурное решение, которое поставило Android в стороне от остальных мобильных ОС на основе Linux, представленных в настоящее время. Насколько мне известно, ни у одной из них нет совместимости двоичного кода на уровне приложений. Возьмём для примера MeeGo. Она использует C++ и фреймворк Qt; не смотря на то, что Qt кроссплатформенный, необходимость делать разные сборки для разных платформ не исчезает.
Выбрав Java, нужно было решить, какую виртуальную машину (JVM) использовать. Ввиду ограниченности ресурсов использование стандартной JVM было затруднено. Единственным возможным выбором было использование Java ME JVM, разработанной для мобильных устройств. Однако счастье Google было бы неполным без разработки собственной виртуальной машины, и появилась Dalvik VM.
Dalvik VM отличается от других виртуальных Java-машин следующим:
Ребята из Google также пересмотрели стандартные пакеты Java JDK API. Они удалили некоторые из них (например всё, что касалось Swing) и добавили некоторое количество собственных — их имя начинается с «android».
Также они добавили несколько пакетов с открытым кодом, не являющихся частью стандартного JDK: Bouncy Castle crypto API, HTTPClient с поддержкой разделения HTTP/HTTPS на стороне клиента.
Также Google добавила веб-браузер в уровень инфраструктуры приложения. Это не полноценный Google Chrome для мобильных устройств, но очень близок к нему, поскольку основан на том же движке WebKit и использует движок JavaScript V8 из Chrome. В конце концов, это крайне современный и высокотехнологичный браузер. Он может быть интегрирован в любые Android-приложения.
На сегодня это всё. В следующей статье мы сосредоточим внимание на архитектуре Android-приложений.
Апдейт от переводчика. В оригинале использовалась не совсем верная терминология. Спасибо всем тем, кто указал на эти ошибки.
Следующие статьи:
Откровенно говоря, официальную статью Google по этой теме я считаю не очень полезной. Детально отвечая на вопрос «как», она совсем не объясняет «что» и «почему». Итак, вот моя версия, и, я надеюсь, она внесёт некоторую ясность. Да, кстати, я полностью одобряю чтение статей Google, поскольку они содержат полезную информацию, повторять которую я не собираюсь.
Архитектура ОС Android — немного истории
Как это часто бывает в IT, многие вещи не могут быть объяснены в отрыве от истории возникновения конкретного программного обеспечения. Вот почему мы должны обратиться к истокам ОС Android.
Разработка ОС Android была начата в 2003 молодой компанией Android Inc. В 2005 году эта компания была куплена Google. Я считаю, что главные особенности архитектуры Android были определены именно в этот период. Это заслуга не только Android Inc; архитектурные концепции и финансовые ресурсы Google оказали решающее влияние на архитектуру Android. Далее я приведу несколько примеров.
Если вы помните, 2003-2005 года были ознаменованы повышенным вниманием к AJAX приложениям. Я думаю, это оказало основополагающее влияние на архитектуру Android: во многих аспектах она ближе к архитектуре типичного AJAX приложения, нежели к десктопному GUI приложению, написанному на Java, C#, C++, VB и тп.
Не знаю, почему так произошло. Моя догадка — это придумал кто-то из Google в тот период, когда насыщенные интернет-приложения (Rich Internet Applications, RIA) в духе Google Docs или Gmail считались решением всех проблем. По-моему, эту идею нельзя назвать ни плохой, ни хорошей. Просто помните, что Android-приложения очень сильно отличаются от десктопных.
Влияние архитектурной философии Eclipse заметно в выборе принципа реализации GUI, который больше похоже на SWT, нежели на Swing.
В стандартах оформления кода Android присутствует «венгерская нотация», рождённая в стенах MS. Можно предположить, что тот, кто писал эти стандарты, ранее занимался разработкой под Windows.
Архитектурные уровни Android
Операционная система Android имеет три весьма различных и сильно отделённых друг от друга уровня:
- В основе лежит модифицированная и урезанная версия Linux, как я и упоминал в одной из моих предыдущих статей.
- Над уровнем Linux находится уровень инфраструктуры приложения, содержащий виртуальную машину Dalvik, веб-браузер, базу данных SQLite, некие инфраструктурные «костыли» и Java API.
- И, наконец, уровень написанных в Google Android-приложений. Вообще говоря, они являются расширением уровня инфраструктуры, поскольку разработчик может использовать эти приложения или их части как строительные блоки для собственных разработок.
Рассмотрим эти слои один за другим и более подробно.
Уровень Linux
Представьте себе, что вы — архитектор в молодой компании. Вы должны разработать ОС для нового типа устройств. Что вы будете делать?
Грубо говоря, у вас два пути: реализовывать собственные идеи, начав с нуля или же использовать существующую ОС и адаптировать её под свои устройства.
Реализация с нуля всегда звучит захватывающе для программистов. В эти моменты мы все верим в то, что в этот раз мы всё сделаем лучше, чем делают другие, и даже лучше, чем мы сами делали ранее.
Тем не менее, это не всегда практично. Например, использование ядра Linux заметно уменьшило стоимость разработки (возможно где-то и без того чрезмерно большую). Согласитесь, если кто-то решит создать нечто, напоминающее ядро Linux в его сегодняшнем состоянии, ему потребуется несколько миллионов долларов.
Если вы руководите Android Inc, то у вас по определению не может быть столько денег. Если вы руководите Google, то у вас такие деньги найдутся, но вы, скорее всего, подумаете дважды, прежде чем потратить их на создание собственной ОС. Так же вы потратите несколько лет, прежде чем достигните сегодняшнего состояния Linux; несколько лет задержки могут стать слишком большим опозданием при выходе на рынок.
В подобной ситуации компания Apple решила построить Mac OS на основе Free BSD. Android Inc приняла решение использовать Linux как основу для Android. Исходники как Free BSD, так и Linux, находятся в свободном доступе и предоставляют собой хорошую основу для любых разработок, будь то Apple или Google.
Но в то время запустить стандартный Linux на мобильном устройстве было невозможно (сейчас это уже не так). Устройства имели слишком мало оперативной и энергонезависимой памяти. Процессоры были значительно медленнее по сравнению с процессорами компьютеров, где обычно используется Linux. Как результат, разработчики Android решили минимизировать системные требования Linux.
Если рассматривать Linux на высоком уровне, то это комбинация ядра (без которого нельзя обойтись) и множества других, необязательных частей. Можно даже запустить одно ядро, без чего бы то ни было ещё. Так, Google вынуждена в любом случае использовать ядро Linux как часть ОС Android. Кроме того, были рассмотрены необязательные части и из них выбрано самое необходимое. Например, были добавлены сетевой фаервол IPTables и оболочка Ash. Любопытно, что добавили именно Ash, а не Bash, не смотря на то, что последний на порядок мощнее; вероятно, это решение было основано на том, что Ash менее требователен к ресурсам.
Разработчики Android модифицировали ядро Linux, добавив поддержку железа, используемого в мобильных устройствах и, чаще всего, недоступного на компьютерах.
Выбор Linux в качестве основы оказал огромное влияние на все аспекты ОС Android. Сборка Android, по сути, есть вариация процесса сборки Linux. Код Android находится под управлением git (инструмент, разработанный для управления кодом Linux). И так далее.
Пускай это всё и интересно, но вы, скорее всего, никогда не коснётесь всех этих специфических моментов до тех пор, пока ваша цель просто разработать приложения под Android. Исключение может составить разве что обзор файловой системы с помощью команд ash. Главное, что вы должны знать, разрабатывая приложения под Android — это уровень инфраструктуры приложения.
Вы можете спросить, как же быть, если необходимо разработать нативное приложение для Android? Google настоятельно не рекомендует делать этого. Технически, конечно, это возможно, но в дальнейшем у вас не будет возможности распространять это приложение нормальным способом. Так что подумайте дважды, прежде чем начать нативную разработку под Android, если конечно, вы не работает над Android Open Source Project (AOSP), т.е. собственно ОС Android.
Уровень инфраструктуры приложения
Несмотря на некоторое сходство Apple iOS и Android ОС, существуют значительные отличия между архитектурными решениями на инфраструктурном уровне обоих ОС.
Apple решила использовать Objective-C как язык программирования и среду выполнения приложения iOS. Objective-C выглядит более или менее естественным выбором для ОС, в основе которой лежит Free BSD. Можно рассматривать Objective-C как обычный C++ с кастомным препроцессором, который добавляет некоторые специфические лингвистические конструкции. Почему же нельзя использовать стандартный C++, на котором написана Free BSD? Мне кажется причина в том, что Apple старается всё делать в своём, «эппловском» стиле.
Основная идея в том, что приложения iOS написаны более или менее на том же языке, что и стоящая за ними ОС.
Android-приложения сильно отличаются в этом смысле. Они написаны на Java, а это совсем другая технология, нежели C++ (хотя синтаксис и унаследован от C++).
Почему это так? Почему, например, Android-приложения не написаны на C++? Со стороны Google я не нашёл никаких объяснений, поэтому могу поделиться лишь собственными соображениями.
Я думаю, основная причина состоит в необходимости одному и тому же приложению работать на различном аппаратном обеспечении. Эта проблема имеет место лишь для ОС Android; у ребят из Apple такой проблемы нет. iOS работает только на оборудовании собственного производства, и Apple полностью контролирует весь процесс. Для Android же всё наоборот: Google не контролирует производителей аппаратных средств. Например, ОС Android работает на процессорах с архитектурой x86, ARM и Atom (в комментах подсказывают, что x86 включает в себя Atom, и Android работает на x86, ARM, PPC и MIPS — примечание переводчика). На бинарном уровне эти архитектуры несовместимы.
Если бы архитекторы ОС Android выбрали тот же путь, что и архитекторы из Apple, разработчики приложений под Android были бы вынуждены распространять несколько версий одного и того же приложения одновременно. Это стало бы серьёзной проблемой, которая могла бы привести к краху всего проекта Android.
Для того, чтобы одно и то же приложение могло работать на разном аппаратном обеспечении, компания Google использовала контейнер-ориентированную архитектуру (container-based architecture). В такой архитектуре двоичный код выполняется программным контейнером и изолируется от деталей конкретного аппаратного обеспечения. Примеры всем знакомы — Java и C#. В обоих языках двоичный код не зависит от специфики аппаратного обеспечения и выполняется виртуальной машиной.
Конечно, есть и другой способ достигнуть независимости от аппаратного обеспечения на уровне двоичного кода. Как один из вариантов, можно использовать эмулятор аппаратного обеспечения, так же известный как QEMU. Он позволяет эмулировать, например, устройство с процессором ARM на платформе x86 и так далее. Google могла бы использовать C++ как язык для разработки приложений внутри эмуляторов. Действительно, Google использует такой подход в своих эмуляторах Android, которые построены на основе QEMU.
Очень хорошо, что они не пошли по такому пути, поскольку тогда кому-то пришлось бы запускать ОС на эмуляторе, требующем намного больше ресурсов, и, как итог, скорость работы снизилась бы. Для достижения наилучшего быстродействия эмуляция была оставлена только там, где этого нельзя было избежать, в нашем случае — в Android-приложениях.
Как бы то ни было, компания Google пришла к решению использовать Java как основной язык разработки приложений и среды их выполнения.
Я думаю, это было критически важное архитектурное решение, которое поставило Android в стороне от остальных мобильных ОС на основе Linux, представленных в настоящее время. Насколько мне известно, ни у одной из них нет совместимости двоичного кода на уровне приложений. Возьмём для примера MeeGo. Она использует C++ и фреймворк Qt; не смотря на то, что Qt кроссплатформенный, необходимость делать разные сборки для разных платформ не исчезает.
Выбрав Java, нужно было решить, какую виртуальную машину (JVM) использовать. Ввиду ограниченности ресурсов использование стандартной JVM было затруднено. Единственным возможным выбором было использование Java ME JVM, разработанной для мобильных устройств. Однако счастье Google было бы неполным без разработки собственной виртуальной машины, и появилась Dalvik VM.
Dalvik VM отличается от других виртуальных Java-машин следующим:
- Она использует специальный формат DEX для хранения двоичных кодов, в противовес форматам JAR и Pack200, которые являются стандартом для других виртуальных Java-машинах. Компания Google заявила, что бинарники DEX меньше, чем JAR. Я думаю, с тем же успехом они могли бы использовать Pack200, но они решили пойти своим путём.
- Dalvik VM оптимизирована для выполнения нескольких процессов одновременно.
- Dalvik VM использует архитектуру, основанную на регистрах против стековой архитектуры в других JVM, что приводит к увеличению скорости выполнения и уменьшению размеров бинарников.
- Она использует собственный набор инструкций (а не стандартный байткод JVM)
- Возможен запуск (если необходимо) нескольких независимых Android-приложений в одном процессе
- Выполнение приложения может охватывать несколько процессов Dalvik VM «естественным образом» (позже мы обсудим, что это значит). Для поддержи этого добавлено:
- Специальный механизм сериализации объектов, основанный на классах Parcel и Parcelable. Функционально преследуются те же цели, что и Java Serializable, но в результате данные имеют меньший объём и потенциально более терпимы к версионным изменениям классов.
- Особый способ для выполнения вызовов между процессами (inter process calls, IPC), основный на Android Interface Definition Language (AIDL).
- До Android 2.2 Dalvik VM не поддерживала JIT-компиляцию, что было серьёзным ударом по производительности. Начиная с версии 2.2, скорость выполнения часто используемых приложений заметно возросла.
Ребята из Google также пересмотрели стандартные пакеты Java JDK API. Они удалили некоторые из них (например всё, что касалось Swing) и добавили некоторое количество собственных — их имя начинается с «android».
Также они добавили несколько пакетов с открытым кодом, не являющихся частью стандартного JDK: Bouncy Castle crypto API, HTTPClient с поддержкой разделения HTTP/HTTPS на стороне клиента.
Также Google добавила веб-браузер в уровень инфраструктуры приложения. Это не полноценный Google Chrome для мобильных устройств, но очень близок к нему, поскольку основан на том же движке WebKit и использует движок JavaScript V8 из Chrome. В конце концов, это крайне современный и высокотехнологичный браузер. Он может быть интегрирован в любые Android-приложения.
На сегодня это всё. В следующей статье мы сосредоточим внимание на архитектуре Android-приложений.
Апдейт от переводчика. В оригинале использовалась не совсем верная терминология. Спасибо всем тем, кто указал на эти ошибки.
Следующие статьи:
