Что операционная система android выделяет каждому приложению
Презентацию к данной лекции можно скачать здесь.
3.1 Введение
В "Введение в разработку мобильных приложений" были рассмотрены общие вопросы, связанные с операционной системой Android , а также инструменты, используемые для разработки мобильных приложений. Изучены основы разработки интерфейсов мобильных приложений. В данной теме обсуждаются вопросы, связанные, непосредственно, с разработкой мобильных приложений для устройств, работающих под управлением Android .
Для начала предполагается рассмотреть еще несколько общих вопросов: во-первых, какие виды мобильных приложений существуют и каковы особенности каждого вида; во-вторых, как организовано исполнение приложений в ОС Android и каким образом обеспечивается безопасная среда их функционирования. Понимание этих вопросов позволяет вести более осознанную разработку приложений.
Невозможно создать осмысленное приложение , не изучив внутреннюю организацию, свойственную приложениям, работающим на определенной платформе. В данном курсе, очевидно, необходимо изучить структуру и основные компоненты приложений, разрабатываемых для работы на смартфонах под управлением ОС Android . От типа мобильного устройства внутренняя организация приложений не зависит, т. е. Android -приложения, разработанные для смартфонов вполне смогут выполняться и на планшетах. В данной лекции рассматривается архитектура Android приложений, основанная на идее многократного использования компонентов, которые являются основными строительными блоками. Подробно описываются основные компоненты, а также такие важные понятия для мобильных приложений, работающих под управлением Android , как манифест приложения и ресурсы.
3.2 Основные виды Android-приложений
Приступая к разработке мобильных приложений хорошо бы иметь представление о том, какие виды приложений существуют. Дело в том, что если удастся определить к какому типу относится приложение , то становится понятнее на какие моменты в процессе его разработки необходимо обращать основное внимание. Можно выделить следующие виды приложений:
3.3 Безопасность
Обратим внимание на организацию исполнения приложений в ОС Android . Как уже было отмечено приложения под Android разрабатываются на языке программирования Java , компилируется в файл с расширением .apk, после этот файл используется для установки приложения на устройства, работающие под управлением Android . После установки каждое Android приложение "живет" в своей собственной безопасной "песочнице", рассмотрим, как это выглядит:
- операционная система Android является многопользовательской ОС, в которой каждое приложение рассматривается как отдельный пользователь;
- по умолчанию, система назначает каждому приложению уникальный пользовательский ID, который используется только системой и неизвестен приложению;
- система устанавливает права доступа ко всем файлам приложения следующим образом: доступ к элементам приложения имеет только пользователь с соответствующим ID;
- каждому приложению соответствует отдельный Linux процесс, который запускается, как только это необходимо хотя бы одному компоненту приложения, процесс прекращает работу, когда ни один компонент приложения не использует его или же системе требуется освободить память для других (возможно, более важных) приложений;
- каждому процессу соответствует отдельный экземпляр виртуальной машины Dalvik, в связи с этим код приложения исполняется изолировано от других приложений.
Перечисленные идеи функционирования приложения в ОС Android реализуют принцип минимальных привилегий, т. е. каждому приложению, по умолчанию, разрешен доступ только к компонентам, необходимым для его работы и никаким больше. Таким образом обеспечивается очень безопасная среда функционирования приложений.
Итак, мы уже говорили о происхождении архитектуры ОС Android и о шаблонах, реализованных в этой архитектуре. Теперь настала пора поговорить о том, из чего состоит Android-приложение.
В этой статье будут представлены основные «персонажи» архитектуры Android-приложения.
В общем случае, Android-приложение состоит из:
- Java-классов, являющихся подклассами основных классов из Android SDK (View, Activity, ContentProvider, Service, BroadcastReciever, Intent) и Java-классов, у которых нет родителей в Android SDK.
- Ресурсов наподобие строк, изображений и т.п.
- Файлов
Java классы
На следующей диаграмме представлена иерархия основных классов из Android SDK, с которыми предстоит иметь дело разработчику:
На самом деле классов намного больше, но это основные. Выделенные жёлтым — те, с которыми разработчик работает непосредственно (в частности, наследуются от них). Остальные так же важны, но они реже используются напрямую.
View — базовый класс для всех виджетов пользовательского интерфейса (GUI widgets). Интерфейс Android-приложения представляет собой дерево экземпляров наследников этого класса. Можно создать это дерево программно, но это неправильно. Пользовательский интерфейс определяется с помощью XML (файлы слоёв, layout files), а во время исполнения автоматически превращается (inflate, термин Android) в дерево соответствующих объектов.
Класс Activity и его подклассы содержат логику, лежащую за пользовательским интерфейсом. При ближайшем рассмотрении этот класс соответствует ViewModel в архитектурном шаблоне Model-View-ViewModel (MVVM). Отношение между подклассом Activity и пользовательским интерфейсом — это отношение один к одному; обычно каждый подкласс Activity имеет только один связанный с ним слой пользовательского интерфейса, и наоборот. Activity имеет жизненный цикл.
В течении жизненного цикла Activity может находиться в одном из трёх состояний:
- Активно и выполняется — этот пользовательский интерфейс находится на переднем плане (говоря технически — на вершине стека активити)
- Приостановлено — если данный интерфейс пользователя потерял фокус, но всё ещё видим. В таком состоянии никакой код не выполняется.
- Завершено — если интерфейс пользователя невидим. В таком состоянии код не выполняется.
Класс ContentProvider и его подклассы представляют model в архитектуре MVVM. В большинстве практических случаев это обёртка над базой данных SQLite с немного причудливым способом доступа на основе URI. Теоретически, никто не мешает разработчику создать ContentProvider на основе чего-то ещё, кроме базы данных. Тем не менее, существующий метод query() контент-провайдера возвращает объект Cursor, который крайне похож на JDBC ResultSet интерфейсом и тем, как он работает. Поэтому вряд ли кто-то усомнится, что настоящее назначение контент-провайдеров — инкапсулировать базу данных.
Я не знаю, как комманда Android пришла к такому дизайну, но, по-моему, здесь соединены две хороших, но не слишком совместимых идеи.
И вот почему я так считаю. Основная идея контент-провайдеров, похоже, базируется на архитектуре AJAX приложений. AJAX приложения обычно используют архитектуру MVVM, где модель представлена как URI на стороне сервера (тем не менее, это изменилось с поялвинем HTML5, который позволяет хранить данные локально). В самом деле, тот факт, что контент-провайдеры запрашиваются с помощью URI и создают расширение с помощью типов MIME указывает на то, что в основе лежит AJAX. Напомню, ребята из Google создали большое количество AJAX приложений, таких как Gmail, Google Docs и т.п., поэтому вполне естественно, что идеи заимствовались из архитектуры AJAX.
Возможно, кто-то ещё пришёл с ещё одной отличной идеей: как было бы здорово иметь полноценную реляционную базу на мобильном устройстве! (замечу, это было примерно в 2005 году, когда мобильные телефоны были намного слабее, чем сейчас). И, как результат, они соединили две хороших идеи в один класс ContentProvider. Как это обычно и случается в разработке ПО, соединение двух хороших идей не всегда даёт в результате хорошую идею; в случае Android мы имеем несколько обескураживающий дизайн контент-провайдеров.
Класс Service и его подклассы я затрудняюсь как-то классифицировать. Я думаю, ребята из Google испытывают те же трудности (прочтите, пожалуйста, их документацию). Их классификация, в основном, говорит, чем этот класс не является. Я лично думаю, что сервис — это разновидность Model, обслуживающая несколько иные варианты использования, нежели ContentProvider.
По-моему, архитектурный дизайн Android Service навеян сервисами OSGI.
Думаю, сервисы были созданы ребятами из Google как решение логической проблемы, возникшей из-за модели потоков Android.
Подумайте над этим: Activity активно и выполняется только когда его пользовательский интерфейс находится на переднем плане. Как только интерфейс другого Activity закрывает собой текущее, последнее останавливается, даже если оно что-то делало. А что, если вам нужно выполнять некую операцию, даже если процесс, которые её выполняет, не на переднем плане? С помощью Activity вы не сможете этого сделать. Вы не сможете это сделать и с помощью ContentProvider, поскольку у них нет собственного жизненного цикла, и они могут выполняться только пока Activity, использующее его, активно.
И тут на помощь приходят сервисы. Они могут выполняться даже когда процесс, в котором они работают, не на переднем плане. Так, если вы разрабатываете активити, выполняющее растянутую во времени операцию, которая должна завершиться даже работая в фоне, вы должны создать Service, реализующий эту операцию, и запустить его из Activity.
Service так же имеет жизненный цикл. Это означает, что он может быть инстанцирован и запущен Android-приложением по некому условию (мы обсудим это позже).
Как я уже упоминал, Service, как model, приследует более общие цели, нежели ContentProvier. Он может использовать базу данных, но его API не связано с БД, как в случае ContentProvider. В большинстве случаев сервисы используются для связи с внешними серверами.
Класс BroadcastReceiver и его подклассы представляют собой «подписчика» в механизме взаимодейтсвия издатель/подписчик, реализованном в архитектуре Android.
Мы уже говорили о механизмах взаимодействия в предыдущей статье.
Конечно, разработчик под Android не ограничен одним только расширением классов из Android SDK. Он может писать собственные классы так, как захочет. Но все они будут только хелперами («helper classes») для классов из Andoird SDK.
Манифест Android
Манифест Android — ещё одна важная часть Android-приложения. Идея была навеяна манифестами плагинов для Eclipse.
Манифест Android представляет собой XML файл и выполняет несколько функций. Вот как их описывает Google:
Обратите внимание на второй пункт. Имеется ввиду, что если некий класс расширяет Activity, ContentProvider, BroadcastReceiver или Service в вашем приложении, этот класс не может быть использован до тех пор, пока он не описан в манифесте.
Ресурсы
Каждое современное GUI приложение в той или иной форме использует ресурсы. Android-приложения — не исключение. Они используют следующие типы ресурсов:
- Изображения
- Слои GUI (XML файлы)
- Объявления меню (XML файлы)
- Текстовые строки
Давайте рассмотрим следующий пример. Файл с именем mybutton.jpg содержит картинку для кнопки. Разработчик совершает ошибку и набирает mybuton.jpg, ссылаясь на ресурс из кода. Как итог, код пытается использовать несуществующий ресурс, но компиляция пройдёт успешно. Ошибка может быть обнаружена только в ходе тестирования (а может и не быть обнаружена вовсе).
Ребята из Google нашли элегантное решение этой проблемы. При сборке Android-приложения генерируется специальный Java-класс с именем R (всего лишь одна буква). Этот класс содержит несколько static final наборов данных. Каждый такой набор данных — ссылка на отдельный ресурс. Эти ссылки используются в коде приложения для связи с ресурсами. Теперь каждая ошибка в ссылке на ресурсы проявляет себя в процессе компиляции.
Файлы
Android-приложение использует несколько разных типов файлов:
- Файлы «общего назначения»
- Файлы БД
- Файлы Opaque Binary Blob (OBB) (они представляют собой зашифрованную файловую систему, которая может быть монтирована для приложения)
- Закешированные файлы
API для работы с файлами реализован классом Context, от которого порождены классы Activity и Service. Этот класс уже обсуждался нами здесь.
На сегодня это всё. В следующей статье мы поговорим о том, как различные части Android-приложения взаимодействуют между собой.
Система Android выстроена таким образом, что любое приложение может запускать необходимый компонент другого приложения. Например, если приложение предполагает использование камеры для создания фотографий, совершенно необязательно создавать в этом приложении активность для работы с камерой. Наверняка на устройстве уже есть приложение для получения фотографий с камеры, достаточно запустить соответствующую активность, сделать фотографию и вернуть ее в приложение, так что пользователь будет считать, что камера часть приложения, с которым он работает.
Можно выделить четыре различных типа компонентов, каждый тип служит для достижения определенной цели и имеет свой особый жизненный цикл, который определяет способы создания и разрушения соответствующего компонента.
Основные компоненты Android-приложений
Сервисы (Services). Сервис - компонент, который работает в фоновом режиме, выполняет длительные по времени операции или работу для удаленных процессов. Сервис не предоставляет пользовательского интерфейса. Например, сервис может проигрывать музыку в фоновом режиме, пока пользователь использует другое приложение, может загружать данные из сети, не блокируя взаимодействие пользователя с активностью. Сервис может быть запущен другим компонентом и после этого работать самостоятельно, а может остаться связанным с этим компонентом и взаимодействовать с ним.
Контент-провайдеры (Content providers). Контент-провайдер управляет распределенным множеством данных приложения. Данные могут храниться в файловой системе, в базе данных SQLite, в сети, в любом другом доступном для приложения месте. Контент-провайдер позволяет другим приложениям при наличии у них соответствующих прав делать запросы или даже менять данные. Например, в системе Android есть контент-провайдер, который управляет информацией о контактах пользователя. В связи с этим, любое приложение с соответствующими правами может сделать запрос на чтение и запись информации какого-либо контакта. Контент-провайдер может быть также полезен для чтения и записи приватных данных приложения, не предназначенных для доступа извне.
Все рассмотренные компоненты являются наследниками классов, определенных в Android SDK.
 |
| Иерархия основных классов Android SDK, с которыми обычно имеет дело разработчик. На самом деле классов намного больше, желтым цветом выделены классы, с которыми разработчик работает непосредственно, наследует от них свои классы. Остальные классы не менее важны, но они реже используются напрямую. |
Класс View является основным строительным блоком для компонентов пользовательского интерфейса (UI), он определяет прямоугольную область экрана и отвечает за прорисовку и обработку событий. Является базовым классом для виджетов (GUI widgets), которые используются для создания интерактивных компонентов пользовательского интерфейса: кнопок, текстовых полей и т. д. А также является базовым классом для класса ViewGroup, который является невидимым контейнером для других контейнеров и виджетов, определяет свойства расположения компонентов пользовательского интерфейса. Интерфейс Android-приложения представляет собой иерархию UI компонентов, можно описать эту иерархию программно, но более простым и эффективным способом задать расположение элементов интерфейса является XML файл, который предоставляет удобную для восприятия структуру компоновки (layout file). Во время исполнения XML файл автоматически превращается в дерево соответствующих объектов. Подробнее о классе View, свойствах и методах.
Intent
Для каждого типа компонентов существуют свои механизмы передачи намерений.
Android — это операционная система с открытым исходным кодом, созданная для мобильных устройств на основе модифицированного ядра Linux. Эта ОС разработана консорциумом Open Handset Alliance, состоящим из крупных технологических компаний при организующей роли Google. Исходный код ОС представлен как часть проекта Android Open Source Project (AOSP) с лицензией Apache. Выпущенный на рынок в 2007 году Android вскоре стал самой продаваемой операционной системой в истории, благодаря своей открытой модели разработки и удобному интерфейсу. Последняя версия Android 11 вышла в 2020 году.
История развития
Проект Android появи л ся в 2003 году с целью разработки интеллектуальных мобильных устройств. Начинался он с разработки ОС для цифровых фотокамер, но вскоре акцент сместился на мобильные телефоны из-за их большой распространенности на рынке. В 2005 году проект приобрел Google и в качестве основы для этой ОС было выбрано ядро Linux за счет его гибкости и возможности обновления.
С целью разработки платформы с открытым исходным кодом для мобильных устройств в 2007 году Google сформировала Open Handset Alliance с несколькими производителями оборудования и операторами беспроводной связи. В то время каждый производитель выпускал мобильные телефоны на базе собственной платформы, с ограниченными возможностями для сторонних приложений. Альянс заявил, что открытая платформа обеспечит тесное сотрудничество между производителями и разработчиками, чтобы ускорить производство недорогих инновационных продуктов и приложений.
Платформа Android была представлена в 2007 году и вышла на рынок на следующий год. Поначалу ей мешал ограниченный набор функций и небольшая база пользователей по сравнению с конкурентами Symbian и Windows. Однако возможность обновления стала самым большим преимуществом этой ОС, поскольку каждое обновление давало новые функции и улучшенную производительность. Из-за «сладости, которую они приносят в нашу жизнь», первые версии были названы в честь десертов, в алфавитном порядке, например Cupcake, Jellybean и KitKat. Однако вскоре у Google закончились десерты, и с 2019 года новые версии ОС получают номера, начинающиеся с Android 10. Лицензия с открытым исходным кодом также помогла увеличить популярность этой ОС среди производителей мобильных устройств, поскольку они могут теперь модифицировать ОС под свои требования, не влияя при этом на разработку приложений.
Но самая главная особенность в том, что Android — это больше, чем просто операционная система. Он во многом уравнял мобильные устройства с персональными компьютерами, позволив разработчикам писать приложения независимо от аппаратной платформы устройства. Это привело к созданию глобальной платформы для приложений и укрепило позиции Android, как передовой мобильной платформы, и в 2011 году он стал самой продаваемой операционной системой для смартфонов и для планшетов в 2013 году. Сегодня на Android работает множество электронных устройств, включая смарт-камеры, часы, медиаплееры и многое другое.
Архитектура
Первоначально Android разрабатывался для архитектуры ARM, а затем был расширен для поддержки архитектур x86 и x86–64. Однако в целом Android не заботится об аппаратном обеспечении устройства из-за разнообразия и множества типов среди компонентов в мобильных устройствах.
Основой ОС Android является модифицированная версия ядра Linux LTS, которая непосредственно взаимодействует с оборудованием. Драйверы, необходимые для работы устройства, реализуются производителями оборудования и добавляются в ядро. Это позволяет производителям оборудования разрабатывать драйверы для хорошо известного ядра, а разработчикам ОС игнорировать разнообразие оборудования. Android 11 поддерживает версии ядра 4.14, 4.19 и 5.4.
Особенности оборудования дополнительно маскируются также реализуемыми производителями уровнями аппаратной абстракции, которые предоставляют стандартные интерфейсы для высокоуровневых структур, чтобы обеспечить доступ к аппаратному обеспечению устройства, не заботясь при этом о реализации драйверов.
Android Runtime (ART) — это виртуальная машина, которая выполняет код приложения, содержащийся в файлах Dalvik Executable (DEX). Она управляет компиляцией кода, отладкой и очисткой памяти. Каждое приложение работает со своим собственным экземпляром ART, то есть в своей собственной виртуальной машине, чтобы обеспечить изоляцию кода. ART заменил Dalvik в качестве виртуальной машины Java для Android в 2013 году, поскольку его компиляция Ahead-of-Time обеспечила лучшую производительность по сравнению с компиляцией Just-in-Time у последней.
Собственные библиотеки C/C ++ являются важной частью операционной системы, поскольку большинство основных компонентов Android написаны на собственном коде. Инфраструктура Java API — это шлюз в ОС для всех пользовательских приложений. Он предоставляет множество сервисов для приложений в виде вызовов Java API, включая менеджеры действий, ресурсов и уведомлений, поставщиков контента и систему просмотра. Именно поэтому приложения для Android в основном разрабатываются на Java, хотя собственные библиотеки обеспечивают некоторую поддержку C/C++. Совсем недавно также поддерживался и Kotlin, он даже предпочитался Google для разработки приложений Android. Код компилируется Android Software Development Kit (SDK) и архивируется в виде пакета Android (APK).
Android против Linux
Хотя некоторые считают Android дистрибутивом Linux, он имеет мало общего с обычной ОС Linux.
В традиционном стеке Linux ядро выполняет большую часть системных функций, включая управление памятью и файлами, аппаратное взаимодействие и планирование процессов. Системные функции предоставляются приложениям через библиотеки и вызовы API на языке Си. Именно поэтому GNU C является более важной библиотекой в Linux. Пользователи взаимодействуют с системой через оболочки, которые транслируют пользовательские команды в системные вызовы.
С другой стороны, Android можно рассматривать как пользовательское приложение, работающее в Linux. ОС использует ядро для взаимодействия с оборудованием и управления системой, а затем предлагает свои функции другим приложениям через интерфейс API. Этот интерфейс написан полностью на Java, и даже функции библиотек C/C ++ предложены в оболочках Java. В Android нет оболочки, хотя некоторые утилиты командной строки поддерживаются через приложение Toybox.
Кроме того, Android оптимизирован для мобильных устройств, которые обычно обладают малой вычислительной мощностью, имеют небольшой объем памяти и работают от батарей. По умолчанию, в качестве библиотеки C, вместо GNU, он использует Bionic из-за пониженных требований к памяти и процессору. При нехватке памяти, Android может уничтожить наименее используемые процессы и сбросить блоки разделяемой памяти. Кроме того, здесь реализуется уникальная система управления питанием, в которой устройство остается в спящем режиме, потребляя минимальную мощность до тех пор, пока процесс не запросит ресурс.
Ядро Android
Перед установкой на устройство само ядро Linux подвергается модификации несколькими участниками проекта. Во-первых, разработчики Android оптимизируют ядро LTS для мобильных устройств, вносят коррективы в функции Android и оставляют код как общее ядро AOSP. Разработчики AOSP реализуют большинство изменений в виде драйверов устройств, чтобы гарантировать внесение минимальных изменений в основной код ядра. Это позволяет с минимальными изменениями объединять обновления базового ядра в ACK. Поставщики оборудования добавляют драйверы и уровни абстракции для создания ядра поставщика. Затем, производители устройств обновляют ядро в соответствии со своими требованиями, реализуя новые драйверы или даже улучшая систему. Это ядро, в конечном счете, устанавливается на выпускаемые производителем устройства.
Разработка приложения
Основной принцип разработки в Android заключается в том, чтобы абстрагироваться от вариативности оборудования и предоставить унифицированный интерфейс для приложений. Это достигается запуском всех приложений на виртуальных машинах Java, подобных Dalvik или ART. Еще более способствует этой абстракции и упрощает разработку приложений комплект, состоящий из инфраструктуры Java API и SDK Android. Интерфейс API выполняет всю сложную работу, обеспечивая приложениям доступ к системным ресурсам лишь через вызов функции, в то время как SDK предоставляет визуальные инструменты для создания макетов приложений и управления вводом данных пользователя.
Стек Android также включает вторую операционную систему Trusty. Она работает параллельно с основной операционной системой и обеспечивает доверенную среду для изолированного выполнения. В основном она используется для мобильных платежей, безопасного банковского обслуживания, обработки паролей и других процессов, требующих безопасности и конфиденциальности.
Заключение
При первых анонсах Open Handset Alliance их планы по взаимодействию при разработке открытой и многоцелевой платформы представлялись не более чем громким заявлением. Однако через десять лет платформа Android произвела революцию, и не только в мобильной индустрии. Фактически, она породила совершенно новые отрасли промышленности и коренным образом изменила наш образ жизни, работы и общения.
Читайте также: