Introduction Android

출처 : http://yotteum.tistory.com/entry/Introduction-Android

안드로이드에서 사용하는 언어는 자바이지만 SUN의 자바와 API와 버추얼머신이 다르다. 
Dalvik 이라는 회사의 버추얼머신이 있었는데 구글에서 회사를 통째로 사들였다고 한다. 이때문에 안드로이드는 SUN의 라이센스로부터 자유롭다. 

안드로이드 플랫폼은 크게 네 부분으로 나뉜다. 커널부분, 하드웨어추상레이어, 라이브러리, 응용프로그램 프레임워크. 라이브러리들은 C/C++로 구현이 되어 있다. 기존의 여러 프로젝트 들을 통합하였기 때문에 C로 구현된 것들이 대부분이고 C++도 있다. 응용프로그램 프레임워크는 자바로 구현되어 있다. 프레임워크와 라이브러리 사이에는 자바와 C 사이의 서로다른 호출 규약등을 맵핑하는 JNI라는 마셜러가 존재한다. 하드웨어 드라이버를 C로 만들면 JNI를 구현해야 한다. 이를 위한 구글 가이드가 있고 샘플도 공개되어 있다. 그리고 SDK를 생성하여 응용프로그램 개발자에게 전달하면 된다. 하드웨어 부분은 구글에서 표준으로 정해두었기 때문에 따로 만질 필요가 없다. 추상레이어도 스펙이 다 되어있어 응용프로그램을 개발할 때는 API로 보이게 된다. 
 기존 임베디드리눅스와 안드로이드의 차이점중 한가지는 장치드라이버들( 그래픽, 오디오, 카메라 등 )이 커널영역이 아닌 유저모드에서 동작한다. 유저모드로 동작 시키면 자신에게 할당되어 있는 번지에만 접근할 수 있기 때문에 조금 더 안전하지만 하드에어 제어시에는 MMU등을 참조하는 등의 추가적인 작업이 필요하기 때문에 조금 불편할 수 있다. 이렇게 드라이버들을 유저영역에 넣은 이유는 라이센스문제, 안정성, 문서화의 편리성( 커널버전이 업데이트 될 때마다 드라이버에 대한 문서를 갱신할 필요가 없다 ), 플러그인 방식으로 드라이버 배포가 가능한점이 있다. 안드로이드에서는 기존 리눅스의 라이브러리로 만든 것들은 동작하지 않는다고 보면 된다. 같은 이름의 라이브러리라 할지라도 안드로이드의 라이브러리들은 스마트폰에 탑재하는 것을 기준으로 불필요한 코드들을 제거하고 최적화를 해두었기 때문이다. POSIX Thread 관련 라이브러리를 예로 들면 create, join 등의 필수 함수를 제외한 나머지함수는 모두 제거되어있다. 

Android Kernel
왜 안드로이드는 리눅스 커널 기반일까. 생각하기 나름이겠지만 우선 오픈소스이고 안전하게 입증된 드라이버 모델(well abstracted )이 적용되어 있고, 메모리 프로세스 관리 모델을 제공하고, 하드웨어와 입출력에 대한 보안모델을 제공하고, 공유라이브러리를 지원하는 등 비용과 시간이 적게 드는 이유가 한몫 한것 같다. 

현재 커널 안정화버전은 2.6.27 이다. 구글에서 순수 리눅스 커널을 가져다가 안드로이드 용으로 패치한 것이다. 기존의 리눅스와는 다르게 GLIBC를 지원하지 않고 EABI( Embedded Arm Binary Interface?)와 Binder를 사용한다. 그리고 커널 기능 향상을 위해 Alarm, Ashamem(공유메모리), Low memory-killer, debugger, logger 컴포넌트가 추가되었다. 

유저모드는 허가된 자원에만 접근이 가능하고 프로그램의 안정성을 높일 수 있지만 하드웨어 효율성은 떨어질 수 있다. 반대로 커널모드는 하드웨어 효율성은 높지만 안정성은 떨어질 수 있다. 안드로이드는 기본 드라이버들을 제외한 나머지 드라이버들은 유저스페이스에서 동작한다. 일반 PC는 사람의 생명을 빼았지는 않지만, 심장박동 컨트롤러, 핸드폰만 가지고 조난 당했을 경우와 같이 스마트폰을 모델로 하면 생명과 연결될 수 있기 때문에 안정성이 속도나 효율보다 더 중요하다. 
 
이전에는 일반적으로 일반 gcc를 썼지만 최근의 리눅스 커널을 빌드할 경우에는 ARM사에서 표준으로 정해둔 ABI( arm binary interface ) 규격의 컴파일러를 사용한다. 현재 안드로이드는 EABI( Extended??..) 기능을 지원한다. 일반 컴파일러에서 빌드한 것을 EABI에서 실행할 수 없기 때문에 EABI 컴파일러로 다시 빌드해야 한다. 최근의 임베디드 컴파일러는 대부분 EABI컴파일러 이다. 실수 연산방식에 있어서 하드플로팅포인트와 소프트웨어 플로팅포인트를 혼합하여 빌드할 수 있다. 기존의 ABI는 빌드옵션에서 VFP(Vector Floating Point)를 선택하거나 해제할 수 있었는데 이는 환경이 달라지면 다시 빌드 해야하는 단점이 있었다. EABI는 혼용이 되기 때문에 빌드의 부담이 줄어든다. 또한 구조체 팩킹이 편해졌고 호환성이 증가하였다. 그리고 syscall 규약에 변경사항이 있다. 이전에는 전달인자 4개까지는 레지스터를 쓰고 5개부터는 스택을 사용했는데 레지스터를 r0, r1, r2, r4 처럼 연속된 순서로 했었다.  EABI는 레지스터 간격이 달라지는등 호출 규약이 달라졌다. 

Kernel Enhancement

기존의 임베디드 리눅스에 없던 안드로이드만의 향상된 기능에는 알람, 로우메모리킬러, 공유메모리드라이버, 커널디버거, 바인더, 파워매니지먼트, 로거가 있다. 결국 포팅 이슈는 이것들과 관련될 것이다. 스마트폰으로 만들다 보니까 알람이 기본적으로 제공되어야 한다. 포팅 시 이 기능을 사용하고 싶지 않다면 다른기능과 맞물려 있기 때문에 확인해보고 작업을 진행해야 한다. 공유메모리드라이버는 안드로이드에서 커스터마이징을 했고 메모리 할당이 필요하면 전부 ashmem에 있는 라이브러리를 이용한다. 
리눅스에서는 각 프로세스마다 우선순위를 주고 메모리가 부족하면 우선순위가 낮은 것을 없앤다. 안드로이드는 프로세스마다 우선순위를 주지 않고 그룹마다 우선순위를 준다. 그 이유는 바인더 때문이다.  메모리 부족 시 우선순위가 낮은 그룹을 제거한다. 안드로이드에는 프로그램 종료 기능이 없다. 화면은 내릴 수 있지만 알아서 프로그램이 제거되기 때문이다. 자바로 응용프로그램을 만들기 때문에 가비지컬렉터가 있다. 종료버튼이 있다 하더라도 UI가 없어질 뿐 그 자체가 바로 종료되는 것은 아니다.
이중 가장 중요한 것은 바인더라고 할 수 있다. 바인더에 의해 안드로이드와 기존 리눅스의 차이가 생긴다. 커널버전 2.6.30이상부터는 커널과 안드로이드가 통합된다는 말이 있는데 2.6.29이전의 커널은 바인더폴트( 메모리 회수에 문제가 있는 버그)가 있었다. 그럼 기존에 나왔던 안드로이드폰들도 이 버그가 있었을까? 아마도 개발인력이 많기 때문에 자체적으로 해결했을 것 같다. 바인더 서비스를 넣으면 기존의 전통적인 커널구조가 객체지향 구조로 바뀐다. 컴포넌트 중심으로 양쪽간 메시지를 주고받는 구조로 바뀐다는 말이다. 이것의 장점은 한쪽이 잘못 되어도 반대쪽까지 잘못되지는 않는다는 점. 응답을 못받거나 결과만 이상하게 나올 뿐이다. 
전원관리기능은 기존의 리눅스가 가지고 있는 3단계에 2개를 더해 5단계로 이루어진다. 안드로이드 커널을 설정할때는 자신의 하드웨어에 전원관리 모듈이 없어도 반드시 포함시켜야 한다. 포팅을 하게 되면 시간이 지날수록 이것들에 집중해야 할 것이다. 

Binder

바인더는 프로그램과 데이터를 공유하기 위한 것이다. 기존의 IPC는 보안이슈와 오버헤드이슈가 있다. 리눅스에서도 오픈바인더를 쓸 수 있지만 안드로이드에서 더 활성화를 시켜 두었다. 2.6.29에 기존 버그들이 완벽하게 패치되었다. 이전의 방식은 커널을 통해서 데이터를 공유하였다.(커널의 공유메모리 영역에 데이터를 올려두고 시그널등의 이벤트를 받아 메시지 큐 등을 써서 - 세마포어, 뮤텍스, 스레드 등 ). 바인더는 커널쪽의 메인호스팅이 없고 바인드라는 서비스가 있는 것이다. 바인드를 호출하면 응용프로그램과 디바이스쪽에 바인드서비스가 붙어 서로 통신하게 된다. 바인드서비스는 커널이 아니다. 서로다른 서비스간, 응용프로그램간 데이터를 주고받을 때 동작하게 된다. 여기서의 단점은, 기존의 방식은 하나의 매개체가 있고 공유해서 썼지만 바인드는 각각의 서비스마다 바인더가 있어야 하기 때문에 메모리 낭비가 되는 측면이 있다. 그럼에도 불구하고 쓰는 이유는 바인더는 각각 별개로 동작하기 때문에 주고 받는 통신을 가로챔 당할 가능성이 더 낮아지므로 보안성이 더 오르기 때문이다. 메모리 낭비를 줄이기 위해 바인더를 230kb정도의 크기로 최소화 시켰다. 바인더는 원래 PalmOS에 있던 것이기 때문에 라이센스가 있다. 약 3000라인정도 된다. 
바인더는 스레드 풀을 유지한다. 드라이버, 매니저 서비스마다 바인더가 양쪽에 붙게 되는데 풀로 관리한다는 것은 요구가 있기 전에 미리 자료구조화 시켜 자원을 확보해 두고 바로 맵핑해서 쓸 수 있도록, 바인드 하는데 시간이 걸리지 않도록 되어 있다.  응용 A가 B 디바이스드라이버와 통신을 하게 되면 채널이 생성되는데 만약 채널안에 연결되는 프로그램이 A 이외에 C도 존재 한다면 B가 종료되었다고 해서 바인더가 종료되면 안된다. 이를 위해 참조계수가 있어서 참조계수가 0이 되면 바인드서비스를 해제한다. 

Low Memory Killer
리소스가 부족할 때 자동으로 실행된다. 안드로이드는 그룹 당 우선순위를 주어 해당되는 그룹을 한번에 해제한다. 그룹은 참조계수랑 연관이 있다.  ( 아마도 참조계수가 0 인 것들이 먼저 해제 될듯. ) 
아래 그림은 Low Memory Killer 소스의 일부분이다. 프로세스가 실행되면 프로세스테이블에 등록되어 관리가 된다. 메모리 부족현상이 생기면 shirink 함수가 실행되어 링크드리스트로 되어있는 프로세스컨트롤 블록들을 끝까지 탐색한다. 제거되어야 할 프로세스가 있으면 SIGKILL을 전송한다. 


Power Management 
기존 리눅스드라이버의 파워매니저에 계층을 하나 더 올렸다. 보통 핸드폰은 5단계를 사용한다. 키보드-액정-CPU 순으로 전원이 차단되면서 제일 마지막은 D램에만 전원을 공급하는 상태가 된다. 전원은 CPU가 아닌 PMIC라는 전원공급칩이 제어를 한다. D램에만 전원이 공급되는 상태라도 터치스크린은 잠기지 않는다. 이 상태에서 발생하는 인터럽트도 PMIC가 관리한다. 

Native Libraries

기존의 라이브러리를 그대로 사용하지 않고 EABI로 빌드된 라이브러리이다. 기존의 리눅스는 PC가 모태이기 때문에, 스마트 디바이스환경을 위해 만들어진 것이 아니기 때문에 arm또는 스마트디바이스에 최적화 되어 있지 않다. 바인더가 있고 자바의 JNI를 통해 C코드와 연결되기 때문에 필수적으로 사용되는 C라이브러리 사이즈를 줄이고 효율을 더 좋게 하였다. 안드로이드의 네이티브 라이브러리는 Bionic Lib이라고 부른다. 임베디드 리눅스쪽 라이브러리를 안드로이드로 가져오면 동작하지 않는다. 대부분이 BSD 라이센스기 때문에 코드공개의 의무가 없다. 그리고 프로세스마다 로드 되므로 작은 사이즈( libc.so 사이즈 231Kb )로 되어 있고 경량 pthread가 구현되어 있다. 모든 Native 코드는 bionic과 함께 컴파일 되어야 한다. 웹킷은 오픈소스 브라우저 기반이다. 애플의 사파리, 노키아의 심비안에 이미 적용되어 성능은 검증되어 있다. 브라우저 속도가 아주 빠른것이 특징이다. HTML 표준을 따르고 Active X는 지원하지 않는다. 미디어프레임워크는 PocketVideo OpenCORE 플랫폼 기반이다. 동영상 디코딩을 하며 표준 Video, Audio, Still-frame 포맷을 지원한다. 이를 이용해 상용제품을 양산할 경우 코덱 라이센스에 대한 비용이 발생할 수 있다. SQLite 는 기본 데이터 베이스이다. Mysql과 거의 유사하다. 위치기반 서비스등을 할 때 유용하게 쓰일 수 있다. 

Surface Manager는 모든 응용프로그램의 surface rendering을 프레임버퍼로 전달한다. 프레임버퍼는 LCD와 CPU속도에 차이가 있기 때문에  DRAM 또는 SRAM에 똑같은 구조를 만들어 두고 메모리 블록 전체를 복사해서 한번에 LCD에 출력한다. 이 때 그 메모리 공간을 프레임버퍼라고 한다. 기존의 임베디드리눅스는 2D, 3D를 따로 처리했지만 이 경우에는 동시에 2D, 3D를 처리한다. 화면 합성이나 결합, 반투명 효과등을 한번에 처리할 수 있다. 2D는 단일버퍼로 충분하지만 3D는 데이터량이 많아 단일버퍼로는 병목현상이 생길 수 있기 때문에 프레임버퍼를 더블프레임을 쓴다.  기존의 버퍼 사이즈를 두배로 늘려주면 된다. 더블버퍼링을 2D에도 적용하면 전경그림과 배경그림을 별도로 관리할 수 있어 오버헤드가 줄어든다. 

Audio Manager는 오디오 처리를 한다. 오디로 출력 라우팅 기능이 구현되어 있다. 이전에는 OSS를 사용했는데 안드로이드에서 제대로 동작하지 않기 때문에 ALSA를 써야한다. 기본적으로 ALSA는 디폴트 볼륨이 0 으로 설정되어 있기 때문에 테스트를 하기 위해서는 init 부분에서 볼륨설정을 먼저 해줘야 한다. 

Android Runtime
 
SUN의 자바는 명령들이 전부 8비트 길이를 가지지만 안드로이드는 4바이트이다. 기존의 SUN은 명령어가 스택에 들어가기 때문에 PUSH,POP명령어를 쓰고 Dalvik은 뱅크드레지스터를 이용한 복사명령을 이용하고 레지스터에서 바로 실행시키기 때문에 속도가 더 빠르다. 4바이트가 레지스터에 전부 들어가기 때문에 낮은사양에서도 느려지지 않는 효과도 있다. 프로그램동작은 자바코드이고 드라이버들은 대부분 C/C++이지만 그 사이에 JNI가 있기때문에 동작이 가능하다. JNI는 자바코드에서 C나 C++  라이브러리를 호출할 수 있도록 만들어진 규약이다. 안드로이드에서 응용프로그램은 C/C++로도 만들 수 있다. 대신 UI를 가지기는 힘들다. 백그라운드 서비스를 제작할 경우 굳이 자바로 할 필요는 없다.

HAL ( Hardware Abstraction Layer )

예전에는 하드웨어 드라이버를 하드웨어 제작자가 만들었지만 요즘은 추상계층을 두어 상위 드라이버나 하위 네이티브 드라이버를 서로 독립적으로 개발할 수 있고 응용프로그램도 독립적으로 동작할 수 있다. 이는 일관된 함수 이름과 형식이 있기때문에 가능하다. 개발자가 구현하기 쉽게 표준화된 API들이 존재하며 모든 제조사가 자신의 컴포넌트를 안드로이드 플랫폼에 넣을 수 있도록 구성되었다. HAL은 라이센스문제를 피하고 안정성을 위해 유저스페이스에 존재한다. 

Application Framework

액티비티 매니저는 응용프로그램의 생명주기를 담당한다. 패키지 매니저는 시스템에서 동작중인 응용프로그램들의 정보를 담당한다. 윈도우 매니저는 모든 응용프로그램과 관련된 화면을 담당한다. 뷰 시스템은 표준 위젯을 담당한다. 처음 바탕화면이 위젯이다. 윈도우는 dll 파일이 많지만 안드로이드는 하나의 패키지 파일로 되어있어 프로그램 배포가 쉽다. 

Bootup Sequence

리눅스는 기본적으로 init이 가장먼저 실행된다. init.rc 라는 이름의 파일에는 init이 해야할 작업들이 기록되어 있다. 파일시스템 마운팅, 폴더 권한설정, 캐시폴더 삭제, 시작프로그램 동작 등이 기록되어 있다. 우선 데몬을 올린다. 데몬은 init에 의해 리눅스와 같이 시작되었다가 리눅스가 종료될 때 없어지는 프로그램으로서 데몬을 작성하는 규격에 따라 만들어져야 한다. Zygote가 Dalvik을 초기화 한다. C 밑에 있는 기본라이브러리들은 런타임을 통해 실행되고 상위 서비스들은 Dalvik을 통해 실행된다. 이러한 과정들을 위한 설정은 해당하는 config 파일을 수정하면 된다. 어떤 동작들을 바꾸고 싶으면 기본적으로 init.rc를 바꾸면 되고 Zygote를 바꾸고 싶으면 그 설정파일을 바꾸면 된다. 그리고 시스템서버, 서페이스매니저, 오디오매니저들이 올라간다. 그 다음에는 시스템 서비스들이 활성화 된다. 이들은 서비스이므로 서비스매니저에 등록된다. 

Bootup Sequence - Zygote

Zygote가 실행되면 시스템 서비스가 활성화 된다. 응용프로그램에서는 android.process.* 을 가지고 접근할 수있다. Zygote와 시스템서버간에는 IPC 소켓으로( 127.0.0.x ) 통신을 한다. 

< 부팅 완료 후 각 프로세스들의 상태 >
Android Internals Reference
http://code.google.com/intl/ko/android/
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http://www.android-internals.org/
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