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Android系统架构总体可分为四层结构，从下往上依次是:Linux内核层、系统运行库层、应用程序框架层以及应用程序层。如下图所示：
一、Linux内核层
Google选择了Linux内核作为Android的底层支撑系统。当前的Android系统是基于Linux2.6内核的，提供了一个操作系统所应该具有的最基本的功能。
当然，除了标准的Linux内核外，Android还额外增加了适合手机的内核驱动程序：显示驱动、摄像头驱动、闪存驱动、Binder(IPC)驱动、键盘驱动、 WiFi驱动、音频系统驱动、蓝牙驱动、电源管理等。
二、系统运行库层:
Android系统运行库层主要分为系统库和Android运行时环境两部分。
系统库：
系统库是应用程序框架的支撑，是连接应用程序框架层与Linux内核层的重要纽带。其主要包含以下几个部分：
Surface Manager：执行多个应用程序时候，负责管理显示与存取操作间的互动，另外也负责2D绘图与3D绘图进行显示合成。
Media Framework：多媒体库，支持多种常用的音频、视频格式录制和回放，编码格式包括MPEG4、MP3、H264、AAC、ARM。
SQLite：轻量级的关系型数据库引擎。
OpenGL|ES：根据OpenGL ES 1.0 API标准实现的3D绘图函数库。
FreeType：提供点阵字与向量字的描绘与显示 。
WebKit：开源的浏览器引擎，支持CSS，JAVASCRIPT，DOM等脚本语言。
SGL：底层的2D图形渲染引擎。
SSL：在Andorid上通信过程中实现安全认证。
Libc：从BSD继承来的标准C系统函数库，专门为基于embedded linux的设备定制。
Android运行时环境（Run Time Context）：
Android应用程序采用Java语言编写，程序在Android运行时环境中执行，运行时环境可分为核心库和Dalvik虚拟机两部分。
核心库提供了Java语言API中的大多数功能，同时也包含了Android的一些核心API，如android.os、android.net、android.media等等。
Dalvik虚拟机是由Google公司自己设计专门用于Android平台的Java虚拟机，它针对移动终端做了特殊的优化。Dalvik虚拟机具有一下几个特征：
1)专有的DEX文件格式
一个应用中可以定义很多类，编译完成后即会有很多相应的CLASS文件，CLASS文件内会有不少冗余的信息；而DEX文件格式会把所有的CLASS文件内容整合到一个文件中。这样，除了减少整体的文件尺寸，I/O操作，也提高了类的查找速度。原来每个类文件中的常量池，在DEX文件中由一个常量池来管理，而且DEX文件的结构非常紧凑。
2)一个应用，一个虚拟机实例，一个进程
每一个Android应用都运行在一个Dalvik虚拟机实例里，而每一个虚拟机实例都是一个独立的进程空间。虚拟机的线程机制，内存分配和管理等等都是依赖底层操作系统实现的。所有Android应用的线程都对应一个Linux线程，虚拟机因而可以更多的依赖操作系统的线程调度和管理机制。不同的应用在不同的进程空间里运行，对不同来源的应用都使用不同的Linux用户来运行，可以大程度的保护应用程序的安全和独立运行特性。
在Android系统中，Zygote 是一个虚拟机进程，同时也是一个虚拟机实例的孵化器，每当系统要求执行一个 Android应用程序时，Zygote就会孵化（FORK）出一个子进程来执行该应用程序。Zygote进程是在系统启动时产生的，它会完成虚拟机的初始化，资源库的加载，预置类库的加载和初始化等操作，而在系统需要一个新的虚拟机实例时，Zygote通过复制自身，最快速的提供给系统。
3) 基于寄存器
Dalvik虚拟机是基于寄存器的，相对于基于堆栈的虚拟机实现，基于寄存器的虚拟机实现虽然在硬件通用性上要差一些，但是它在代码的执行效率上却更胜一筹。在基于寄存器的虚拟机里，可以更为有效的减少冗余指令的分发和减少内存的读写访问。
三、应用程序框架层
应用程序框架层是开发者从事Android应用开发的基础，很多核心应用程序也是通过这一层来实现其核心功能，该层简化了组件的重用，开发人员可以直接使用它提供的组件进行快速的应用程序开发，也可以通过继承而实现个性化的拓展。
以下是这次层中，各个部分的功能：
Activity Manager（活动管理器）：管理各个应用程序生命周期以及通常的导航回退功能
Window Manager（窗口管理器）：管理所有的窗口程序
Content Provider（内容提供器）：通过它可以在不同应用程序之间存取或者分享数据
View System（视图系统）：构建应用程序的基本组件
Notification Manager(通知管理器)：通过它应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息
Package Manager（包管理器）:Android系统内的程序管理，可以查看Android应用程序以及Activity的相关信息
Telephony Manager(电话管理器):管理所有的移动设备功能
Resource Manager（资源管理器）:提供应用程序使用的各种非代码资源，如本地化字符串、图片、布局文件、颜色文件，主题样式，二进制文件等
Location Manager(位置管理器):提供位置服务
XMPP Service（XMPP服务）:提供Google Talk服务
四、应用程序层
Android平台不仅仅是操作系统，也包含了许多应用程序，诸如SMS短信客户端程序、电话拨号程序、图片浏览器、Web浏览器等应用程序。这些应用程序都是用Java语言编写，并且都是可以被开发人员所开发的其他应用程序替换，这点不同于其他手机操作系统固化在系统内部的系统软件，更加灵活和个性化。
用户开发的Android应用程序和Android的核心应用程序是同一层次的，它们都是基于Android的系统API构建的。