Ngày 5 tháng 11 năm 2007, Liên minh thiết bị cầm tay mở (Open Handset Alliance), một hiệp hội bao gồm nhiều công ty trong đó có Texas Instruments, Tập đoàn Broadcom, Google, HTC, Intel, LG, Tập đoàn Marvell Technology, Motorola, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics, Sprint Nextel và T-Mobile được thành lập với mục đích phát triển các chuẩn mở cho thiết bị di động. Cùng ngày, Android cũng được ra mắt với vai trò là sản phẩm đầu tiên của Liên minh, một nền tảng thiết bị di động được xây dựng trên nhân Linux phiên bản 2.6. Chiếc điện thoại chạy Android đầu tiên được bán ra là HTC Dream, phát hành ngày 22 tháng 10 năm 2008. Biểu trưng của hệ điều hành Android mới là một con rô-bốt màu xanh lá cây do hãng thiết kế Irina Blok tại California vẽ.
Từ năm 2008, Android đã trải qua nhiều lần cập nhật để dần dần cải tiến hệ điều hành, bổ sung các tính năng mới và sửa các lỗi trong những lần phát hành trước. Mỗi bản nâng cấp được đặt tên lần lượt theo thứ tự bảng chữ cái, theo tên của một món ăn tráng miệng; ví dụ như phiên bản 1.5 Cupcake (bánh bông lan nhỏ có kem) tiếp nối bằng phiên bản 1.6 Donut (bánh vòng). Phiên bản mới nhất cho đến thời điểm cuối năm 2014 là Android 5.0 Lollipop (kẹo mút). Vào năm 2010, Google ra mắt loạt thiết bị Nexus—một dòng sản phẩm bao gồm điện thoại thông minh và máy tính bảng chạy hệ điều hành Android, do các đối tác phần cứng sản xuất. HTC đã hợp tác với Google trong chiếc điện thoại thông minh Nexusđầu tiên, Nexus One. Kể từ đó nhiều thiết bị mới hơn đã gia nhập vào dòng sản phẩm này, như điện thoại Nexus 4 và máy tính bảng Nexus 10, lần lượt do LG và Samsung sản xuất, kế tiếp là Nexus 5 cũng doLG sản xuất, và mới nhất là Nexus 6 (Motorolla) và Nexus 9 (HTC) vừa được ra mắt ngày 03/11/2014 vừa qua. Google xem điện thoại và máy tính bảng Nexus là những thiết bị Android chủ lực của mình, với những tính năng phần cứng và phần mềm mới nhất của Android.
Bảng dưới đây thể hiện tỷ lệ sử dụng các phiên bản Android tính đến ngày 09/09/2014 (các phiên bản có thị phần dưới 0.1% không được liệt kê tại đây).
| Phiên bản | Tên Mã | API | Tỷ lệ |
|---|---|---|---|
| 2.2 | Froyo | 8 | 0.7% |
| 2.3.3 -2.3.7 | Gingerbread | 10 | 11.4% |
| 4.0.3 -4.0.4 | Ice Cream Sandwich | 15 | 9.6% |
| 4.1.x | Jelly Bean | 16 | 25.1% |
| 4.2.x | Jelly Bean | 17 | 20.7% |
| 4.3 | Jelly Bean | 18 | 8.0% |
| 4.4 | KitKat | 19 | 24.5% |
Giao diện và ứng dụng
Giao diện
Giao diện người dùng của Android dựa trên nguyên tắc tác động trực tiếp, sử dụng cảm ứng chạm tương tự như những động tác ngoài đời thực như vuốt, chạm, kéo dãn và thu lại để xử lý các đối tượng trên màn hình. Sự phản ứng với tác động của người dùng diễn ra gần như ngay lập tức, nhằm tạo ra giao diện cảm ứng mượt mà, thường dùng tính năng rung của thiết bị để tạo phản hồi rung cho người dùng. Những thiết bị phần cứng bên trong như gia tốc kế, con quay hồi chuyển và cảm biến khoảng cách được một số ứng dụng sử dụng để phản hồi một số hành động khác của người dùng, ví dụ như điều chỉnh màn hình từ chế độ hiển thị dọc sang chế độ hiển thị ngang tùy theo vị trí của thiết bị, hoặc cho phép người dùng lái xe đua bằng xoay thiết bị, giống như đang điều khiển vô-lăng.
Các thiết bị Android sau khi khởi động sẽ hiển thị màn hình chính, điểm khởi đầu với các thông tin chính trên thiết bị, tương tự như khái niệm desktop (bàn làm việc) trên máy tính để bàn. Màn hình chính của Android thường gồm nhiều biểu tượng (icon) và tiện ích (widget); biểu tượng ứng dụng sẽ mở ứng dụng tương ứng, còn tiện ích hiển thị những nội dung sống động, cập nhật tự động như dự báo thời tiết, hộp thư của người dùng, hoặc những mẩu tin thời sự ngay trên màn hình chính. Màn hình chính có thể gồm nhiều trang được chuyển bằng cách vuốt ra trước hoặc sau. Giao diện màn hình chính của Android có thể tùy chỉnh ở mức cao, cho phép người dùng tự do sắp đặt hình dáng cũng như hành vi của thiết bị theo sở thích. Những ứng dụng do các hãng thứ ba có trên Google Play và các kho ứng dụng khác còn cho phép người dùng thay đổi "chủ đề" của màn hình chính, thậm chí bắt chước hình dáng của hệ điều hành khác như Windows Phone chẳng hạn. Phần lớn những nhà sản xuất, và một số nhà mạng, thực hiện thay đổi hình dáng và hành vi của các thiết bị Android của họ để phân biệt với các hãng cạnh tranh.
Hình . Màn hình chính với các biểu tượng (icon) và tiện ích (widget)
Ở phía trên cùng màn hình là thanh trạng thái, hiển thị thông tin về thiết bị và tình trạng kết nối. Thanh trạng thái này có thể "kéo" xuống để xem màn hình thông báo gồm thông tin quan trọng hoặc cập nhật của các ứng dụng, như email hay tin nhắn SMS mới nhận, mà không làm gián đoạn hoặc khiến người dùng cảm thấy bất tiện. Trong các phiên bản đời đầu, người dùng có thể nhấn vào thông báo để mở ra ứng dụng tương ứng, về sau này các thông tin cập nhật được bổ sung theo tính năng, như có khả năng lập tức gọi ngược lại khi có cuộc gọi nhỡ mà không cần phải mở ứng dụng gọi điện ra. Thông báo sẽ luôn nằm đó cho đến khi người dùng đã đọc hoặc xóa chúng đi.
Hình . Thanh trạng thái đang được "kéo" xuống với các thông báo bên trong
Một điểm mạnh của hệ điều hành Android là cho phép người dùng chạy nhiều ứng dụng cùng lúc (đa nhiệm - multi-tasking). Việc chuyển qua chuyển lại giữa các ứng dụng được thực hiện một cách dễ dàng bằng cách bấm và giữ phím Home để hiển thị danh sách ứng dụng đang chạy.
Hình . Danh sách ứng dụng đang chạy trên thiêt bị (đa nhiệm)
Ứng dụng
Android có lượng ứng dụng của bên thứ ba ngày càng nhiều, được chọn lọc và đặt trên một cửa hàng ứng dụng như Google Play hay Amazon Appstore để người dùng lấy về, hoặc bằng cách tải xuống rồi cài đặt tập tin APK từ trang web khác. Các ứng dụng trên Cửa hàng Google Play cho phép người dùng duyệt, tải về và cập nhật các ứng dụng do Google và các nhà phát triển thứ ba phát hành. Google Play được cài đặt sẵn trên các thiết bị thỏa mãn điều kiện tương thích của Google. Google Play sẽ tự động lọc ra một danh sách các ứng dụng tương thích với thiết bị của người dùng, và nhà phát triển có thể giới hạn ứng dụng của họ chỉ dành cho những nhà mạng cố định hoặc những quốc gia cố định vì lý do kinh doanh. Nếu người dùng mua một ứng dụng mà họ cảm thấy không thích, họ có thể được hoàn trả tiền sau 15 phút kể từ lúc tải về. Một vài nhà mạng còn có khả năng mua giúp các ứng dụng trên Google Play, sau đó tính tiền vào trong hóa đơn sử dụng hàng tháng của người dùng. Tính đến tháng 8 năm 2013, có hơn 975.000 ứng dụng dành cho Android trên cửa hàng Google Play, và số lượt ứng dụng tải về từ Cửa hàng Play ước tính đạt gần 30 tỷ.
Hình: Giao diện cửa hàng Google Play trên điện thoại Google Nexus 4
Các ứng dụng cho Android được phát triển bằng ngôn ngữ Java sử dụng Bộ phát triển phần mềm Android (Android SDK). Android SDK bao gồm một bộ đầy đủ các công cụ dùng để phát triển, bao gồm công cụ gỡ lỗi, thư viện phần mềm, bộ giả lập điện thoại dựa trên QEMU, tài liệu hướng dẫn, mã nguồn mẫu, và hướng dẫn từng bước. Môi trường phát triển tích hợp (IDE) được hỗ trợ chính thức là Eclipse sử dụng phần bổ sung Android Development Tools (ADT). Các công cụ phát triển khác cũng có sẵn, gồm có Bộ phát triển gốc dành cho các ứng dụng hoặc phần mở rộng viết bằng C hoặc C++, Google App Inventor, một môi trường đồ họa cho những người mới băt đầu lập trình, và nhiều nền tảng ứng dụng Web di động đa nền tảng phong phú.
Phát triển
Android được Google tự phát triển riêng cho đến khi những thay đổi và cập nhật đã hoàn thiện, khi đó mã nguồn mới được công khai. Mã nguồn này, nếu không sửa đổi, chỉ chạy được trên một số thiết bị, thường là thiết bị thuộc dòng Nexus. Có nhiều thiết bị có chứa những thành phần được giữ bản quyền do nhà sản xuất đặt vào thiết bị Android của họ.
Hạt nhân Linux
Android có hạt nhân dựa trên nhân Linux phiên bản 2.6. Kể từ Android 4.0 Ice Cream Sandwich (bánh ngọt kẹp kem) trở về sau, là phiên bản 3.x, với middleware, thư viện và API viết bằng C, còn phần mềm ứng dụng chạy trên một nền tảng ứng dụng gồm các thư viện tương thích với Java dựa trên Apache Harmony. Android sử dụng máy ảo Dalvik với một trình biên dịch động để chạy 'mã dex' (Dalvik Executable) của Dalvik, thường được biên dịch sang Java bytecode. Nền tảng phần cứng chính của Android là kiến trúc ARM. Người ta cũng hỗ trợ x86 thông qua dự án Android x86 (chip Intel Atom), và Google TV cũng sử dụng một phiên bản x86 đặc biệt của Android.
Nhân Linux dùng cho Android đã được Google thực hiện nhiều thay đổi về kiến trúc so với nhân Linux gốc. Android không có sẵn X Window System cũng như không hỗ trợ các thư viện GNU chuẩn, nên việc chuyển các ứng dụng hoặc thư viện Linux có sẵn sang Android rất khó khăn. Các ứng dụng C đơn giản và SDL cũng được hỗ trợ bằng cách chèn những đoạn shim Java và sử dụng tương tự như nền tảng lập trình JNI, như khi người ta chuyển trò chơi Jagged Alliance 2 sang Android.
Một số tính năng cũng được Google đóng góp ngược vào nhân Linux, đáng chú ý là tính năng quản lý nguồn điện có tên wakelock, nhưng bị những người lập trình chính cho nhân từ chối vì họ cảm thấy Google không có định sẽ tiếp tục bảo trì đoạn mã do họ viết. Google thông báo vào tháng 4 năm 2010 rằng họ sẽ thuê hai nhân viên để làm việc với cộng đồng nhân Linux, nhưng Greg Kroah-Hartman, người bảo trì nhân Linux hiện tại của nhánh ổn định, đã nói vào tháng 12 năm 2010 rằng ông lo ngại Google không còn muốn đưa những thay đổi của mình vào Linux dòng chính nữa. Một số lập trình viên Android của Google tỏ ý rằng "nhóm Android thấy chán với quy trình đó," vì nhóm họ không có nhiều người và có nhiều việc khẩn cấp cần làm với Android hơn.
Vào tháng 8 năm 2011, Linus Torvalds phát biểu rằng "rốt cuộc thì Android và Linux cũng sẽ trở lại với một bộ nhân chung, nhưng điều đó có thể sẽ không xảy ra trong 4 hoặc 5 năm nữa". Vào tháng 12 năm 2011, Greg Kroah-Hartman thông báo kích hoạt Dự án Dòng chính Android, nhắm tới việc đưa một số driver, bản vá và tính năng của Android ngược vào nhân Linux, bắt đầu từ Linux 3.3. Linux cũng đưa tính năng autosleep (tự động nghỉ) và wakelocks vào nhân 3.5, sau nhiều nỗ lực phối trộn trước đó. Tương tác thì vẫn vậy nhưng bản hiện thực trên Linux dòng chính cho phép hai chế độ nghỉ: bộ nhớ (dạng nghỉ truyền thống mà Android sử dụng), và đĩa (dạng ngủ đông - hibernate trên máy tính để bàn). Việc trộn sẽ hoàn tất kể từ nhân 3.8. Google đã công khai kho mã nguồn trong đó có những đoạn thử nghiệm đưa Android về lại nhân 3.8.
Bộ lưu trữ flash trên các thiết bị Android được chia thành nhiều phân vùng, như "/system" dành cho hệ điều hành và "/data" dành cho dữ liệu người dùng và cài đặt ứng dụng. Khác với các bản phân phối Linux cho máy tính để bàn, người sở hữu thiết bị Android không được trao quyền truy cập root vào hệ điều hành và các phân vùng nhạy cảm như /system được thiết lập chỉ đọc. Tuy nhiên, quyền truy cập root có thể chiếm được bằng cách tận dụng những lỗ hổng bảo mật trong Android, điều mà cộng đồng mã nguồn mở thường xuyên sử dụng để nâng cao tính năng thiết bị của họ, kể cả bị những người ác ý sử dụng để cài virus và phần mềm gián điệp.
Việc Android có được xem là một bản phân phối Linux hay không vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi, tuy được Linux Foundation và Chris DiBona, trưởng nhóm mã nguồn mở Google, ủng hộ. Một số khác, như linux-magazine.com thì không đồng ý, do Android không hỗ trợ nhiều công cụ GNU, trong đó có glibc.
Quản lý bộ nhớ
Vì các thiết bị Android chủ yếu chạy bằng pin, nên Android được thiết kế để quản lý bộ nhớ (RAM) nhằm giảm tối đa tiêu thị điện năng, trái với hệ điều hành máy tính để bàn luôn cho rằng máy tính sẽ có nguồn điện không giới hạn. Khi một ứng dụng Android không còn được sử dụng, hệ thống sẽ tự động ngưng nó trong bộ nhớ, trong khi ứng dụng về mặt kỹ thuật vẫn "mở", những ứng dụng này sẽ không tiêu thụ bất cứ tài nguyên nào (như năng lượng pin hay năng lượng xử lý) và nằm đó cho đến khi nó được cần đến. Cách làm như vậy có lợi kép là vừa làm tăng khả năng phản hồi nói chung của thiết bị Android, vì ứng dụng không nhất thiết phải đóng rồi mở lại từ đầu, vừa đảm bảo các ứng dụng nền không làm tiêu hao năng lượng một cách không cần thiết.
Android quản lý các ứng dụng trong bộ nhớ một cách tự động: khi bộ nhớ thấp, hệ thống sẽ bắt đầu diệt ứng dụng và tiến trình không hoạt động trong một thời gian, sắp theo thời điểm cuối mà chúng được sử dụng (cái cũ nhất sẽ bị tắt trước). Quá trình này được thiết kế ẩn đi với người dùng, để người dùng không cần phải quản lý bộ nhớ hoặc tự tay tắt các ứng dụng. Tuy nhiên, sự che giấu này của hệ thống quản lý bộ nhớ Android đã dẫn đến sự thịnh hành của các ứng dụng tắt chương trình của bên thứ ba trên cửa hàng Google Play; những ứng dụng kiểu như vậy được cho là có hại nhiều hơn có lợi.
Cộng đồng mã nguồn mở
Android có một cộng đồng các lập trình viên và những người đam mê rất năng động. Họ sử dụng mã nguồn Android để phát triển và phân phối những phiên bản chỉnh sửa của hệ điều hành. Các bản Android do cộng đồng phát triển thường đem những tính năng và cập nhật mới vào nhanh hơn các kênh chính thức của nhà sản xuất/nhà mạng, tuy không được kiểm thử kỹ lưỡng cũng như không có đảm bảo chất lượng; cung cấp sự hỗ trợ liên tục cho các thiết bị cũ không còn nhận được bản cập nhật chính thức; hoặc mang Android vào những thiết bị ban đầu chạy một hệ điều hành khác, như HP Touchpad. Các bản Android của cộng đồng thường được root (mở quyền truy cập toàn hệ thống) sẵn và có những điều chỉnh không phù hợp với những người dùng không rành, như khả năng ép xung hoặc tăng/giảm áp bộ xử lý của thiết bị. CyanogenMod là firmware của cộng đồng được sử dụng phổ biến nhất và là cơ sở cho rất nhiều firmware khác phát triển dựa trên bản firmware này.
Trước đây, nhà sản xuất thiết bị và nhà mạng tỏ ra thiếu thiện chí với việc phát triển firmware của bên thứ ba. Những nhà sản xuất còn thể hiện lo ngại rằng các thiết bị chạy phần mềm không chính thức sẽ hoạt động không tốt và dẫn đến tốn tiền hỗ trợ. Hơn nữa, các firmware đã thay đổi như CyanogenMod đôi khi còn cung cấp những tính năng, như truyền tải mạng (tethering), mà người dùng bình thường phải trả tiền nhà mạng mới được sử dụng. Kết quả là nhiều thiết bị bắt đầu đặt ra hàng rào kỹ thuật như khóa bootloader hay hạn chế quyền truy cập root. Tuy nhiên, khi phần mềm do cộng đồng phát triển ngày càng trở nên phổ biến, và sau một thông cáo của Thư viện Quốc hội Hoa Kỳ cho phép "jailbreak" (vượt ngục) thiết bị di động, các nhà sản xuất và nhà mạng đã tỏ ra mềm mỏng hơn với các nhà phát triển thứ ba, thậm chí một số hãng như HTC, Motorola, Samsung và Sony, còn hỗ trợ và khuyến khích phát triển. Kết quả của việc này là dần dần nhu cầu tìm ra các hạn chế phần cứng để cài đặt được firmware không chính thức đã bớt đi do ngày càng nhiều thiết bị được phát hành với bootloader đã mở khóa sẵn hoặc có thể mở khóa, như điện thoại dòng Nexus, tuy rằng thông thường họ sẽ yêu cầu người dùng từ bỏ chế độ bảo hành nếu họ làm như vậy. Tuy nhiên, dù được sự chấp thuận của nhà sản xuất, một số nhà mạng tại Mỹ vẫn bắt buộc điện thoại phải bị khóa.
Bảo mật và tính riêng tư
Các ứng dụng Android chạy trong một "hộp cát" (sandboxed applications), là một khu vực riêng rẽ với hệ thống và không được tiếp cận đến phần còn lại của tài nguyên hệ thống, trừ khi nó được người dùng trao quyền truy cập một cách công khai khi cài đặt. Trước khi cài đặt ứng dụng, Cửa hàng Play sẽ hiển thị tất cả các quyền mà ứng dụng đòi hỏi: ví dụ như một trò chơi cần phải kích hoạt bộ rung hoặc lưu dữ liệu vào thẻ nhớ SD, nhưng nó không nên cần quyền đọc tin nhắn SMS hoặc tiếp cận danh bạ điện thoại. Sau khi xem xét các quyền này, người dùng có thể chọn đồng ý hoặc từ chối chúng, ứng dụng chỉ được cài đặt khi người dùng đồng ý.
Hình . Yêu cầu chấp nhận các quyền ứng dụng được phép sử dụng trước khi cài đặt
Hệ thống hộp cát và hỏi quyền làm giảm bớt ảnh hưởng của lỗi bảo mật hoặc lỗi chương trình có trong ứng dụng, nhưng sự thiếu kinh nghiệm của lập trình viên và tài liệu hướng dẫn còn hạn chế đã dẫn tới những ứng dụng hay đòi hỏi những quyền không cần thiết, do đó làm giảm đi hiệu quả của hệ thống này. Một số công ty bảo mật, như Lookout Mobile Security, AVG Technologies, và McAfee, đã phát hành những phần mềm diệt virus cho các thiết bị Android. Phần mềm này không có hiệu quả vì cơ chế hộp cát vẫn áp dụng vào các ứng dụng này, do vậy làm hạn chế khả năng quét sâu vào hệ thống để tìm nguy cơ.
Một nghiên cứu của công ty bảo mật Trend Micro đã liệt kê tình trạng lạm dụng dịch vụ phải trả tiền là hình thức phần mềm ác ý phổ biến nhất trên Android, trong đó tin nhắn SMS sẽ bị gửi đi từ điện thoại bị nhiễm đến một số điện thoại trả tiền mà người dùng không hề hay biết. Loại phần mềm ác ý khác hiển thị những quảng cáo không mong muốn và gây khó chịu trên thiết bị, hoặc gửi thông tin cá nhân đến bên thứ ba khi chưa được phép. Đe dọa bảo mật trên Android được cho là tăng rất nhanh theo cấp số mũ; tuy nhiên, các kỹ sư Google phản bác rằng hiểm họa từ phần mềm ác ý và virus đã bị thổi phồng bởi các công ty bảo mật nhằm mục đích thương mại, và buộc tội ngành công nghiệp bảo mật đang lợi dụng sự sợ hãi để bán phần mềm diệt virus cho người dùng. Google vẫn giữ quan điểm rằng phần mềm ác ý thật sự nguy hiểm là cực kỳ hiếm, và một cuộc điều tra do F-Secure thực hiện cho thấy chỉ có 0,5% số phần mềm ác ý trên Android là len vào được cửa hàng Google Play.
Google hiện đang sử dụng bộ quét phần mềm ác ý Google Bouncer để theo dõi và quét các ứng dụng trên Cửa hàng Google Play. Nó sẽ đánh dấu các phần mềm bị nghi ngờ và cảnh báo người dùng về những vấn đề có thể xảy ra trước khi họ tải nó về máy. Android phiên bản 4.2 Jelly Bean được phát hành vào năm 2012 cùng với các tính năng bảo mật được cải thiện, bao gồm một bộ quét phần mềm ác ý được cài sẵn trong hệ thống, hoạt động cùng với Google Play nhưng cũng có thể quét các ứng dụng được cài đặt từ nguồn thứ ba, và một hệ thống cảnh báo sẽ thông báo cho người dùng khi một ứng dụng cố gắng gửi một tin nhắn vào số tính tiền, chặn tin nhắn đó lại trừ khi người dùng công khai cho phép nó.
Điện thoại thông minh Android có khả năng báo cáo vị trí của điểm truy cập Wi-Fi, phát hiện ra việc di chuyển của người dùng điện thoại, để xây dựng những cơ sở dữ liệu có chứa vị trí của hàng trăm triệu điểm truy cập. Những cơ sở dữ liệu này tạo nên một bản đồ điện tử để tìm vị trí điện thoại thông minh, cho phép chúng chạy các ứng dụng như Foursquare, Google Latitude, Facebook Places, và gửi những đoạn quảng cáo dựa trên vị trí. Phần mềm theo dõi của bên thứ ba như TaintDroid, một dự án nghiên cứu trong trường đại học, đôi khi có thể biết được khi nào thông tin cá nhân bị gửi đi từ ứng dụng đến các máy chủ đặt ở xa.
Máy ảo Dalvik
Java được biết đến với khẩu hiệu "viết một lần, chạy mọi nơi" (write once, run anywhere). Tính năng này của hệ sinh thái Java có được nhờ một tầng máy ảo đứng giữa tầng ứng dụng (viết bằng Java) và tầng hệ điều hành (nhiều loại khác nhau), gọi là máy ảo Java - JVM (Java Virtual Machine). Máy ảo Java chạy rất ổn định và đồng nhất trên các môi trường máy tính cá nhân (JSE) và máy chủ (JEE), tuy nhiên trong môi trường di động (JME) thì máy ảo Java bị phân mảnh tương đối nhiều với các gói (pakages), cấu hình (configurations) và các mẫu (profiles) khác nhau.
Google đã chọn Java làm ngôn ngữ phát triển ứng dụng cho hệ điều hành Android, tuy nhiên lại từ bỏ cả phiên bản Java di động (JME) lẫn máy ảo Java (JVM) để phát triển một máy ảo riêng - máy ảo Dalvik và tập thư viện Java chuẩn được viết lại và thu gọn hơn.
Ứng dụng Android được phát triển bằng ngôn ngữ Java, sau đó được biên dịch thành dạng mã nhị phân Java (Java bytecode). Các file nhị phân .class (tương thích với JVM) này sẽ được chuyển đổi thành 1 file nhị phân dùng cho máy ảo Dalvik - .dex (Dalvik EXecutable) trước khi được cài lên thiết bị. Các tập tin .dex được thiết kế để phù hợp hơn với các thiết bị hạn chế về bộ nhớ cũng như hiệu năng xử lý.
Dalvik là một phần mềm mã nguồn mở, ban đầu được phát triển bởi Dan Bornstein, và được ông đặt tên theo tên ngôi làng Dalvík tại Eyjafjörður, Iceland, quê hương của ông.
Kiến trúc
Hệ điều hành Android được thiết kế hướng đến rất nhiều các loại thiết bị khác nhau, từ những thiết bị giá rẻ, cấu hình thấp (low-end) đến những siêu phẩm đắt tiền (high-end). Bên cạnh đó, các ứng dụng Android phải được chạy trong "hộp cát" với độ bảo mật cao, hiệu năng tốt và ổn định, vì vậy việc sử dụng một máy ảo làm môi trường thực thi là điều tất yếu. Tuy nhiên việc sử dụng máy ảo thường sẽ làm giảm hiệu năng của hệ thống. Giải pháp máy ảo Dalvik của Google được đưa ra nhằm cân bằng giữa 2 điểm này:
- Mỗi ứng dụng Android được chạy trong tiến trình riêng, với một thực thể (instance) của máy ảo Dalvik riêng. Dalvik được thiết kế để hệ điều hành có thể chạy nhiều thực thể của máy ảo một cách hiệu quả với file thực thi Dalvik (.dek file) được thiết kế để tối ưu hóa bộ nhớ cần sử dụng. Máy ảo Dalvik là máy ảo dựa trên thanh ghi (register-based), khác với máy ảo Java chạy dựa trên cấu trúc ngăn xếp (stack-based).
- Máy ảo Dalvik sử dụng hạt nhân Linux cho các việc liên quan đến lớp dưới của hệ thống như quản lý tiểu trình (threading), quản lý bộ nhớ cấp thấp... Do mỗi ứng dụng chạy trên một thực thể máy ảo riêng, hệ thống Android không những cần tối ưu việc chạy nhiều máy ảo và còn phải giảm tối đa thời gian khởi tạo máy ảo mới. Phần dưới đây sẽ xem xét 4 điểm chính trong thiết kế máy ảo mà Google đã chọn lựa để đạt được hiệu năng và độ bảo mật cần thiết: cấu trúc file .dex, Zygote, cấu trúc dựa trên thanh ghi và bảo mật.
Định dạng file .dex
Trong môi trường Java truyền thống, mã nguồn Java được biên dịch thành dạng bytecode, ở đó mỗi class trong mã nguồn được biên dịch thành một file .class riêng. Trong hệ thống Android, mã nguồn Java cũng được biên dịch thành các file .class riêng. Tuy nhiên trước khi có thể được cài đặt lên thiết bị, các file này phải được chuyển đổi thành file thực thi Dalvik (.dex) bằng công cụ "dx" có trong Android SDK. File thực thi Dalvik có thể chứa nhiều class bên trong và mỗi ứng dụng Android chỉ chứa một file .dex duy nhất.
File thực thi Dalvik được thiết kế nhắm đến việc tối ưu bộ nhớ trên cơ sở chia sẻ (dùng chung) dữ liệu. Biểu đồ dưới đây phân biệt cấu trúc file .dex với file .class truyền thống.
Hình . Cấu trúc file class của Java và file thực thi Dalvik
Cơ chế chính của file .dex cho việc tiết kiệm bộ nhớ là dùng chung các vùng nhớ chứa hằng số cho tất cả các class. Các vùng nhớ cho hằng số này được chia theo từng loại dữ liệu (hằng số chuỗi, tên trường, tên class, tên method...). Trong mã lệnh của các class bên dưới sẽ không cần ghi lại các tên/hằng số này mà chỉ chứa chỉ số (số nguyên) của nó trong vùng hằng số.
Đối với các file .class truyền thống, mỗi class file chứa vùng nhớ riêng cho các hằng số của class đó. Vùng nhớ này không đồng nhất vì nó chứa tất cả các loại hằng số, không phân biệt theo loại như trong trường hợp của .dex file. Việc lặp lại khai báo các hằng số này ở nhiều file .class khiến tổng kích thước các file .class lớn hơn nhiều so với file thực thi Dalvik.
Theo số liệu thống kê, trung bình trong mỗi file .class, 61% kích thước của file là các hằng số (!!!), mã của các phương thức (method) chỉ chứa khoảng 33%, còn lại 5% cho các phần khác của class. Như vậy việc tiết kiệm vùng nhớ cho hằng số dẫn đến việc tiết kiệm đáng kể kích thước file thực thi (thông thường là khoảng 50%), từ đó tiết kiệm được lượng bộ nhớ cần cấp phát lúc thực thi ứng dụng.
Zygote
Các ứng dụng Android được chạy trong các thực thể máy ảo riêng, vì vậy máy ảo phải được "khởi động" nhanh và sử dụng tối thiểu bộ nhớ cần thiết. Để đạt được điều này, hệ thống Android đưa ra một cơ chế giúp các thực thể máy ảo có thể chia sẻ mã lệnh dùng chung và "khởi động" nhanh, gọi là Zygote.
Hầu hết các ứng dụng Android đều dùng chung một số thư viện lõi và cấu trúc bộ nhớ heap kèm theo nó. Thêm vào đó, vùng nhớ heap của các thư viện lõi này thường chỉ được truy xuất chỉ đọc (read-only). Lợi dụng điểm này, Zygote, một tiến trình máy ảo Dalvik được khởi chạy lúc khởi động thiết bị, nạp sẵn các thư viện lõi của hệ điều hành mà các ứng dụng thường xuyên sử dụng, để sẵn sàng cho các máy ảo sử dụng. Mỗi lần một ứng dụng được chạy, hệ thống sẽ khởi động một máy ảo mới, tuy nhiên máy ảo này sẽ không cần chứa những thư viện lõi, mà sử dụng luôn thư viện lõi trong Zygote, khiến thời gian khởi tạo máy ảo là tối thiểu.
Các thư viện lõi trong hầu hết các trường hợp là "chỉ đọc" chứ không bị ghi đè bởi ứng dụng. Trong trường hợp ứng dụng có nhu cầu ghi vào vùng nhớ heap của các thư viện lõi này, một bản sao của vùng nhớ Zygote sẽ được tạo ra riêng cho tiến trình của ứng dụng đó. Cơ chế "sao chép khi ghi" (copy-on-write) này giúp tối ưu hóa việc sử dụng chung mã lệnh của thư viện lõi mà vẫn đảm bảo tính bảo mật giữa các ứng dụng: việc thay đổi dữ liệu trong bộ nhớ của ứng dụng này không ảnh hưởng đến các ứng dụng khác.
Trong JVM truyền thống, mỗi thực thể của máy ảo Java sẽ có một tập các thư viện lõi riêng cùng vùng nhớ tương ứng cho chúng, không có sự chia sẻ bộ nhớ giữa các thực thể của máy ảo.
Kiến trúc máy ảo dựa trên thanh ghi
Theo truyền thống, các nhà phát triển máy ảo thường lựa chọn kiến trúc dựa trên ngăn xếp (stack-based architecture) hơn là kiến trúc dựa trên thanh ghi (register-based architecture) do việc thiết kế máy ảo và trình biên dịch cho kiến trúc ngăn xếp đơn giản hơn so với trường hợp của kiến trúc thanh ghi. Bù lại cho sự đơn giản là hiệu suất giảm đi.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, kiến trúc dựa trên thanh ghi thường đòi hỏi số lượng mã lệnh thực thi cho ứng dụng ít hơn trung bình là 47% so với trường hợp dùng ngăn xếp. Bù lại, kích thước mã lệnh thường lớn hơn khoảng 25%. Tuy nhiên sự gia tăng về kích thước mã lệnh này chỉ phát sinh thêm khoảng 1.07% tải của CPU. Các trình đánh giá tiêu chuẩn cho thấy hiệu suất tổng thể của máy ảo dựa trên kiến trúc thanh ghi cao hơn khoảng 32.3% so với kiến trúc ngăn xếp.
Với yêu cầu chạy trên các thiết bị với hiệu năng tính toán thấp, việc máy ảo Dalvik lựa chọn kiến trúc thanh ghi là hoàn toàn hợp lý. Mặc dù kích thước mã lệnh lớn hơn trung bình 25%, việc sử dụng vùng nhớ chung cho hằng số của file .dex giúp kích thước mã lệnh giảm đi đến 50% khiến file thực thi Dalvik vẫn hiệu quả hơn đáng kể về mặt bộ nhớ so với các file .class truyền thống.
Bảo mật
Mặc định theo kiến trúc bảo mật của hệ điều hành Android, mỗi ứng dụng không có quyền thực thi bất cứ thao tác nào ảnh hưởng đến các ứng dụng khác, đến hệ điều hành hay người dùng, bao gồm: đọc/ghi dữ liệu cá nhân (như danh bạ, email...), đọc/ghi file dữ liệu của ứng dụng khác, thực hiện kết nối mạng, giữ màn hình luôn sáng...
Tính năng này được thực hiện từ tầng hệ điều hành và tầng khung ứng dụng (application framework) chứ không phải bên trong máy ảo Dalvik. Mỗi ứng dụng được chạy trong một máy ảo riêng, máy ảo này lại được chạy trong một tiến trình riêng. Mỗi tiến trình được chạy dưới một mã người dùng (user ID) riêng, được sinh ra lúc cài đặt và được phân quyền chỉ được truy cập một số tính năng nhất định của hệ điều hành và các tập tin riêng của mình. Nếu ứng dụng có các yêu cầu đặc biệt đến các tính năng khác của hệ thống thì phải khai báo các quyền tương ứng trong file mô tả ứng dụng (AndroidManifest.xml) và sẽ được cấp các quyền này lúc cài đặt nếu được sự đồng ý từ người dùng.