導言
Android應可說是科技界2009年第一大事。Android前身為一公司，被Google買下後繼續開發，以開放源碼的方式發行，還成立了Open Handset Alliance (OHA)作為支持Android的商業組織。其中成員如Qualcomm, TI, Wind River等在各自領域都赫赫有名，尚未上市就已經相當轟動。開放源碼（Open source）的手機作業系統，其實在此之前已經出現數個，例如Qtopia1以及其後雷聲大雨點小的Openmoko，再如當時以行動上網裝置（Mobile Internet Device, MID）為主的Maemo等等。不過，Qtopia與Openmoko的成熟度當時並未達到商業化需求，而日前Nokia雖然已經基於Maemo發表了新一代智慧型手機N900，但當時Maemo仍侷限於行動上網裝置，而非電話。
換言之，Android除了擁有眾多大廠支持，而且在開放之初就發表了T-Mobile G1，有產品可證明商品化能力。這意味著，長久以來受制於Windows Mobile，又無能力開發自有作業系統的手機廠商，看見了站在巨人肩膀上做出自有產品的可能性。從2008年底開放以來，2009年HTC, Samsung, Motorola, Acer等等都發表了Android手機，而看來2010年中還有更多。究竟 Android 有什麼特點，與以往根基於Linux的手機差別何在，以及面對其他手機作業系統的競爭有何優劣等等，本文嘗試做一介紹與探討。
技術面淺探
要談Android，就無法迴避技術面的討論，但在此會忽略細節以及犧牲一些語言精確度，試著做一簡介。
系統架構
Android作為一作業系統，其針對的硬體為智慧型手機，並在設計伊始就考慮到3G網路以及觸控螢幕、相機、GPS等現代應用。作業系統作為裝置與人之間的媒介，以及負責讓手機正常運作。與人接軌的那端，使用者介面、應用程式等，一般稱上層。而與機器接軌的部份，比如對打電話的控制、無線網路晶片、顯示圖形到螢幕上、接受觸控螢幕收到的手指觸摸等等，就是由底層來負責。在此我們先由下層開始介紹，再步步往上。
(http://developer.android.com/images/system-architecture.jpg)
Linux Kernel
必也正名乎：一般所稱Linux，其實是統稱，指根基在Linux kerne以及其他許多跟kernel不見得有關的軟體所組成的作業系統。最早，Linux一詞其實是專指kernel，它提供了系統底層與硬體間的基本核心，讓其他程式可以在上頭執行。其最早作者是Linus Torvalds，他用自己的名字，加上採用了與Unix系統相容的介面，將自己的作品命名為Linux。
如前所述，在Linux kernel上頭執行的程式，跟kernel本身不見得有關係。可以是自由軟體，也可以完全不是。把它加上一些自由軟體，例如基本的函式庫、工具、圖形介面，應用程式等等，所組成的一套完整作業系統，才是一般所稱的Linux。為了避免誤解，而且也為了正確傳達自身的貢獻，自由軟體基金會2 建議大家稱呼這樣的一套作業系統為GNU/Linux。其中的原因是，kernel提供底層機制，但系統中其他重要元件幾乎都是來自於GNU，也就是自由軟體基金會。
希望大家還沒被這些名詞搞混。要弄清這些不同的原因是，Android是在Linux kernel上頭運作的，但他並不是GNU/Linux。因為在一般 GNU/Linux裡面會有的東西，Android幾乎都沒有。
Linux kernel的版權是GNU General Public License version 2 (GPLv2)3，這又是什麼玩意呢？GPLv2是所謂的Copyleft4版權，簡單來說，就是為了確保智慧財產能夠繼續公開流傳，所以任何基於此創作的延伸創作，都自動採用了相同版權。GPL本身還有個特色，就是「共同運作」也算是延伸的一部分，意思是說你的程式沒直接改GPL的程式碼，但是連結了GPL的東西跟你的程式共同運作，那你的程式也必須採用GPL版權。
舉例來講，假定今天某公司覺得某GPL軟體不錯，拿來改了改，放在自己的產品裡頭拿出去賣，那某公司就一定要明確的一起散佈修改後的程式碼。如果沒有，那就是觸犯版權了。有個組織叫GPL Violations5，專門抓這種案例，國內公司如D-Link以及ASUS都上 過榜。這下問題來了：如果你是硬體廠商，希望你的硬體能在Linux kernel下運作，那麼就必須要有驅動程式。驅動程式就是按照硬體的規格寫的程式，用來告訴kernel怎麼操作這個硬體。如果驅動程式的程式碼公開，等於就是揭露了一些內部資訊。許多廠商不願意這麼做，所以就提供編好的驅動程式，但不提供原始碼。而kernel的版權所有者，也就是Linus Torvalds以及其他許許多多的kernel作者們，為了支援盡可能多的硬體，對這種行為是採取睜一隻眼閉一隻眼的態度，也就是目前這種編譯好的驅動程式，算是處在灰色地帶。
既然Android採用了Linux kernel，當然得照遊戲規矩來。但我們從前文可知，Android的重點就是商業應用，他們可不願意系統裡有什麼「灰色地帶」，於是採用了一些手法來繞過這問題。例如可以在 kernel這邊開個小通道，告訴大家說要控制這硬體就透過我吧，我只負責傳進傳出，但真正控制的指令都寫在某個不公開程式碼的Android函式庫裡頭。這樣一來，公佈的就只有那個通道，實際要怎麼控制，別人還是不知道。
走筆至此，可以看出Google的原則之一 “Do no evil” 是很有意思的。他們自己的確承諾，而且也願意公開Android的程式碼，但是他們給了其他人“Do evil”的選擇。這樣還算不算是 Do no evil 呢？當作哲學問題吧。
然而，Linux kernel已經發展了相當長的時間，擁有許多優秀的開發者以及廣大的使用者群，是非常穩定的系統核心。這為Android系統提供了相當穩定快速的基礎建設。
Libraries
這裡說的libraries是跑在系統裡頭的函式庫，採用的語言不是Java，他們提供了許多基礎建設。裡頭有幾個值得一提的元件：
Bionic：這是Android版的 libc。libc是 GNU/Linux以及其他類似Unix系統上最基礎的函式庫，一般最常用的是glibc，就是GNU做的libc。而在較小型的裝置上也可以用uclibc之類的。不論是glibc or uclibc，版權都是LGPL6（GPL的略為弱化版）。看到這大概可以猜到了吧，又是Copyleft問題。官方的說法是，除了版權問題以外，還考慮必須輕量以及快速，所以才做了自己的libc。不過輕量、快速，本來就是小型裝置用的uclibc一開始的目標，因此，最主要的恐怕還是版權問題。
Webkit：鼎鼎大名的Apple Safari瀏覽器背後的引擎就是Webkit，Android也包含進去了。支援可離線使用的html 5新發展，產生了各種有趣的可能，這部分值得另文介紹，這裡就不再贅述。
硬體抽象層（Hardware Abstraction Libraries, HAL）：提供了操縱系統硬體的方法，上頭接上標準的Android framework，就可以讓使用者用一致的方式操作硬體。例如程式只要下令「拍照」，那麼雖然不同相機硬體拍照的指令下法不同，透過抽象層都可以包裝成一致的介面。HAL包含了Android對各硬體裝置例如顯示晶片、聲音、數位相機、GPS、3G 等等的需求，但他只是抽象的概念，事實上若要支援新的硬體，需修改的程式碼分散各處，要自行去尋找。這部份與系統廠商息息相關，後面會再談到。
Android Runtime
跨平台：Android最顯著的特徵之一，就是應用程式可以在不同的硬體上執行，而有同樣的行為。這聽起來沒什麼，一般我們用Microsoft Windows不就是如此嗎？其實並不那麼單純。可以想像，假定有一台Windows XP電腦，也有一隻Windows Mobile手機，那麼手機上的程式有沒有辦法拿到XP上面來跑，或者是相反呢？在電腦上，所有人跑的作業系統跟硬體，其實有很高的一致性，但是一旦到了小型裝置五花八門的世界，就不是那麼回事了。
一個程式的執行，牽涉到幾個元素：原始程式碼、編譯器、函式庫、CPU。Android的應用程式是採Java程式語言寫成，跨平台的方式也與Java類似。Java頗為普及，且之前在手機方面已有許多應用如遊戲等，稱為Java ME，由昇陽（Sun Microsystem）主導。一般所謂Java其實包含三個層面，其一是Java這個「電腦語言」，也就是像這樣的東西：
class HelloWorld
{
public static void main(String [] argv)
{
System.out.println("Hello, world!");
}
}
也就是用人比較容易看懂的語言（也許不那麼容易啦，但至少比一堆0跟1來得好）來叫電腦做事，比如上個例子是在螢幕上印一行字Hello, world。所謂程式的原始碼，就是一整篇這樣的文章，結合起來，可以叫電腦執行某些功能。這樣的語言比自然語言容易「翻譯」成電腦看得懂的「指令」，而負責翻譯的，就是「編譯器」。
電腦的核心CPU有很多不同種類。一般我們用的是Intel的產品，有些是32位元、有些是64位元。有些人用的可能是Power，例如以往蘋果電腦的使用者。還有一些小一點的電腦，可能就是用ARM架構。總之，不同的CPU具有不同的指令集合，是不能直接互通的。在此我們可以想像，同樣的程式碼，可以經由編譯器，翻譯成適合不同CPU架構的程式，而他們之間是不能互換的。例如編給ARM使用的程式，在Intel的CPU上頭就不能跑。要如何解決這個問題呢？
這裡引入第二層面：「Java 虛擬機器」（Java virtual machine）。虛擬機器可以想像成一虛擬的CPU，先設定一些共通的指令，然後針對各種不同的架構做個別轉換，如此只要是採用此「共同指令集」的程式，就可以在這虛擬機器上面執行，由虛擬機器負責轉換成目標CPU的指令集。如此一來，我們只需要把用電腦語言寫好的程式編譯成「虛擬機器」看得懂的就行了。Java使用的共通指令就稱做 “Java bytecode”。
最後則是Java runtime library，也就是一個「函式庫」，裡頭存了很多編譯好的現成程式，來讓開發者使用，這樣就可省下很多重覆的工作。比如上頭這例子裡頭的System.out.println就是函式庫提供的。那我們可以想像，如果在程式中我們用了很多某個函式庫裡頭的東西，但是用的人只拿到編譯好的程式，但沒有同樣的函式庫，那這程式還是不能用。比如說，Windows, Linux提供的基本函式庫就很不一樣，所以做同樣事情的程式，寫法可能完全不同。Java函式庫裡頭提供的工具，是有標準可循的，所以以上的程式，不管是要在Windows上頭跑，或是Linux上頭跑，都是一樣的寫法。
於是乎，我們可以把Java runtime library跟Java虛擬機器搭配起來，這樣我們只要用Java這個語言寫程式，裡頭呼叫Java runtime library裡頭的工具，用編譯器編成Java bytecode，交給虛擬機器去執行，就可以在各種平台上面跑一樣的程式了。這兩者的組合稱為「Java Runtime Environment, JRE」，只要針對某環境提供JRE，就可以執行Java應用程式了。雖然這聽起來很棒，但我們可以想像，由於隔了一層虛擬機器，程式跑起來容易比直接下命令來得慢，而且必須額外安裝JRE，用掉較多資源。
Java Runtime讓人們可以在不公開原始碼的情況下，發行編譯好的應用程式，在各種不同的平台上執行，相當適合商業應用。Android循著相同架構，也提供了Android Runtime，但有幾點不同。
Android使用的虛擬機器叫作Dalvik，原本並不是針對Java設計的。它認識的指令集並不是Java bytecode，而叫Dalvik executable，簡稱dex。Android裡頭提供了一個工具程式叫dx，可以把 Java bytecode再翻譯成dex，這樣Dalvik就可以執行它了。這虛擬機器為了適合在電話這種比較小型的平台上使用，而做了許多最佳化的處理，例如適用較慢的CPU、低記憶體使用量、減小應用程式的大小等等。
Android虛擬機器與函式庫合稱Android Runtime，在函式庫方面，提供了大部分的標準Java函式庫，讓Java工程師可以無痛的轉換，而關於手機的部份則提供許多諸如使用者介面、藍芽、GPS相關、網路、3D加速、影音、以及電話本身等等許多現成的函式可用。這些函式使得開發者可以直接取用基礎功能，進而專注於應用程式的開發。
Application Framework
提供應用程式執行環境，針對手機設計，許多觀念與一般個人電腦應用程式有相當不同。在此將開發者網站上的說明大略翻譯如下：
應用程式元件
Android的重要功能之一為，應用程式可在對方允許的情形下，使用其他應用程式的元素。例如，如果你的應用程式想要顯示一排可以捲動的影像，而另一應用程式已經開發出了適合的捲軸元件，並開放給他人使用，你可以直接呼叫這元件來使用，而不需自行開發。你的應用程式不需要包含他人的程式碼，也不需固定連結到某程式。反之，Android框架會在有需要時，自動啟動其他應用程式的相關功能。
要順利運行，系統必須能夠在需要其任一元件時，啟動一應用程式程序，並做出需要的Java物件。所以，與大部分系統上的應用程式不同，Android應用程式並沒有一個單一的「進入點」來使用所有功能。反而是，他們提供元件讓系統可以視需要使用。元件類別有四種：
Activities
Activity表示一使用者介面，用以完成某特定事務。例如，activity可呈現一選單列表，或是顯示相片跟標題。簡訊軟體可能包括一個列出所有傳簡訊對象的activity，一個讓使用者對選擇對象寫簡訊的，以及其他的activity來看舊訊息以及設定功能。他們雖然組成一個使用者介面，但各元件互相之間仍是獨立的，例如，其他軟體需要傳訊時給某人時，可能只需叫出「寫簡訊」的activity，而不需其他。
一應用程式可以只包含一個activity，也可以像剛才描述的簡訊軟體一樣，包含好幾個。當然，需要哪些，以及要多少，都是取決於應用程式的設計。一般來說，其中一個activity會被標為程式執行時第一個看到的畫面。由一個activity移動到另一個，是利用目前的來呼叫下一個。每個activity都分配到一個預設的視窗，可以在裡頭畫東西。一般說來，這視窗跟螢幕一樣大，但它也可以比螢幕小，並浮在其他視窗上。而activity也可以開多個視窗，例如跳出一個視窗來取得使用者回應，或者是針對使用者選擇顯示重要資訊。
視窗內部的視覺組成是由樹狀結構的”view”組成，每個view可以包含其他view，控制視窗中一塊長方形的區域，並可跟使用者互動。換句話說，view可組成activity與使用者互動的「實相」。Android系統中有許多現成的view可供取用，例如按鈕、文字欄位、捲軸、選單、勾選格等等。
Services
Service並沒有可見的使用者介面，而是在背景永久執行。例如，當使用者做其他事情時，service可能在播放音樂，或正從網路上抓取資料等等。
Broadcast receivers
唯一功能為收取以及回應「廣播訊息」。廣播經常來自Android系統本身，例如，手機所處的時區改變，電池快沒電了，或是剛照了一張照片，或是使用者剛改變了顯示介面的語言等等。應用程式也可以發出這類廣播，例如，讓其他應用程式知道某些資料已經下載完成，可以使用了。
一應用程式可以有任意數量的broadcast receiver來收取任何它認為重要的訊息。它沒有使用者介面，然而，他們為了回應廣播訊息，可以呼叫某個對應的activity，或者是發出一訊息通知來告訴使用者發生了什麼事情，以及震動、播放音效、閃爍軌跡球等等。
Content providers
負責對其他應用程式提供或收取資料。資料可存放在檔案系統中，或資料庫、或任何合理的方式。例如：通訊錄。
任何時候，當系統需要某一特別元件時，Android系統會先肯定擁有這個元件的應用程式正在執行，如果沒有，就啟動他。另外還會確認此元件是否已經存在於系統中，若視沒有，就製作一個。
啟動元件：intents
Content provider在有人需要存取時便會由系統啟動，而其他三類元件：activity, service, broadcast receiver都是由一種叫intent的訊息啟動的。一個intent表示的是一種「企圖」。例如，它可能是要求「顯示這張圖片」，或者是「編輯這段文字」，或「編一段訊息傳給這個人」。比如說，某應用程式想傳訊給通訊錄中的某一人，可先發出企圖「瀏覽通訊錄」，則系統中負責此事的元件便被啟動。選取對象後，便呼叫「編輯簡訊」的元件來編輯並接著發送出去。
關於應用程式運作，詳細情形可參考開發者網站上的說明7，在此就不詳述了。
Applications
要開發Android應用程式，並不需要下載整個平台的程式碼，只需要採用Google發行的軟體開發工具（Software Development Kit, SDK）即可。使用的電腦語言是Java，並內建模擬器，可直接驗證寫出的應用程式，而不需擁有實體手機。建議的開發環境為Eclipse，此軟體亦為開放源碼專案，不需付費即可使用，許多公司如IBM等亦根基於Eclipse推出了自有的工具，可說應用相當普遍。Google在這部份提供了Eclipse的一個延伸套件，與模擬器、除錯等等都有整合，並提供完整文件，進入門檻降得相當低。
延伸閱讀：
- http://www.betaversion.org/~stefano/linotype/news/110/ (Dalvik: how Google routed around Sun’s IP-based licensing restrictions on Java ME)：關於 Android 如何繞過 Java ME
- http://blogs.sun.com/jrose/entry/with_android_and_dalvik_at (with Android and Dalvik at Google I/O)：對 Dalvik 有興趣的話一定要看
- http://sites.google.com/site/io/anatomy–physiology-of-an-android (Anatomy & Physiology of an Android)：Google 對 Android 平台內部架構的概觀介紹
