基于容器原理(docker、lxc、cells)的Android 双系统设计概要

写在前面

最近一两年预研加开发android双系统；中途用过不少开源代码或者研读过大牛BLOG，现开放双系统设计原理来回报社区。

备注：我是在android6.0上实现的。

 

这个项目的原型来自于，哥伦比亚大学虚拟化研究室的一篇论文(也有一个DEMO)，后来一个以色列公司cellrox在2014年进行了商业化，2015年的时候浙大一个操作系统研究室也出了一个DEMO(名称叫Condroid)。
哥大论文地址：http://systems.cs.columbia.edu/projects/cells/
浙大项目地址：http://condroid.github.io/
以色列公司官网：http://www.cellrox.com/
浙大的项目本来有源码的后来取消掉了，剩下文档了，对android源码比较熟悉，能复原代码的。

我的github：https://github.com/jianglin05290712/cells-of-Android 有更新

 

Android 6.0 huawei 6p nexus : fastboot img  https://pan.baidu.com/s/1G1risnbT0Usy_NL6VDbovQ

 

 

原理：
同docker、lxc、cells的原理一样，利用kernel中的namespace+cgroup来实现android容器的。

 

启动篇：
必须要有一个能启动init进程的容器生成进程，kernel启动一个init以后，根据rc文件启动一个容器生成器进程，我姑且叫celld，该进程的源码在我的github中有了，非常容易理解。

 

文件系统：
容器的文件系统也是在celld中挂载的,容器的根目录是利用chroot命令实现的，然后在根目录中进行如下操作：
1、根文件系统的挂载:在主系统的data目录中mount rootfs文件系统，当做容器系统的根文件系统。
2、system文件系统的挂载:直接将主系统的system目录mount（bind）成容器系统的system分区。
3、data文件系统的挂载:在主系统中创建一个临时目录，然后把这个临时目录mount成容器系统的data分区。
4、sdcard 文件系统的挂载:原理同data分区一样（android6.0以后sdcard 采用的是fuse文件系统，这里需要注意一下是否需要变更）。
5、根文件系统的所有文件需要主动拷贝，system文件系统则不需要。

 

init进程：
在celld中主动启动init进程，当做容器系统的init,在celld源码中有如下大致步骤：
1、利用clone系统调用启动容器系统的init进程。
2、clone 系统调用需要一系列namespace 标记来创建属于容器系统的命名空间。
3、然后需要给这个init进程分配cgroup资源。
4、最后需要调用chroot函数给容器系统分配根目录，实际上它是主系统中的一个目录而已。

 

binder设备的虚拟化：
这个驱动是android系统的核心，第一步一定要把它实现好，因为所有的android servie都会注册到binder驱动中，容器系统的android service同样会注册到binder驱动中的，那么问题来了，相同的服务名只能注册一次。
binder驱动是一个字符设备，所以binder驱动虚拟化就是重新构造binder的数据结构，让容器系统能在binder驱动中有其独立的数据结构,这个驱动的源码，在哥大的DEMO中是有的，有兴趣的可以参考。
此外binder驱动的虚拟化还要实现一个很重要的功能，就是容器之间能互相访问对方的android service，这样后续很多设备的虚拟化就可以在此基础上实现。

 

display虚拟化：
显示的虚拟化要利用容器系统间能互相访问service才能实现，主系统运行surfaceflinger，容器系统不运行surfaceflinger，而是通过binder驱动访问主系统的surfaceflinger,当然surfaceflinger的代码也得改一改，让所有容器系统的surface互相不干涉。
这个驱动的虚拟化，在哥大的demo中也有实现，不过哥大的demo是在android4.4的基础上实现的，当时android源码中还没有ion这个驱动，android5.0以后有了ion这个驱动以后，哥大的display虚拟化方式是无效的，
有兴趣的可以看一看，它是在kernel中实现的，简单过程如下：
1、display虚拟化的重点在于，非当前系统也需要实时更新画面，不能简单粗暴的进行阻截，只是这个非当前系统的画面要隐藏起来，不能投射到屏幕中。
2、当非当前系统使用mmap映射显存时需要映射的是内存，将所有像素数据保存在内存中。
3、当发生系统切换时，就可以将内存中的像素数据复制到显存当中。

 

input虚拟化：
触摸屏的虚拟化，哥大的demo也有，非常精良可以看看，主要思路就是：阻截非当前系统的event事件上报，同时需要注意系统切换时容易给“消失的系统”造成“留点”问题。

 

网络的虚拟化：
网络的虚拟化有两块，一个是wifi的，另一个则是数据流量的，但是二者实现原理都是一样的,我自己实现了两种办法：
1、容器系统不隔离网络namespace，所有容器系统和主系统共享七层网络，但会有很多问题需要解决，同时也不太安全，或者叫不太敢用，如local socket 不能同名、netlink socket ID不能相同...
2、网络设备运行在主系统中，利用veth网络设备联通容器系统和主系统，而在第三层网络中实现路由转发，这个是非常靠谱的个人感觉。
3、网络设备运行在主系统中，利用veth网络设备联通容器系统和主系统，而在第二层网络中实现桥接，这个不适合wlan，因为wifi只有p2p模式和热点模式，不能进行桥接，数据流量是可以的。

好了，到此一个运行于手机中的容器android基本就能跑起来了，其实只要实现binder的虚拟化和display的虚拟化就能跑起来了，有问题请留言，有问必答！

 

此外：我们还尝试过将kvm-qemu移植进android手机中，手机中跑一个运行android系统的虚拟机，类似vmware这种模式！,在另一篇blog有关于GPU怎么虚拟化的办法，效果比真机略差15ms！！！

 

基于容器原理的android双系统，实现起来比较简单，但没什么鸟用，市场不大，只能当作噱头

基于kvm原理的android虚拟机，实现难度大，如果能优雅实现，将是移动互联的vmware