全面认识Android OS

全面认识Android OS

在Android刚起步的那几年（2011年前及左右），我们同时下注了Android、Intel联合几个厂商搞的Meego、还有基于Linux的嵌入式OS。那时，中移动的OMS也很火，甚至OMS搞出了一个叫播思的公司。播思里边有非常多的人才，其中很多人来自中国手机界的黄埔军校——摩托罗拉。从这个角度看，Android OS在早期也是看不准，没人觉得它一定会成。
Android最终还是成功了，我个人感觉这个不全是技术的因素，但有几个关键因素还是和技术有关：

1. 使用Java作为开发语言绝对是很关键的因素之一——毕竟，迎合开发者非常重要。Java终归是比C++/C要简单，容易上手。

2. 另外，Android底层是Linux，这一块就把绝大部分做外设的厂商吸引过来了。它们本来就为Linux开发驱动或者相关模块，迁移到Android没太大工作量。

3. 最后，还有关键的芯片厂商——高通的支持。如果当时只有Intel一家做芯片的话，Meego保不齐还能多蹦跶几年。

以前CSDN《程序员》杂志里经常有一位作者的投稿，我看他的个人介绍就很有意思，说是要为Linux摇旗呐喊。所以，Android之所以成功，就在于太多人为它摇旗呐喊了。搞软硬件开发的，搞培训的…真是人心齐泰山移呀！

Android彻底占据市场之后，基于H5的OS又来了一波小高潮。2013-2014年左右有个Firefox OS，还在国外装了不少机器。FireFox OS是全兼容Android的。所谓的兼容，就是原来归属Android OS的功能都保留，然后再对H5的APP提供了一些功能扩展而已。

相比Android，给Firefox OS摇旗呐喊的人就少多了。而且还要兼容Android OS——那么，每次Android OS更新，Firefox都要去适配，更改。这工作量就非常非常大了。最后Firefox OS就歇菜了。

以上是历史情况——它说明了一个事实：没有哪个OS天生就是赢家，形势是变化的。另外，我们很多人要感谢Android，可以亲历一个OS从零到如此强大的过程，时间跨度非常短，七八年就搞起来了。

现在开始我们关于对Android OS的一些科普性介绍。

Android系统架构——垂直角度来看

下图是Android OS的整体架构。99.999%搞Android的人都知道：

从垂直角度来看，Android OS分为四个层次（这是我的划分，别家的说法大同小异，其中有些内容比较老了，比如Dalvik虚拟机已经换成了ART，但不影响我们对这个架构的认识）：

• 最底层是Linux Kernel层。请各位看官特别注意这一点，它再强调一万次也不为过——Android OS的基石是Linux kernel。除了Kernel层，User Space中围绕Linux Kernel相关的东西也被Android OS照搬了过来，比如ueventd，wpa_supplicant等。
• 中间两层由下到上是Native Framework层和Java Framework层。这两个是Android独有的。我们统称这两层为Android Framework。
• 最上层是应用层。正是基于Android Framework，才使得Android上的应用如此与众不同——作为对比，如果写个无界面的比如ls，find这样的程序，它们在所有基于Linux/Unix的系统上都是一样的运行。这样的程序我们一般认为是Linux应用程序——肯定不会把ls当做Android应用。

上述四个层次中，Kernel历史最悠久，到今天就剩下大概Windows，Linux、MacOS三个巨头了（Unix和Linux、Mac有亲缘关系，在消费类电子产品中见得少，所以不讨论Unix）：

• Windows归微软所有，搞了几十年，参与一起玩的设备厂商，软件开发商几十万家。
• 和Unix有亲缘关系，开源的Kernel，上面有好多发行版，比如Ubuntu，CentOS等，国产的优麒麟也是。
• 也和Unix有一定亲缘关系，苹果独有。参与一起玩的设备厂商，软件开发商也有几十万家。
  以上唯有Linux不归某个公司独有。所以，Android使用Linux是必然的选择。如果我们要搞国产自主OS的话，最大可能性也是基于Linux，比如现在的优麒麟，以前的红旗都是这样。

这并非技术牛不牛的问题，而是Linux Kernel可看做是全人类共有的软件财富。遵守它的要求，不要搞独立王国，一起用好它即可。再说，Linux Kernel发展了几十年下来，很多国人（包括国内很多公司）为它做出过许多大大小小甚至卓越的贡献。俗话说，前人栽好树，后人好乘凉。如果从头到尾，从上到下都要“自主”，干脆连计算机编程语言都不要用国外发明的了。

继续我们的讨论。

Android Framework——没有层次关系
大部人眼里，Android OS的架构都是上面那样的垂直关系——这个认识没有错，但是并不完全准确。如果我们以功能模块为单位来观察其中的Android Framework（Native Framework和Java Framework的统称）的话，你会得到大概下面这样的图：

以功能为单位来观察Android Framework的话：
Java Framework包含几大类的服务，比如和应用中四大组件调度功能有关的组件，专门管理窗口的组件，应用程序安装有关的功能组件。还有和网络有关，蓝牙功能有关的组件等等。我在《深入理解Android 卷2》里将它们大概分了七大类。现在的最新版本里这个类别有所增加，比如对Android Auto（针对车载系统）里增加了几个和车载有关的功能模块。另外，请注意，上述划分纯属我个人的分类，并不存在什么标准。

Native Framework也可以像这样按功能来进行划分，比如和音频相关的AudioFlinger、AudioPolicyService等。

通过这一节，你知道了：
Android Framework里其实是有很多功能模块的。

这些功能模块有可能是放在Java Framework里，也有可能是Native Framework里。

更有甚者，这些功能模块可以分布在多个进程中，彼此之间，或对应用层以Binder方式进行进程间交互。

知道上面这些东西有什么用呢？接着看。

Android OS是微内核的OS
关于内核，一直有微内核和宏内核之分。使用微内核的有Windows和Mac、使用宏内核的是Linux。那么，什么微内核，什么是宏内核？下图简单解释了微内核：

我里简单描述下微内核和宏内核的差异（点到即止，非技术严格）：

• 微内核就是内核只做一些基本的服务（比如操作CPU，进程调度，内存管理、设备管理等）。然后将其它功能独立为除内核之外的多个进程。微内核最大的诟病就是其它进程和内核之间的交互属于进程间通信，开销比较大。

• 宏内核就是把上图中的所有东西都塞到内核里。这样大家都运行在一个进程里（主要是指共享同一个内存空间——内核地址空间），如此可极大减少模块间交互的开销，但问题就是一旦有一个模块出问题，整个kernel都可能挂掉。

了解微内核和宏内核的差异后，我们再来看Android。如果我们认为Android是一个OS的话（后面会讲为什么可以将Android看成是一个OS），它是微内核还是宏内核呢？接着看下图：

上面这个图展示了Android 四个层级间的交互：

• Native Framework、Java Framework均有和Linux交互。
• Java Framework中的部分模块和Native Framework中的部分模块有交互。
• APP和Java Framework有交互。某些情况下也可以和Native Framework模块交互（图中并未画出相关的箭头线）。

结合我们上文提到的，**Android Framework中的功能模块并非都挤在一个进程里，而是分散在不同进程中，功能模块之间通过进程间通信的手段交互。**所以，从应用的角度看，Android OS肯定是一个微内核。

现在，我们再看看为什么可以把Android称之为一个OS——这个问题的答案其实在上面已经隐含得回答过了，就是上面说的那句话“正是基于Android Framework，才使得Android上的应用如此与众不同”。

是的，Android之所以可以说自己是个OS，在于它新搞了一套应用开发及交互规则。

关于这个规则，下面举两个非常简单的例子。一个是启动应用时，源Activity和Android Framework的交互过程：

对于这个图，我并不是让大家去了解具体交互的细节。一看这个图，你就发现这玩意为Android独有。

当然，在Android中你也可以做一个不遵守这样的应用程序。比如手机中的开机动画，就是Linux应用程序——程序名叫bootanimation，它就没有什么四大组件，也不需要Manifest，纯纯得一个播放动画/图片的Linux程序。

我曾经在2010年左右实践过直接使用libskia来做UI控件相关的应用——Android中的那些控件其内部就是使用libskia为二维图形库（3维绘制则使用OpenGLES）。libskia也就是现在的Flutter底层绘制引擎。

我当时想法很简单，就是想对一些使用Android系统的非手机设备（用在场景比较简单的设备上，比如刷卡买个汽水之类的。那个时候，这些设备的性能都非常简陋，跑不动全套Android，必须裁剪），完全可以使用自定义的基于libskia图像库的控件来画UI。因为大部分情况下，只要把UI画出来就好，剩下的调用驱动就行了。什么四大组件，统统都不需要。

拜Flutter所赐，libSkia现在有一些知名度了，但它的价值依然被大部分人低估。目前我知道还没有哪本专业书籍是介绍这个的。

车载系统（对时延要求很高，使用全套Android对速度影响很大，往往需要裁减）或者哪个公司想搞OS，开发一套二维绘制引擎非常关键——说白了，应用开发中很大部分比例都是UI。

我记得还有好几个Linux发行版让界面看起来和Windows一样。BTW，3D绘制引擎反而不用在意，因为太难，怕各家瞎搞，所以早就有OpenGL标准…

接着来看另外一个例子——播放视音频：

Android上，一个应用要播放视音频的话，依赖MediaPlayerService、SurfaceFlinger、AudioFlinger、硬件编解码模块等。这套东西也不是Linux带过来的，而是Android搞出来的。

我记得以前在Windows上做播放器的时候，应用程序需要自己加上编解码和播放的功能，使用DirectX。这就是每个应用的独家秘籍，谁家支持得格式多，谁就厉害了。

放到Android上来，编解码，播放功能均由系统提供了，应用程序再也不用操心这些东西。这无疑是一个很大的进步。

上面举了两个非常简单的例子，想必现在我们确实可以大大方方将Android称之为OS了。因为它在Linux Kernel之上做了大量的非同一般，独立自主的功能。说实话，对Android应用来说，它是不是与运行在Linux上都不重要，只要有Android Framework就足够了——早在2011年，我的CSDN博客文章“移植之乱谈”

（https://blog.csdn.net/Innost/article/details/6954556）中，有个哥们把Android Framework整个移植到了Windows上。注意，并不是现在模拟器那样的使用虚拟机喔！上面的视频好像还可以看，大家可以看一下。

Android手机发布和更新的过程示意

很多人不了解Android手机系统发布和更新的过程，总吐槽AOSP新版本发布后还要过好久自己的手机才能更新到新版本。这个问题的解释见下图：

①谷歌首先发布版本，我们称之为AOSP原生代码。AOSP原生代码只支持极少数几款手机。

②然后是芯片厂商在AOSP基础上发布自己的版本。比如高通，华为，MTK。①和②的过程有重叠，主要还是为了加快发版速度。在②这个阶段，每个芯片厂商会在AOSP原生代码上叠加自己的功能，比如以前AOSP没有双卡双待功能，这些功能有一些是芯片厂商自己加的。另外，芯片厂商还要针对自己发的版本做大量稳定性测试。

③华米OV等终端厂商并不直接使用谷歌的原生代码，它们其实使用的是所用芯片厂商提供的Android代码。然后，设备厂商还得魔改一下，加上终端厂商自己的特性。这就是MIUI，EMUI，ColorOS等的功能。

④现在大部分终端厂商使用芯片厂商的Turnkey方案，主要是CPU+通讯模组，芯片+软件打包卖给终端厂商。少数公司比如魅族使用的CPU是三星，而通信模组不知道哪一家，那么魅族就需要把三星的CPU和别家的通讯模组整合到一起，难度比使用Turnkey方案得大一些。

⑤终端厂商集成完后，还需要考虑运营商定制的情况，然后加上对应的运营商定制功能，并做对应的测试。

了解上面的情况后，光从测试角度看，源码从谷歌发布到最终的手机上，测试的工作量都非常大——所以到终端消费者手里的速度会慢多了。厂商的解决办法就是在新款手机上直接使用新版系统，老款手机往往要等一段时间才会发布新版升级包。

总之，在Android手机世界里，谷歌、芯片厂商、终端厂商，运营商都是生态链里的关键玩家，四者互相影响。从终端厂商角度看，我觉得芯片厂商对终端厂商的影响力更关键和致命。最简单来说，高通要是不更新更好的芯片，很多手机商的产品也就停滞不前了。

对比苹果，人家从芯片到OS都自己搞，也不太拿运营商当回事。所以苹果发版和覆盖速度都相对较快，碎片化问题绝对是比Android低好几个数量级。当然，通信芯片是苹果的大问题，所以老有人吐槽iphone的信号不好。这个问题能靠苹果自己开发通信芯片来解决吗？理论上可以，但是不现实，因为其中有很多专利问题不好搞。

再说下我对国产自主OS的一些看法和判断。

不出意外的，中长期（十几年之内，如果量子计算机还没有普及的话）看，依然会以Linux Kernel为核心（这里不考虑那些特殊场景的OS，比如工控机用的实时OS等）。只要使用Linux Kernel，绝大部分硬件厂商都能适应。否则来个新OS，硬件厂商又得开发驱动，还要做大量测试，这个所需的时间和金钱成本都非常巨大。

如果这个国产自主OS兼容Android的话，说明Android那套东西大概率会保留。这是从应用角度来看的。当然，也可以魔改Anndroid Framework，把内部实现都换成自己写的。但是要做到兼容的话，就必须对应用没有影响——这就回到软件界的一句老话，如果一个东西叫起来，走起路来都像鸭子的话，那它就是鸭子。从这个角度看，自主实现只是为了搞成看起来和之前一样的话，这个意义并不重大，这种自主也很难被认可。当然，如果能提升原有系统的性能则另当别论，这属于优化和改善，和我们讨论的不是同一个东西。

所以，国产自主OS要么像Android一样搞个基于Linux的，但是套路和Android完全不一样的。比如像Meego、Tizen这样的。要么就是拓展Android OS，搞一个H5 OS或者什么之类的。

最后，如果抛弃Linux的话，可参考谷歌的Fuchsia了，据说那是一个微内核的新OS架构。不过，这个OS的前途并不明朗。OS从来就不是一个纯软件的事情，还涉及到海量硬件厂商。它们甚至是一个OS生死存亡的决定者。