firefox os 框架解析

FireFox OS是移动操作系统的新成员，它以Linux内核和Gecko为基础，延续了Web版的开源理念。这款新的操作系统在设计上究竟有哪些独到之处？是否能满足移动市场中多元化的用户需求？本文将从FireFox OS的底层架构为入口，从技术角度带领读者开启一段FireFox OS的探秘之旅。

Firefox OS是由Mozilla主导开发的新一代开源移动操作系统。自2011年6月项目正式启动以来，受到越来越多的关注。在过去的几个月中，我常在不同的场合被问到一些关于Firefox OS的问题，其中最常见的主要有下面几个。

• Firefox OS上的应用是否只能在Firefox OS的设备或Mozilla的产品上才能使用？
• Firefox OS为用户提供服务时，是否会占用大量的网络流量？
• Web应用是否比原生应用性能差？

下面我们就对Firefox OS这个系统做一个全面的介绍，请大家跟随我，一起完成这段Firefox OS的探秘之旅吧。

第一站：Firefox OS概念馆

Firefox OS作为一款开放网络技术的移动操作系统，基于Linux内核及Gecko引擎技术，从一开始就完全采取开源的方式进行开发，其核心理念是用户可接触到的 应用都是基于Web的应用，这些应用使用HTML5技术和硬件设备接口，可以通过JavaScript直接访问手机的硬件设备。Firefox OS架构主要由三层组成（如图1所示），分别为Gonk、Gecko和Gaia。

图1 Firefox OS架构图

与现有的平台相比，Firefox OS在技术上具有以下特点。

• Firefox OS是一个基于HTML5技术的移动操作系统，用户界面和应用完全使用Web技术实现。Firefox OS具有紧密的GPU和硬件的集成，可以支持直接使用版本和下载版本的应用程序。

• Firefox OS基于通用的硬件及公开的硬件抽象层。它的开发一开始是基于Android来启动的，从技术实现的角度看，Firefox OS基于Android的底层实现来完成其架构中的Gonk层和对应的Gecko层，它采用了类似于Android的公开硬件抽象层，且其中很多接口与 Android中的相一致。
• 由于Firefox OS是基于Web技术开发的，所以其应用开发与测试可以直接在桌面浏览器中进行。实际上，Firefox OS的平台就是为Web应用服务的。除此之外，Firefox OS还在渲染方式与JavaScript引擎性能上进行了优化与调整，例如使用新的Azure库来实现Canvas2D、增强多进程架构、提供并行渲染合 成的能力、完善Web Worker/Web Socket/Web Storage的支持。

第二站：Gonk机器工厂

Gonk 一词来源于《Star Wars》中的一个叫做Gonk Droid的机器人。Gonk层是Firefox OS的最底层，由Linux内核和用户态硬件抽象层组成，来自通用的开源项目，其中部分与Android硬件抽象层共享，也包括部分硬件厂商提供的需要授 权的代码或库，如RIL、OpenGLES、FM等。

当打开安装Firefox OS设备的电源时，主引导程序（Bootloader）开始执行，引导主系统内核的过程以通常的方式进行，最后，执行由Bootloader转交到 Linux内核。接下来进入Linux内核启动阶段，这一阶段与主流Linux系统的内核启动一致，Gonk中的Linux内核在一定程度上接近 AOSP（Android Open Source Project）的内核部分。在内核启动的最后，用户空间中的Init进程被触发，此时，只有内存虚拟盘被挂载。Ramdisk在Firefox OS系统构建的过程中被构建，包含了关键工具、其他启动脚本和可装载内存模块。许多设备通过sysfs暴露给Gecko。下面给出了Gecko中获取电池 状态的代码：

在Linux内核完成启动后，会进入Init初始化过程，这部分将挂载必要的文件系统，加载系统服务和核心进程，并在服务启动后充当服务管理器。孵化系统服 务与其他类Unix系统的Init进程非常相似，由Init阶段加载的主要进程有b2g、rild、rildproxy、dbus-daemon等。其中 b2g为主要运行环境进程，图2展示了Firefox OS用户空间中的主要进程（虚线表示被Init孵化的进程，实线表示其他通信管道）。

图2 系统用户空间中的主要进程

• b2g进程是主系统进程，具有很好的运行优先级，并可以访问大多数硬件设备（如图3所示）。b2g与Modem进行通信，绘制到显示用的帧缓冲器并与 GPS、相机和其他设备进行交互。在内部，b2g运行Gecko代码（libxul.so），b2g进程可能会会孵化一些低权限的内容进程（如 Content进程），Web应用和其他一些网页内容就是在这些进行中被加载的。这些内容进程通过IPDL（一个消息传递系统）与主Gecko服务进程通 信。不同的应用采用OOP（Out-Of-Process）多进程运行模型，这是为了保证不同Web应用的独立性与安全性，它规定不同的进程有不同的权 限，例如Chrome进程有较高的权限，而Content进程权限较低。在内存的管理上，Firefox OS使用和Android相同的技术，如果一个进程在前台，它将有超过其他应用程序的内存分配优先级，而那些在后台运行的应用程序将有可能被系统关闭。

图3 b2g进程与其他设备的交互过程

• rild进程是访问Modem处理器的接口。RIL是无线接口层，rild是Ril的守护进程。rild允许客户端连接到它所绑定的UNIX- domain Socket上。在Firefox OS中，rild客户端是rilproxy进程，它仅仅在rild和b2g之间充当了一个静默转发代理（dumb forwarding proxy）的角色。netd进程用于配置网络接口，wpa_supplicant是通过端点连接到Wi-Fi的标准UNIX-ish守护进程。

总的来说，我们可以认为Gonk层是一个简化过的Linux分发版本，是支撑Gecko在硬件设备上运行的基础。我们知道，Gecko同样是Firefox 浏览器在各平台上运行的核心，但与浏览器不同的是Firefox OS对Gonk有完全的控制能力，它把在其他平台上无法获得的硬件接口暴露给Gecko层，例如全部的电话堆栈（telephony stack）和显示帧缓冲（display framebuffer）。

第三站：Gecko两栖动物乐园

Gecko层是Firefox OS的技术核心，也是整个系统的应用运行环境，这一层提供对公开标准的支持。为了确保这一支持，这一层还包括其他内容，包括网络处理、图形图像处理、排版引擎、JavaScript虚拟机和对GonkHAL的支持等。

在处理输入方面，Gecko中的大部分动作都是由输入事件触发的，这些事件包括：按下按钮和触摸屏幕等。这些输入事件起源于标准的Linux输入事件系统，由输入设备驱动对这些事件进行转发。我们在提供了一些良好特性的事件（如事件过滤器）之上，使用了一个简单抽象。

对于图像处理，在非常底层的地方，Gecko使用OpenGL ES 2.0进行绘制，绘制到一个包含硬件帧缓冲的叫做“图形上下文”的地方。它使用了图形驱动的gralloc硬件接口，映射帧缓冲到缓冲区，Gecko使用 它的图层系统将内容进行组合，绘制显示到屏幕上。Gecko绘制不同的页面区域到内存缓冲中，有时这些缓冲就是系统内存，另外一些时候，它们是映射到 Gecko地址空间的纹理，即Gecko直接绘制到VRAM（Video Random Access Memory），Gecko使用GL指令组合这些纹理到屏幕上。值得注意的是Gecko里也存在一个硬件抽象层，为了避免Gecko的硬件抽象层与 Gonk的硬件抽象层混淆，Gecko硬件层将被称为hal，而Gonk的硬件抽象层被称为HAL。hal位于Gecko的移植层，它为Gecko中的更 高层次提供了一个跨平台的C++ API，这些API是在hal内部实现的，并且只能被Gecko中的C++代码所访问。

目前，Web的通用语言是JavaScript，而主流的浏览器引擎大多是用C++开发的，Gecko也不例外，DOM Bindings就是使JavaScript可以通过DOM API调用一些由C++实现的功能（如图4所示）。

图4 JavaScript与Gecko的交互方式

Gecko内部使用最多的还是基于XPConnect上的DOM Bindings，使用ScriptableHelper来帮助把XPCOM组件暴露在JavaScript上，但这种方式有一些内存管理和速度上的缺 点，并且XPIDL（XPCOM界面定义语言）与WebIDL（Web界面定义语言）在语义上有一定的不同，会使各种加速方法和处理语义问题的 Wrapper需要手工地针对不同API进行修改。

因为XPIDL的一些问题，Firefox OS里还提供一种DOM bindings的方法。由于这个问题是在法国巴黎首次讨论的，所以最早被称为“Paris Bindings”。因为这些DOM API实际上不使用XPCOM的许多功能，所以它的速度比原有的XPConnect会快许多。通过WebIDL DOM bindings可以省略掉一些虚函数的开销，还可以节省掉XPCOM处理线程安全的花费，透过新的JIT技术，从JavaScript可以调用DOM API，甚至直接调用C++的实现。未来描述DOM API的语言可能统一为WebIDL。

第四站：Gaia视觉体验中心

Gaia 层是指Firefox OS的用户界面层，当Firefox OS启动后任何可以显示在屏幕上的内容都可看成该层的一个应用。Gaia层实现了HomeScreen、ScreenLock乃至一个现代智能手机所具备 的标准应用。它由Gecko层提供实现支持，通过开放的Web接口访问潜在的操作系统功能。在介绍Gaia之前，我认为有必要描述一下Firefox OS的显示流程。Firefox OS在Gonk层和Android系统类似，但又有很多不同。首先我们来看看简易的类别图和几个简单的概念（如图5所示）。

图5 FireFox OS的显示流程

• Players是一个用来辅助IPC的Class，它有两个子代，分别代表Parent和Child。
• BasicLayerManager是用来管理Web应用的Layer，同时绘制所有的Layer。
• ShadowLayerForwarder负责把Layer的树状结构传递到Compositor端，以准备Layer的合成。
• CompositorParent是利用LayerManagerOGL把所有收集到的Layer合成出来。

在目前的Gecko引擎当中，所有的绘图动作都会作用在一个称为Layer的对象上。每一个Layer基本上就是一张点阵图，并且包含了应该怎样被显示在屏 幕上的基本信息。值得注意的是，每一个Web应用只负责把它自己的Layer内容准备好，并不会把它们合并在一起，每个Web应用最终可能是由多个 Layer的树形结构所组成（如图6所示）。

图6 Web应用显示结构

最终由CompositorParent把收集起来的所有Layer叠加在一起，形成整个画面。基于此，我们大致可以把Firefox OS的显示流程分为下面几个步骤。

• 排版：Gecko引擎基于HTML和CSS把整个网页用做排版。
• 绘制：将排版后的内容绘制到各自的Layer里。
• 合成：把所有的Layer叠加在一起显示到屏幕上。Gaia层完全使用HTML、CSS和JavaScript来实现，所以本质上说，它和目前所有使用Web技术开发的页面或应用没有根本区别，不过还是有一些实现上的区别需要注意。
• Web应用最大的优势在于根据页面内的URL链接任意跳转到不同页面，强调内容的专注化、应用化，像本地应用一样专注于完成某种功能，尽可能地让用户停留在该应用内。
• 由于Firefox OS是一款针对移动端的操作系统，所以具备许多移动设备的特性，如触摸操作、屏幕较小、可定位、可摄像等。Firefox OS为此提供了许多新设备或移动相关的Web接口，帮助Web应用开发者学习和使用。

在Gaia的结构设计上，使用XULRunner作为最外层的框架（如图7所示），System App作为权限最高的应用在设备启动后被系统默认加载。System App本身包含锁屏管理、Home桌面、声音管理、窗口管理、状态栏管理、输入事件管理、电源管理，以及系统设置等，是系统的核心应用。

图7 Gaia的结构构成

在Gaia层，除了System App外，其他应用都是由System App负责创建的，例如拨号盘、浏览器、游戏等，基本上遵循以下过程。

• 主屏幕从mozapps API获取应用程序的详细信息，并调用app.launch()。
• Gecko层接收到请求，发送mozChromeEvent事件和应用的详细信息到System App。
• System App接收到事件后，在DOM中为应用插入一个iframe。
• 在iframe中加载当前应用程序。

在Web应用中，最容易让人产生误解的就是应用和网络之间的关系，那么在没有网络时，我们该如何是好呢？

HTML5提供了离线缓存机制，开发者可以通过使用这些App缓存接口指定浏览器应该将哪些资源存储下来供脱机时使用，这样即便在脱机状态下，只要用户点击了刷新键，App也能读取缓存并正确地运行下去。使用缓存能为App带来以下几点好处。

• 离线浏览：用户能在离线状态下操作网页 。
• 高速访问：缓存成本地资源，读取速度更快。
• 减少对服务器的访问：浏览器只会在服务器资源有变更时才会下载文件 。

当浏览器访问一个设置了manifest属性的页面，它会检测是否已创建该页面的缓存文件，如果还未创建，那么浏览器就会载入页面并抓取所有在这份缓存声明 文件中定义的资源，并在客户端创建App缓存的第一个版本。再次访问该页，浏览器在载入页面时，会优先从客户端的App缓存中获取相关资源。此外，在遵循 HTTP缓存协议的前提下，浏览器还会送出一个触发事件给window.applicationCache这个对象， 并会去抓取服务器的缓存声明文件。

如果当前的缓存声明文件是最新的，浏览器会发送一个noupdate事件给applicationCache对象，告知其更新已结束。需要注意：如果你修改了服务器上的资源，必须及时更新缓存声明文件，这样浏览器才会知道需要抓取新的资源。

如果缓存声明文件被修改了，所有在其中罗列的文件（包括那些之前已经通过调用 applicationCache.add()方法存入缓存的文件）会根据HTTP缓存协议被再次抓取到一个临时的存储空间中。所有被抓到这个临时存储空 间的文件，浏览器都会发送一个process事件给appliCation对象（如果有错误发生，浏览器也会发送一个error事件，并停止更新）。等到所有文件被成功地下载下来，它们会自动调入真正的离线缓存，并且发送一个cached事件给appliCation对象。因为文档已被浏览器通过缓存读 取，所以新的文档暂时不会取而代之，直到页面刷新。

起航吧，新起点

HTML5是近十年来Web开发标准最巨大的飞跃。HTML5并不是仅仅用来表示Web内容，它的新使命是将Web带入一个成熟的应用平台——视频、音频、图像、动画，同电脑的交互全部标准化。在这个群雄并起的移动平台上，Firefox OS是否会为移动互联网开启一个新的局面，还需要靠未来的市场做最终评价。虽然本次Firefox OS的探秘之旅已然接近终点，但对Open Web及Firefox OS的开发者和爱好者来说，却是旅程中的一个新起点，还有更多的秘密等待大家去探索，向着新的目标，起航吧。

作者薛东升，火狐软件经理，主要负责国内火狐移动产品的研发和管理工作，包括Fennec、Firefox for Android和Firefox OS。

本文选自《程序员》杂志2013年4期，未经允许不得转载。如需转载请联系 [email protected]

《程序员》2013年杂志订阅送好礼活动火热进行中