全面认识 Android OS

作者 | 邓凡平

责编 | 屠敏

缘起

前几天，CSDN 曾发过一篇有关

鸿蒙 OS

的文章，我觉得它是最近讨论自主开发 OS 的文章里很中肯的一篇了。我曾经在 2012 年介绍过 Android OS 的情况，现在来看依然不过时。作为一个技术人，我们探讨某个东西的前景的时候总该对它有一些了解。本篇就是一篇非常简单的对 Android OS 的介绍。在 Android 刚起步的那几年（2011 年前及左右），我们同时下注了 Android、Intel 联合几个厂商开发的 Meego、还有基于 Linux 的嵌入式 OS。彼时，中移动的 OMS 也很火，甚至 OMS 带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》杂志里有一位投稿作者，他的个人介绍中，有一句很有意思——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。软硬件开发、搞培训.....真是人心齐泰山移！

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 就消亡了。

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。

整体视频

由 PPT 转换而来的视频：

上面视频里介绍了四个部分，分别是：

1. Android 系统架构——垂直角度来看；
2. Android Framework——没有层次关系；
3. Android OS 是微内核的 OS；
4. Android 手机发布和更新的过程示意。

每个部分都不长。大家可以先看下面的内容，等整体看完后，再来看上面的 PPT 视频。

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。请各位开发者特别注意这一点，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、macOS 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。
• Linux：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。
• macOS：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”，那么我们也要为计算机编程语言的使用而担忧了。

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，有人把 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！（文章中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：

上图是 Android 手机系统的发布和更新过程，图比较久了，现在情况会好点，但大致如此：

• ①Google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 Google 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，它从芯片到 OS 都自己的，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。

国产自主 OS 的未来

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。
• 如果国产自主 OS 兼容 Android 的话，说明原有 Android 的功能等大概率会保留。这是从应用角度来看的。当然，也可以魔改 Android Framework，把内部实现都换成自己写的代码。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，自主实现只是为了开发一套看起来和之前系统类似的话，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 一样基于 Linux 开发，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，开发出类似一个 H5 OS 之类的。
• 最后，如果抛弃 Linux 的话，可参考 Google 的 Fuchsia 了。Fuchsia 据说是一个微内核的新 OS 架构。不过，目前 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。

作者简介：邓凡平，资深 Android 技术专家，国内早期从事 Android 技术研究和开发的工程师之一。运营个人公众号「神农和朋友们的杂文集」（ID：alashennong_gh）。

目前就职于民生银行总行科技部创新技术研究院，钻研和探索物联网等新技术在金融领域中的应用。从底层的虚拟机，到中间的系统层和框架层，再到上层的各种应用，他对整个 Android 系统的源代码有非常深入的研究和理解。策划并撰写了“深入理解Android”系列图书（目前已出版 8 本），累计销量超过 10 万册，是广大 Android 工程师系统、深入了解 Android 系统源代码。