Android 整体设计及背后意义
现实工作中经常可以听到这样的说法：框架的升级带来协议性能的提升、编程模式的变革带来业务的飞跃...... 姑且不论这些表述是否有问题，实际上如果系统地看待事物整体，可能会有不一样的发现。以LINUX为例，尽管其内核大获成功，但如果不是遵循POSIX、并成为一个开源、精简的UNIX实现，很难想象其最终会有何种发展。因此，对事物进行全局和一定深入的探究有时会有更多启发。
今天，阿里高级无线开发专家所为将结合自己多年的经验，为你深入阐述整个 Android 技术域及移动研发生态，期待与大家共同探讨。
1. Android设计的现实意义
架构的工程意义在于：定义并解决一类问题，为需求到实现的平稳过渡提供保障。传统意义的Android架构（图1）已被人熟知，但不同角色的视角不同，例如认为Runtime和框架是其核心、或者将Android看做是一种特异性JVM平台、还有从嵌入式出发将其看做是Linux…… 实际上，Android是极少数几个用设计来解决自身发展问题的系统，其核心在于通过硬件抽象、组件化、接口层三种能力来为发展提供基础，并为诸多变数预留大量可操作、斡旋的空间。
图1. Android传统架构
1.1 发展的前提：硬件抽象
2008年，我国迈入3G时代前夜，基础设施的变革让移动领域充满变数，无论设备、硬件还是软件都均未定型。擅长架构和软件的Google在这一领域要获得生存和长足发展，需要团结一切可能的、甚至是未知的力量，取得移动运营商、芯片供应商、手机制造商的支持则是生存的第一步。
硬件抽象层（HAL）在一定程度上起到这样的目的：它为移动领域五花八门、标准不统一的硬件驱动定义标准接口，避免Android过分依赖Linux，让后续的扩展和整机集成更加高效，满足了手机制造商的重要诉求；同时还起到隔离Linux内核的作用，避免厂商充满硬件秘密的驱动源码受GPL协议影响而开源，保障了芯片等硬件制造商的核心利益。传统手机OS的定制和集成流程需要修改大量代码，负担不少，从这个角度来看Android HAL其设计是领先的。结合AOSP优良的代码分支、模块管理，加上基于GNU automake巨集形成的Android build system，厂商享受到超越以往的便捷。
然而HAL并无固定做法（如图2所示），Android 8.0之前，最初大量采用HAL旧版方式，表现为framework直接加载*.so并依赖，主要集中在网络、蓝牙等模块；旧版方式导致framework与具体驱动接口耦合过紧，后来形成HAL传统方式，即提供一定规范和接口进行改进，从而减少直接耦合，但每次厂商支持新版Android依旧有大量改动和适配；为更有效地解决这一问题，Android 8.0开启Treble项目，从此芯片厂商能通过基于Binder的HIDL提供稳定接口，制造商则可不受芯片厂商影响而直接更新Framework，甚至获得无需重新编译HAL即可OTA的能力。
图2. Android对硬件驱动的设计
受益于HAL这一设计，Google在全球获得更广泛的支撑，尤其是Android 8.0在国内厂商的迅速适配可见一斑。HAL为Android设备量的持续增长提供了基础，并促进有实力的厂商向设备上层及基础设施两个领域纵深发展（图3），体现在掌握核心技术的厂商（如高通、华为、MTK），通过不断建设系统能力来强化竞争力（支持5G标准、硬件能力、软硬结合以及系统能力的深度定制等），而具备渠道和资源整合优势的手机制造商（华为、OPPO、小米、VIVO等），则立足OS持续构建更高效的应用来拓展版图（UI、推送、商店、轻应用等），这都体现出Android HAL对整个产业的凝聚和影响，间接弥补Android自身的诸多不足。
图3. 具备核心竞争力的厂商的发展趋势
1.2 能力的枢纽：组件化
对能力进行如何组织和复用是架构的最大挑战，借鉴现有能力是发展的捷径。无论是Mircosoft的COM，还是OMG的CORBA，或是从EJB到Spring、从SOA到Serverless，随着基础设施如网络、终端设备的能力提升，这些技术的发展呈现出从重量到轻量、从对中心(总线)的重度依赖到轻量级依赖的趋势。Android充分结合各领域先进技术，并基于移动端资源受限这一最大特色，形成了自身的技术特色：AIDL衍生自复杂的CORBA IDL，组件由SOA精简而来，各独立生老病死的System Service类似一个个微服务，Binder可以看做是对一种弱化总线、性能更好、可点对点通信的DBUS，UI布局系统则极大程度受到SWING的影响、manifest实际上就是APP与系统通信所必须的组件接口描述文件......
上面提到的领域技术的确有利于Android发展，但远远不够。回想之前谈到的HAL以及整体架构，我们看到Android实际上就是个大杂烩，使用的是诸多技术的混合。过去除Palm等Web OS外，无论是基于Linux/Unix构建的系统如Meego，还是Symbian、MTK、UCOS、WindowsCE，无论是实时系统还是非实时系统，这些移动端系统都以C/C++为主且小巧精悍，对内存使用和要求极为考究，虽然满足了资源受限设备的使用诉求但带来了门槛；虚拟机类的平台如KJava、.NET on Windows Phone虽然内存使用和能耗方面比较大方，却胜在研发效率和容错性，因而受到不少开发者欢迎。
所以选择混合架构对于缺乏完整移动领域产业链支撑的Google既符合其自身技术理念、又胜算最大，于是量身定制的组件化能力便肩负起这一使命，使得各组件得到有机组合、应用之间以及应用和系统的沟通更为明确和有约束，最终帮助整个系统灵活运转，能力被迅速放大。
观察Android系统的启动运行流程（图4）以及APP对系统能力的使用（图5），可以发现其各类能力已按照组件化标准和粒度进行组织（能力的注册发现、接口和通信的标准化、运行空间的隔离等），让快速迭代的手机硬件和持续升级的系统能力以最小代价透出，将复用的价值在移动设备系统上具体化并最大化，从而具备更高的灵活性和兼容性；其背后软件工程的意义在于为软件需求、设计之间架起一座桥梁，解决了系统结构和研发需求向实现平坦过渡的问题。
图4. Android系统进程架构概要
图5. 使用设备能力的典型调用路径
当然，历史上其他公司面临这类挑战时也有不一样的想法，例如Windows Phone 8.0选择了另外一条路，无论是提供媲美JAVA的C#及VB.NET框架、还是基于Sliverlight Dependency Property + XAML的UI系统、甚至是为了支持C++研发出来的C++/CX及一套运行时，都仿佛无时无刻标榜着其系统技术的多样化与复杂性，算得上是一场技术盛宴。
Meego则是另外一个例子，被期待救Nokia于危难，并由Intel联袂推出，通过各种开源能力的组合来完成系统的建设，如Linux内核+QEMU模拟器+QT+QML界面，但实际上昙花一现。
1.3 应用的基础-接口层
系统能力基本就绪，如何迎来更多开发者对Android长远发展至关重要。选择JAVA作为上层语言，既需要勇气又足够彰显其野心；为迎合资源受限这一移动领域过去、现在也是未来的最大客观事实，其设计了基于寄存器架构、可执行文件更小的Dalvik虚拟机，并通过净室工程来高质量实现，同时结合诸多工具对外提供了流畅的JAVA编程方式，摆脱类似MTK feature phone只能用KJava写些小游戏的局限，使得Android研发兼具JAVA的便利和不错的性能。
天有不测风云，SUN在09年4月被Oracle收购，距离Android 1.0发布还不到一年。虽然最初选择Apache Harmony来提供JAVA API十分明智，但却遭遇到技术上不支持JAVA 7/8、版权上Oracle诉讼纷至沓来等诸多挑战。为应对这一切，Google从Android N开始，将JAVA的支持变更为OpenJDK。另外，Kotlin因为特性相近、又可被编译为class或者dx字节码，也获得了Google青睐和收编（图6）。
图6. Android接口层的过去和未来
实际上，之所以Android敢这么做，还是因为有其设计基础的支撑，根据个人的一点粗鄙了解，从Android API的调用链路（图7）上能发现端倪：无论底层依赖、实现和流程如何变化，上层的使用形式并不会改变。
图7. Android内部对调用链路的3种实现
这意味着几乎所有系统能力的核心，已在native library被实现殆尽，并结合上层提供良好屏蔽。这为其他语言实现Framework提供了可能，尤其是一门特性与JAVA相近的语言。所以是什么语言、是不是kotlin都只事先设计规范下的一种合适的选择。
图8. 一种未来用kotlin代替java的极端可能
2. 对于我们的象征意义和实践
综上所述，Android从三个方面来解决其发展的关键问题：
- 硬件驱动：形成厂商的合作基础，并反过来对整个产业施加影响。
- 组件化：高效组织各种内部能力，寻求自身的更快发展。
- 接口层：满足上层对系统和硬件能力的各种使用诉求。
移动互联网产业巨头发展因为起点以及执行理念不同而有所不同，Apple围绕着其App Store构建其整个体系并精心维护，而且在现代化API编程、整机体验、垂直领域技术如网络/算法等各纵深领域走在前列；Google则用Android带路，需要在各个层面维护和团结不同力量来形成自己的发展特色。所以，Android为系统如何发展提供了另外一种答案：除关注系统自身能力的发展，如何维护好系统不断发展的基础和前提、如何更好地暴露和让外界使用系统能力也至关重要（见图九）。
图9. Android设计对解决问题的启示
回到我们自身，在重用户、重交互、手机即人的今天，我们的产品有理由也有必要用其内涵延展并放大服务的价值。要做到这一点并非易事。首先，业务迭代越来越快，各种应用层出不穷对中间件意味着广泛的需求；其次，环境在改变，无论是运行硬件和设备的五花八门、还是对接集群的复杂多样，都对阿里原有端侧中间件带来巨大冲击；再次，在基础技术发展变缓的今天，技术的价值需要被持续放大，我们希望基于自身能力来构建服务和业务的泛连接基础,并将其作为发展愿景。这要求我们基于集团背景以及核心APP发展的主要目标下，来综合思考这个发展问题（图10）。
图10. 对泛连接能力建设的思考
通过Android的启发，结合环境和现状，在满足业务目标的同时我们从三个层面不断演进网络能力（图11）。
- 首先，通过覆盖线上线下、各类场景、形态各异的设备，不断打造高效私有、支持通用标准的协议，并提供部分其他端侧网络不能或者及其难以提供的特殊能力，来帮助我们构建设备和服务、用户与业务的泛连接基础。
- 其次，自底向上地抽象，将非阻塞的IO复用、用户态网络栈支持、通道能力扩展以及可支持混合集群的多实例架构进行高效组织，从而保障了数据在不通层面的流转和管理诉求。
- 最后，基于SDK矩阵和接入能力的建设，我们实现了服务接入到业务、业务透出给用户的目的，并通过提供丰富的数据带来更多价值。
图11. 泛连接能力的系统性建设
基于以上的不断沉淀，目前我们已能触达海量设备和用户，成为接入阿里内外各服务和平台的接口，并为终端和服务分别屏蔽集群的多元化及设备的多样性，实现新零售系统能力与用户的泛连接（图12）。
图12.团队能力在集团中所处的位置