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Android 整体设计及背后意义

发布时间:2019-03-26 10:22 所属栏目:[评测] 来源:所为
导读: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

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。

Android 整体设计及背后意义

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。

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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。

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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。

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图4. Android系统进程架构概要

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图5. 使用设备能力的典型调用路径

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