Android操作系統(tǒng)的發(fā)展與未來

　　“操作系統(tǒng)的新理念/先進技術(shù)因素只是一個 OS 能夠成功的一小部分，還有很多因素需要綜合考慮。路很長，需要一步一步腳踏實地的走，沒有捷徑?！?/p>

　　背景

　　操作系統(tǒng)是用來提供一個支持各種應(yīng)用程序運行的基礎(chǔ)軟件環(huán)境。Linux 當(dāng)前的在各個領(lǐng)域的發(fā)展情況如何？到 2016 年底為止，從不同的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來源，我們看到了 Linux 創(chuàng)造在巨型機（占 99.6%）、服務(wù)器（占 80%以上）、移動終端（以 Android 為主，占 87.5%）領(lǐng)域的統(tǒng)治地位，貌似 Linux 已經(jīng)無處不在了。但 Linux 在其他兩個大的領(lǐng)域還沒有一統(tǒng)天下。在 IoT/Embedded System 等弱設(shè)備/硬實時工控領(lǐng)域，由于特定硬件能力和專用應(yīng)用的差異性很大，Linux 的通用性和多功能在某種程度上成了負(fù)擔(dān)或多余的部分。

　　當(dāng)然，目前還沒有一個操作系統(tǒng)在這個領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位，各種操作系統(tǒng)在這個領(lǐng)域都有一個適合自己的范圍，但隨著硬件能力的增強和應(yīng)用對多功能的需求，Linux 的優(yōu)勢會逐漸凸顯，目前在機器人，車載電子等領(lǐng)域已經(jīng)有這樣的趨勢了。在 PC/桌面端，我們雖然看到了 MintUbuntu、Fedora、SUSE、Deepin（國內(nèi)發(fā)起）等優(yōu)秀的桌面 Linux，這些桌面操作系統(tǒng)主要基于 X Windows、KDE/QT、GNOME/GDK 等技術(shù)創(chuàng)建窗口環(huán)境，但桌面 Linux 的占有率卻一直處于可有可無的地位，其占比僅為 1.63%，在這個領(lǐng)域的統(tǒng)治者是 MS Window（占 88.7%），在 MS Windows 面前，桌面 Linux 就像面對著一堵墻，無法逾越。為什么上述提到的 Linux 系統(tǒng)都是基于同一個 Linux kernel 但最終的結(jié)果卻差別顯著？這里原因只是在應(yīng)用層面的技術(shù)選擇的不同嗎？

　　歷史

　　移動端的爆發(fā)，離不開 Internet 的快速發(fā)展。雖然 Apple 在桌面端的軟件和硬件始終不是微軟+Intel 的對手，但 2007 年 iPhone 帶來的觸控操作的新型人機交互體驗（注意，并不在操作系統(tǒng)內(nèi)核上有新的突破，而主要是便捷的多點觸摸式人機交互軟硬件設(shè)計的突破）在移動端打開了一個新的窗口，緊接著 Google 的 Android 手機采用開放的生態(tài)模式（開放源碼，建立開放手機聯(lián)盟 OHA，即 Open Handset Alliance，與軟件廠商、硬件廠商、運營商、芯片廠商深入合作，尋求共贏）和類似 iPhone 的交互體驗（注意，如果不算 Binder 機制，在操作系統(tǒng)內(nèi)核上也沒有新的突破）逐漸超過 iPhone/iOS，并在移動端形成了壟斷地位。到 2017 年 4 月，根據(jù)分析公司 Statcounter 的研究發(fā)現(xiàn)，Android）首次超過 Windows 成為第一大操作系統(tǒng)。

　　在桌面領(lǐng)域，微軟在 1985 年推出的 Windows 操作系統(tǒng)，加上與 Intel 的 x86 CPU 的完美匹配，形成 Wintel 聯(lián)盟，幾十年來，通過 Killer Application —— MS OFFICE 形成了桌面上的壟斷地位，并在推出 Windows NT 后，進一步把觸角延伸到服務(wù)器領(lǐng)域。受制于 Windows 操作系統(tǒng)已經(jīng)建立起來的強大桌面生態(tài)環(huán)境，桌面 Linux 和其他桌面操作系統(tǒng)加在一起，在百分比為個位數(shù)的市場占有率上徘徊不前。雖然 iOS 和 Android 在大屏上有比較好的支持，但類似手機操作和使用的平板電腦并沒有帶來新的突破，目前還沒有對桌面端形成威脅。在桌面 Linux 的探索中，除了上述傳統(tǒng)的桌面系統(tǒng)研發(fā)外總有一些火花在不經(jīng)意間閃爍。把移動端的霸主 Android 放到桌面端來挑戰(zhàn)桌面端的霸主 Windows，是否是一個可以探索的思路？下面將介紹一下這方面的一些情況。

　　對于一般用戶而言，在 PC 上玩 Android 應(yīng)用，是一個很有意思的想法，包括現(xiàn)在在 PC 上還出現(xiàn)了很多定制 Android 硬件模擬器（如 BlueStacks 等），方便用戶在 PC 上玩各種 Android 游戲和移動應(yīng)用。于是有 Hacker 開始考慮，為什么不能直接在 PC 上運行 Android 呢？在 2009 年，Yi Sun開始了把 Android 移植到 x86-PC 上的嘗試，并基于 Android 1.6 推出了 Android-x86 1.6，并在后來持續(xù)跟隨 Android 的發(fā)展步伐，形成了 Android-x86 社區(qū)，目前正在開發(fā)基于 Android 7.x 的 Android-x86 7.x，當(dāng)前主要負(fù)責(zé)人是黃志偉（同方公司資深工程師），對 Android-x86 系統(tǒng)的定位是 Android 正對 x86-PC 的 BSP 部分，希望有更多的愛好者能夠在 Android-x86 的基礎(chǔ)上擴展 Android 框架，讓 Android 能桌面 PC 上提供方便的使用環(huán)境。

　　2013 年，Tieto 公司提出了在手機上實現(xiàn)類是 PC 多窗口顯示的想法，并展示了基于 Android 4.2/4.4 的多窗口支持技術(shù)方案，這個擴展原型系統(tǒng)可運行在 Nexus7 手機上和 Android 硬件模擬器上，且 Tieto 公司進一步把相關(guān)代碼開源，并放到了https://github.com/tieto/multiwindow_for_android。至此，我們知道，通過對 Android Framework 進行擴展，是可以象其他桌面操作系統(tǒng)一樣，在大屏幕上，支持以多窗口方式運行多個應(yīng)用。與 Linux/Window 桌面操作系統(tǒng)不同的是，在其上運行的是數(shù)量遠(yuǎn)大于前者的移動端 Android 應(yīng)用，與前者的應(yīng)用生態(tài)完全不同。

　　來自 Google 的工程師周哲、高恒、陸韻晟在實現(xiàn)財務(wù)自由后，并沒有停止對技術(shù)的探求。他們一直在思考一個問題：很多事情智能手機就能搞定，但你為什么還需要一臺筆記本？他們認(rèn)為在當(dāng)前的年代，移動應(yīng)用的開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了 PC，所以你不需要帶各種各樣的設(shè)備，而是有一個設(shè)備把所有問題給解決了。2014 年 1 月，他們創(chuàng)建了技德（Jide）科技公司，并在 2015 年初推出了 Remix OS —— 它是基于 AOSP 開發(fā)的深度定制操作系統(tǒng)，主要以 PC/筆記本電腦（基于 ARM/x86）、二合一平板電腦、一體機、智能大屏顯示器為載體，實現(xiàn)了一個類似桌面操作系統(tǒng)的多窗口 GUI 界面，能夠在一個大屏幕中呈現(xiàn)和方便地運行多個不同的 Android 應(yīng)用。并且技德公司還推出了運行 Remix OS 的筆記本電腦、平板電腦、迷你（mini）PC 等多種硬件形態(tài)。

　　2014 年 12 月，來自國內(nèi)瀏覽器 —— 世界之窗的創(chuàng)始團隊以創(chuàng)始人謝震宇為首，在經(jīng)歷了 360 公司收購后，也不安于現(xiàn)狀，跳出 360 公司，成立了超卓科技公司，他們也看到了 Android 大屏化的潛在商業(yè)前景，從開發(fā)應(yīng)用出發(fā)，首先推出了基于 Android 的超卓文件管理器、星塵網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、超卓文本編輯器等，并在 2015 年 1 月推出了 Phoenix OS Beta 版，并與國內(nèi)多家硬件廠商合作（聯(lián)想、TCL、五元素、昂達(dá)等），在相關(guān)硬件上安裝 Phoenix OS。Phoenix OS 與 Remix OS 類似，也是一個基于 Android 的桌面 PC 系統(tǒng)，兩者在功能上的差異不大，主要體現(xiàn)在風(fēng)格的差異性上，其最新版本已經(jīng)建立在 Andriod 7.1 基礎(chǔ)上。超卓科技希望在輕辦公屬性的 Phoenix OS 系統(tǒng)展現(xiàn)其新的亮點。

　　2014 年到 2015 年期間，同方公司和一銘軟件公司各自通過前期調(diào)研，都認(rèn)為在國內(nèi)桌面操作系統(tǒng)方面，需要有新的形態(tài)出現(xiàn)，看好 Android 應(yīng)用的豐富類型與龐大數(shù)量而形成的強大生態(tài)，認(rèn)為把 Android 進行桌面化改造是實現(xiàn)桌面操作系統(tǒng)的可行方案。在 2015 年下半年，同方公司和一銘軟件公司先后找到清華大學(xué)計算機系的副教授，希望開展技術(shù)合作，探索 Android 桌面化的技術(shù)可行性。經(jīng)過技術(shù)可行性分析，對 Android-x86， Tieto 等開源軟件的理解，三方初步認(rèn)為技術(shù)上是可以嘗試的。于是在 2015 年底成立了清華大學(xué)－同方股份有限公司計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聯(lián)合研究中心，三方一起開始了 OPENTHOS 系統(tǒng)的研發(fā)，后續(xù) Android-x86 社區(qū)、北京大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、西安郵電大學(xué)、南開大學(xué)也參加了相關(guān)重要研發(fā)工作，還得到了技德、超卓、Intel 工程師的技術(shù)幫助。在 OPENTHOS 系統(tǒng)的開發(fā)過程中，首先基于 Android-x86 5.1 和 Tieto multiwin 擴展，實現(xiàn)了類似 Remix OS 和 Phoenix OS 的多窗口桌面 Android 系統(tǒng)原型，在 2017 年 3 月發(fā)布了 OPENTHOS-1.0-RC1 版本，所有源碼開放在 。

　　為何 Google 不直接讓 Android 跑在 PC 上呢？雖然沒有得到 Google 的官方確認(rèn)，但大家知道 Google 在桌面端（以筆記本電腦為主要硬件載體）有一個基于 Web Browser 的 OS – ChromeOS，與 Android OS 具有不同的定位，界面是 Browser，運行的軟件主體在云上，這符合 Google 與云為核心的戰(zhàn)略發(fā)展方向，但 ChromeOS 沒有 Android 發(fā)展得順利，沒有形成廣泛的基于 HTML5 的應(yīng)用生態(tài)。目前二者誰也吃不了誰，不過最近 ChromeOS 已經(jīng)添加了 Android 支持層，可以讓 Android App 直接運行在 ChromeOS 的界面上。且 Android OS 在 6.x 后，也逐步添加了多窗口的支持，只是相對與上述三個多窗口擴展的 Android 系統(tǒng)而言，還略顯簡單了一些。但這并不表示 Google 沒有實力讓 Android 直接在 PC 上運行，且讓 Android 具有更加完善的多窗口能力。

　　分析

　　1. 技術(shù)分析

　　1.1 定位

　　上述介紹的 Android-x86、Remix OS、Phoenix OS、OPENTHOS 軟件系統(tǒng)都是基于 Android 的 AOSP（包括了面向 Android 的 Linux Kernel）來完成的。Android-x86 側(cè)重在 Linux Kernel 的驅(qū)動（如 GPU driver 等），HAL 層面的硬件適配軟件（如 MESA OpenGL 圖形庫，鍵盤/鼠標(biāo)相關(guān)的庫），系統(tǒng)啟動支持（UEFI/Legacy BIOS 支持），基本不涉及 AOSP 中與硬件無關(guān)的 Android Framework 層、dalvik/ART VM 層等。由于 AOSP 4.4 以后有對 x86/x86-64 的很好的官方支持，所以，把 AOSP 移植到 x86-PC 平臺的難度也比基于 AOSP-4.4 以前版本要容易一些。而 Remix OS、Phoenix OS、OPNENTHOS 主要的改進集中在 Android Framework 層，通過擴展，實現(xiàn)對鍵盤/鼠標(biāo)的有效桌面化支持，多窗口支持等。

　　從對 AOSP 中 Android Framework 的內(nèi)部分析來看，Android Framework 架構(gòu)本身對實現(xiàn)基本的多窗口支持是有預(yù)見的，在相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼邏輯上已經(jīng)有對應(yīng)的基本支持了。這也使得擴展 Android 多窗口的難度降低，所改動的核心代碼在幾千行的范圍，主要修改的代碼量估計在 1～2 萬行代碼范圍內(nèi)（這里主要基于開源的 OPENTHOS 來分析），相對于 AOSP 的龐大代碼量而言，這是一個很小的范圍了。所以，從技術(shù)上看，當(dāng)前的 Android-x86， Remix OS、Phoenix OS、OPNENTHOS 應(yīng)該都屬于一個 Android 的有限擴展實現(xiàn)，不算是一個全新的操作系統(tǒng)。且 Google 沒有把 Android 擴展到桌面，并不是沒有這個技術(shù)實力（其實 Android-6.x 已經(jīng)有平鋪式多窗口的探索性的支持，在 Android-7.x 已進一步有堆疊式多窗口的支持），而是由于 Google 同時還有面向未來的 Chrome OS 的存在，阻礙了 Android 桌面化的發(fā)展進程。

　　當(dāng)前 Android 的移動應(yīng)用生態(tài)由于其使用方式，使用習(xí)慣等原因，與桌面?zhèn)鹘y(tǒng)方式和應(yīng)用特點有較大差異，并不能代替已有 Windows 的生態(tài)環(huán)境，但確實存在代替的可能性了。目前能夠發(fā)起挑戰(zhàn)的，應(yīng)該還是只有 Google 公司。在當(dāng)前桌面的硬件形態(tài)，交互方式，典型應(yīng)用沒有出現(xiàn)大的變化的情況下，如果認(rèn)為 Remix OS、Phoenix OS、OPENTHOS 等已經(jīng)具有挑戰(zhàn)桌面霸主 Windows 操作系統(tǒng)，這就有些高估了自身。因為一個通用操作系統(tǒng)能夠挑戰(zhàn)（甚至戰(zhàn)勝）另外一個通用操作系統(tǒng)的因素有很多，操作系統(tǒng)自身的技術(shù)因素只是其中的一個部分，而搶占先機，應(yīng)用/開發(fā)生態(tài)，應(yīng)用需求，廠商實力，用戶認(rèn)可度等綜合因素的比重遠(yuǎn)大于技術(shù)因素。所以，Android-x86、Remix OS、Phoenix OS、OPNENTHOS 如果能用在一些還沒有形成壟斷的環(huán)境，沒有成熟的應(yīng)用生態(tài)的領(lǐng)域，也許是其生存的地方。

　　1.2 特點

　　Android-x86 的特點主要體現(xiàn)在讓 Android 直接支持在筆記本電腦/PC 上，且剔除了大部分底層私有協(xié)議的軟件模塊，用開源軟件進行了替換。Remix OS、Phoenix OS、OPNENTHOS 的特點主要體現(xiàn)在支持多窗口，適配面向鍵盤鼠標(biāo)的人機交互模式，讓典型 Android 應(yīng)用更貼近傳統(tǒng)桌面應(yīng)用的展現(xiàn)形式。另外，OPENTHOS 比較獨特的地方包括：

　　一、基于開放和開源模式的協(xié)作方式和自研自用的研發(fā)方式；

　　二、將 Android 應(yīng)用和生態(tài)直接引入到以桌面 PC 為代表的大屏交互式設(shè)備中，且讓已有 Linux 應(yīng)用和服務(wù)可以在 Android 系統(tǒng)中無縫運行，并能與 Android 應(yīng)用直接互通。這其實是典型的學(xué)校/工程師文化（即 homebrew，自產(chǎn)自用）帶來的，在開發(fā) OPENTHOS 過程中，大家覺得開發(fā)者應(yīng)該首先使用自己開發(fā)的 OPENTHOS。但這發(fā)現(xiàn)了一個比較困難的問題，部分應(yīng)用開發(fā)者習(xí)慣用 Android Studio 開發(fā)應(yīng)用，但開發(fā)者的 Android Studio 運行在 Linux 環(huán)境中，無法運行在基于 Android 的 OPENTHOS 中。

　　于是陳渝老師和他的學(xué)生田博開始了讓 Android Studio 運行在 Android 中的設(shè)計與實現(xiàn)。大致技術(shù)路線是：采用 Container 技術(shù)來同時支持 Android 應(yīng)用和 Linux 應(yīng)用的 Kernel 運行環(huán)境；并通過讓 X Windows 系統(tǒng)運行在 Wayland 系統(tǒng)上，修改 Wayland 系統(tǒng)，讓 Wayland 系統(tǒng)能夠運行在 Android 的 GUI 窗口系統(tǒng)中。經(jīng)過幾個月的努力，不光是 Android Studio，包括 Firefox Browser、WPS Office、Video Player、OpenGL Game Engine 都能跑在 OPENTHOS（Android）上了。另外，西安郵電大學(xué)的陳莉君老師和她的學(xué)生何興鵬、陶申榮基于 proot（用戶空間實現(xiàn)的 chroot）開源軟件，把 Linux 環(huán)境下的 CUPS 打印系統(tǒng)對接到 OPENTHOS 中，使得在 Android 環(huán)境下可以方便地使用 Linux 的本地/網(wǎng)絡(luò)打印支持。一銘公司的陳剛工程師對 Android 多窗口的移植和適配做出了主要的貢獻，北京大學(xué)的荊琦老師和她的學(xué)生馮杰等把多窗口支持一升級到了 Android-6.0，北京工業(yè)大學(xué)的王丹老師和她的學(xué)生羅浩等完成了 Android 多窗口的移植改進等。

　　2. 非技術(shù)分析

　　2.1 風(fēng)險

　　一方面，如果在桌面領(lǐng)域沒有新的應(yīng)用需求，新的交互方式，新的硬件形態(tài)，僅僅把 Android App 運行在桌面上，即使加上鍵盤鼠標(biāo)支持和多窗口支持，并不能改變當(dāng)前的桌面生態(tài)環(huán)境，無法撼動微軟的霸主地位。此外，有人認(rèn)為，我們可以先跟著 Google，搭順風(fēng)車，做一定的改進或定制，然后自己羽翼豐滿后，再甩開 Google，自立門戶。這種思路在國內(nèi)外已經(jīng)有過失敗的嘗試，比如中移動等支持下的播思通信，國外的 CyanogenMod 等。他們低估了脫離 Gooogle 苦心經(jīng)營的應(yīng)用生態(tài)和跟進 Android 開發(fā)快速迭代等的難度。還有，Android 來源于 Google，基于 Android 開發(fā)的系統(tǒng)如果不想按照 Google 的要求和限制做，則會承擔(dān)法律風(fēng)險，且如果沒有給 Google 看到潛在的好處，則很難得到 Google 的支持。

　　這里引用魏永明“‘自主’操作系統(tǒng)——為什么及如何”一文的內(nèi)容：Google 在開發(fā) Android，尤其是 Dalvik 虛擬機以及 Java 類庫的過程中，肯定積累了大量專利，而這些專利是凌駕于軟件的著作權(quán)和許可證之上的。也就是說，如果你基于現(xiàn)有的 Android 派生了一個分支，要想將運行有這個 Android 派生版本的軟件放到自己的手機里邊銷售，Google 馬上可以拿出專利大棒來限制你。當(dāng)前，Google 尚未拿出專利大棒來限制各種派生于 Android 的系統(tǒng)。拿阿里 yunOS 和谷歌最近的爭論當(dāng)中來看，Google 也只是說 yunOS 導(dǎo)致 Android 不兼容。但一旦有廠商真的使用了，Google 馬上就會拿出專利大棒，這將毫無疑問。

　　2.2 自主

　　上述面向桌面的 Andorid 操作系統(tǒng)目前都沒有強調(diào)自主或自主可控，但不排除以后有其他人或單位會提出基于 Android 改造的操作系統(tǒng)是自主或自主可控的。這里引用魏永明“‘自主’操作系統(tǒng)——為什么及如何”一文的內(nèi)容：

　　只是在已有的開源操作系統(tǒng)之上加了一層皮。比如各種基于 Android 的第三方 ROM，比如 MIUI、Flemy 等。這種操作系統(tǒng)僅僅在 UI/UE 上做了一些工作，就如同一個人換了一身衣服那樣，實質(zhì)上這個人不會因為換了一身衣服而從張三改叫成李四。

　　修改了已有開源操作系統(tǒng)的內(nèi)部代碼，做了一些優(yōu)化或者去掉了別人的一些東西，添加了一些自己的內(nèi)容。比如 yunOS 就屬于這種，或者哪些號稱深度定制的 Android 系統(tǒng)也屬此類。這種做法如同整容，的確動了些刀子，甚至改變了性別，但人還是那人，改了名字或性別也還是那人。

　　發(fā)展方向

　　做一個軟件系統(tǒng)，如果是跟在已經(jīng)取得很大領(lǐng)先優(yōu)勢的已有其他軟件系統(tǒng)后面，采用模仿或非根本性創(chuàng)新，是無法形成健康的應(yīng)用生態(tài)，是無法超越已有其他軟件系統(tǒng)的。站在通用桌面領(lǐng)域，比如上述系統(tǒng)（包括現(xiàn)在的桌面 Linux）想直接與 MS Windows/Google Android 爭奪已有市場，幾乎沒有成功的可能。Windows 比其他桌面系統(tǒng)早了十幾年的技術(shù)積累，早已形成了相對封閉的 Windows 桌面應(yīng)用生態(tài)，這一點 Andorid 也類似。所以，上述系統(tǒng)也許在一些有沒被 Windows/Android 覆蓋的應(yīng)用需求且還沒形成壟斷的專用領(lǐng)域，比如車載電子、虛擬云桌面、教育培訓(xùn)、數(shù)字醫(yī)療、工業(yè)控制、移動終端辦公、機器人、自然交互、人工智能、特定硬件等，找到匹配上述系統(tǒng)的關(guān)鍵應(yīng)用，找到這些領(lǐng)域的 Killer Application，形成上述系統(tǒng)存在的價值（剛需），并形成新的生態(tài)環(huán)境。

　　另外，Chrome OS/Firefox OS/H5OS/Elastos 等為網(wǎng)絡(luò)而生的 OS 代表了一個未來面向與人交互的桌面/終端/IoT 操作系統(tǒng)的方向，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和本地應(yīng)用無縫銜接，可像“水”一樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制的按需流動。但這只是未來的技術(shù)方向，還有很多技術(shù)挑戰(zhàn)并沒有解決，比如 Java、HTML5 在語言層面缺乏高效性，安全性和可擴展性，WebAssembly 語言已經(jīng)在嘗試解決 Java 的問題；Browser 的界面與內(nèi)核并沒有建立好全面支持本地桌面應(yīng)用的完善基礎(chǔ)架構(gòu)，且本地應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無法有效互聯(lián)互通互操作，操作系統(tǒng)內(nèi)核的進程機制對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的組件化和保證安全的隨意遷移形成了阻礙，Linux Kernel 越來越復(fù)雜和龐大使得其逐步變得僵化，Linux Kernel 和底層系統(tǒng)缺少對上層框架（Android 框架、傳統(tǒng) Linux 應(yīng)用框架、Browser 界面框架等）的統(tǒng)一和靈活可定制的支持。這些需要感興趣的人去深入探索和解決。但前面也提到了，操作系統(tǒng)的新理念/先進技術(shù)因素只是一個 OS 能夠成功的一小部分，還有很多因素需要綜合考慮。路很長，需要一步一步腳踏實地的走，沒有捷徑。