NJUOS-31-Android系统

复习

• 应用视角的操作系统

  • 对象 + API

• 硬件视角的操作系统

  • 一个控制了整个计算机硬件的程序

• 本次课回答的问题

  • Q: 一个真正 “实用” 的操作系统还需要什么？

• 本次课主要内容

  • Android 应用和系统

走向移动互联网时代

我们的世界悄然发生的变化

我们已然无法想象没有手机的生活。

(把计算机变小从来不是一个新想法，但是……)

Android 应用

(把计算机变小从来不是一个新想法，但是……)

一次、再一次，改变世界

Android

Android 官方主页

• Linux + Framework + JVM
  • 在 Linux/Java 上做了个二次开发？
  • 并不完全是：Android 定义了应用模型
• 支持 Java 是一个非常高瞻远瞩的决定
  • Qualcomm MSM7201
    • ARMv6 指令集
    • 528MHz x 1CPU, 顺序八级流水线
    • TSMC 90nm
  • “跑个地图都会卡”
    • 但摩尔定律生效了！

Android Apps

• 一个运行在 Java 虚拟机 (Android Runtime) 上的应用程序

  • Platform (Framework)

  • NDK (Native Development Kit)

  • Java Native Interface (C/C++ 代码)

• 官方文档 (RTFM)

  • Kotlin

  • Platform

    • android.view.View: “the basic building block for user interface components”
      • android.webkit.WebView - 嵌入应用的网页
      • android.hardware.camera2 - 相机
      • android.database.database - 数据库

Android 应用

“四大组件”

• Activity

  • 应用程序的 UI 界面 (Event Driven)

  • 存在一个 Activity Stack (应用拉起)

• Service

  • 无界面的后台服务

• Broadcast

  • 接受系统消息，做出反应
    • 例如 “插上电源”、“Wifi 断开”

• ContentProvider

  • 可以在应用间共享的数据存储 (insert, update, query, …)

例子：计算器

Calculator

• AndroidManifest.xml - 应用的 “元数据”
  • 例如需要的权限、监听的 Intents 等
• res - 资源文件
  • 各国语言的翻译
  • 图片文件 (例如图标)
• 编写应用逻辑只需要重载 Activity 的 onCreate, … 即可

Android 系统

Platform API 之下：一个 “微内核”

• 通过 “Binder IPC”

  • Remote Procedure Call (RPC)

    • remote.transact()

  • 在性能优化和易用之间的权衡

    • 注册机制
      • 相比之下，管道/套接字就太 “底层” 了，需要手工管理的东西太多
      • 基于共享内存实现
      • Linux Kernel binder driver
      • 服务端线程池

然后……海量的代码

• 例子：如何杀死一个 Android 进程？

  • RTFSC: ActivityManagerService.java
    • Android 每个 App 都有独立的 uid
    • 遍历进程表，找到属于 uid 的进程
    • Process.KillProcessGroup
      • 间隔 5ms，连续杀死 40 次，防止数据竞争
      • Operating System Transactions 的必要性

• 那么，我们是不是就可以利用数据竞争进程保活了呢？

  • 成为孤儿进程从而不会立即收到 SIGKILL 信号

  • 在被杀死后立即唤醒另一个进程: flock-demo.c

    • A lightweight framework for fine-grained lifecycle control of Android applications (EuroSys’19); “diehard apps”

一个真正的 “操作系统”

• adb (Android Debug Bridge)

  • adb push/pull/install

  • adb shell

    • screencap /sdcard/screen.png
    • sendevent

  • adb forward

  • adb logcat/jdwp

• 一系列衍生的工具

  • 开发者选项

  • scrcpy

  • Monkey/UI Automator

拥抱变化的世界

我们也试着蹭一波热度 (也决定不再蹭了)

• Cross-device record and replay for Android apps (ESEC/FSE’22, Under review)
• Detecting non-crashing functional bugs in Android apps via deep-state differential analysis (ESEC/FSE’22, Under review)
• Push-button synthesis of watch companions for Android apps (ICSE’22)
• ComboDroid: Generating high-quality test inputs for Android apps via use case combinations (ICSE’20)
• Characterizing and detecting inefficient image displaying issues in Android apps (SANER’19)
• …
• User guided automation for testing mobile apps (APSEC’14)

总结

• 本次课回答的问题

  • Q: 一个真正 “实用” 的操作系统 (生态) 是如何构成的？

• Takeaway messages

  • 服务、服务、服务

    • Android Platform API
    • Google Mobile Service (GMS)
    • 海量的工程细节

  • 复杂系统无处不在

    • 能驾驭整个系统复杂性的架构师
      • 大量高水准的工程师，他们都在哪里？

References

1. slides
2. vedio