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高级操作系统（读书报告）简述Android操作系统并对当前主流手机OS比较分析摘要 介绍Android移动平台系统架构，通过对Android源代码的分析，将其与标准Linux内核(2.6.27)源代码相比较，详细解析Android内核的功能更新，分析讨论加Android内核与标准Linux内核之间的不同以及Android在移动平台上的优势并对Android在各种内核之间做出一个定位。介绍了主要智能手机操作系统现状并进一步分析了其发展现状。最后，在此基础上展望了主要智能手机的发展前景，未来随着智能手机发展、应用日益丰富以及各方产业力量的博弈等，全球智能手机操作系统将呈现出被若干主要产品瓜分的新格局。关键词 操作系统 Android 内核 IOS Symbian Linux 0 引言随着嵌入式技术的发展智能手机的运行速度和所集成的功能获得了极大提升。借着这股东风，Google主导的开放手机联盟OHA(0pen Handset Alliance)顺势在2008年推出了Android移动终端平台。Android是一个开放、自由的终端平台，它的发布，打破了诺基亚Symbian操作系统和微软Windows Mobile操作系统在智能手机平台上的垄断地位同时，其平台化的优势也大大丰富各种手持式设备软件的功能。1 Android操作系统简述1.1 Android系统架构Android是Google开发的基于Linux平台的开源手机操作系统，它是一个移动终端平台，包括了移动电话工作所需的全部软件，由操作系统、中间件、UI(User Interface)及应用程序组成。开发人员使用Java语言，开发运行于Dalvik虚拟机上的应用程序，其运行效率比一般嵌入式Linux操作系统上的J2ME程序高。Android系统架构自底向上由以下4个层次组成：基于Linux的内核模块、运行时库与其他库、应用程序框架、应用程序。(1)基于Linux的内核模块Android内核基于Linux 2.6，提供安全、内存管理、进程管理、网络组、驱动模型等核心服务。同所有Linux内核一样Android内核是介于硬件层和软件组之间的一个抽象层次。(2)运行时库与各种程序库运行时库实质是一款Java重新设计的虚拟机Dalvik它包含J2SE所提供的绝大部分功能。每个Android应用都运行在自己的进程上Dalvik虚拟机为它分配自有的实例。Dalvik使一台设备能运行多个虚拟机程序但消耗较少的资源。在Android中编译器将Java源文件转为class文件。内置的dx工具又将class文件转化为Dex文件Dex文件是在Dalvik虚拟机上运行程序的标准格式。各种程序库3：包含一套C/C+库。Android的各式组件都可使用。这些功能通过组件间接提供给开发者。这些库包括图形框架、媒体功能库、Webkit、及SQLite数据库，等等。(3)应用程序框架提供应用程序开发所需要的各种API。在开发过程中开发人员通过充分使用应用框架提供的API，对各种组件、服务进行重用从而开发出精简、高效的应用程序。主要包括以下几种核心组件：UI组件、内容提供器(Content Pmvider)、资源管理器(Resource Manager)、消息管理器(Notification Manager)、Activity管理器(Activity Manager)。 (4)应用程序Android预装了一系列由Java语言编写成的核心应用程序包括短信服务、电话、Email客户端、浏览器、Google地图等。1.2 Android内核分析（1）内核在操作系统中的地位Android基于Linux操作系统，由硬件、系统内核、系统服务和应用程序等四大部分4组成。其中，内核（Kernel）是最核心的部分，其主要作用在于与计算机硬件进行交互实现对硬件的编程控制和接口操作调度访问硬件资源，同时向应用程序提供一个高级的执行环境和对硬件的虚拟接口。主要功能包括：中断服务程序、进程调度程序、进程地址空间的内存管理、进程间通信。内核与普通应用程序不同，其拥有所有硬件设备的访问权限以及启动时即划分的受保护的内存空间。（2）Android内核和标准的Linux内核一样Android内核主要实现内存管理、进程调度、进程间通信等功能。Android内核是在标准Linux内核的基础上修改而成。为了适应嵌入式硬件环境和移动应用程序的开发，Android对标准Linux内核进行了一定的修改。为了对比分析Android内核在Ubuntu操作系统上搭建了Android内核的编译开发平台，通过repo，下载最新的Android内核代码版本cupcake(其中Linux内核版本为2.6.27)。从获得的内核源码树的根目录结构看，Android内核源码与标准Linux内核并无不同。Android内核源码树根目录结构如表1所示。经过与标准Linux内核源代码进行详细对比，可以发现，Android内核与标准Linux内核在文件系统、进程间通信机制、内存管理等方面存在不同。 文件系统不同于桌面系统与服务器，移动设备大多采用的不是硬盘而是采用Flash作为存储介质，因此，Android内核中增加了标准Linux内核中没有采纳的YAFFs2文件系统。YAFFS2(Yet Another Flash File Sy-stem,2nd edition)是专用Flash的文件系统对NAND-F1ash芯片有着良好的支持。YAFFS2是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保护，可以有效地避免意外断电对文件系统一致性和完整性的影响。YAFFS2按层次结构设计，分为文件管理接口、内部实现层和NAND，简化了其本身与系统的接口设计能更方便地集成到系统当中。经过测试证明YAFFS2性能比支持NOR型闪存的JFFS2文件系统优秀7。 程问通信机制Android增加了一种进程间的通信机制IPC Binder，在内核源代码中，驱动程序文件为coredroid/include/linux/binder.h 和coredroid/drivers/android/binder.c。Binder通过守护进程Service Manager管理系统中的服务，负责进程问的数据交换。各进程通过Binder访问同一块共享内存，以达到数据通信的机制。从应用层的角度看，进程通过访问数据守护进程获取用于数据交换的程序框架接口，调用并通过接口共享数据，而其他进程要访问数据，也只需与程序框架接口进行交互，方便了程序员开发需要交互数据的应用程序。 内存管理在内存管理模块，Android内核采用了一种不用于标准Linux内核的低内存管理策略。在标准Linux内核当中，使用一种叫做00M(0ut of Memory)的低内存管理策略；当内存不足时，系统检查所有的进程，并对进程进行限制评分，获得最高分的进程将被关闭(内核进程除外)。Android系统采用的则是一种叫做LMK(Low Memory Killer)的机制，这种机制将进程按照重要性进行分级、分组。内存不足时，将处于最低级别组的进程关闭。例如，在移动设备当中，UI界面处于最高级别，所以该进程永远不会被中止，这样，在终端用户看来系统是稳定运行的。与此同时Android新增加了一种内存共享的处理方式Ashmem(Anonymous Shared Memory，匿名共享内存)。通过Ashmem，进程间可以匿名自由共享具名的内存块。这种共享方式在标准Linux当中不被支持。 电源管理由于Android主要用于移动设备，电源管理就显得尤为重要因此在Android内核当中。增加了一种新的电源管理策略。目前，Android采用的是一种较为简单的电源管理策略通过开关屏幕、开关屏幕背光、开关键盘背光、开关按钮背光和调整屏幕亮度来实现电源管理并没有实现休眠和待机功能。有三种途径判断调整电源管理策略：RPC调用、电池状态改变和电源设置。它通过广播Intent或直接调用API的方式来与其他模块进行联系。电源管理策略同时还有自动关机机制当电力低于最低可接受程度时，系统将自动关机。Android的电源管理模块还会根据用户行为，自动调整屏幕亮度其响应机制如图1所示。 驱动及其他相对于标准内核，Android内核还添加了字符输出设备、图像显示设备、键盘输入设备、RTC设备、USB Device设备等相关设备驱动。增加了日志(logger)系统使应用程序可以访问日志消息。图1 屏幕背光响应机制1.3 小结经过分析，Android内核由标准Linux内核修改而来，因此继承了Linux内核的各种优点，保留了标准Linux内核的主体架构。同时，Android按照移动设备的需求，在文件系统、内存管理、进程问通信机制、电源管理等方面进行了修改，添加相关的驱动程序和一些必要的新功能，但是与大多数精简的嵌入式Linux操作系统相比，Android很大程度上保留了标准Linux的基本架构，因此，Android系统应用范围更加广泛，拓展性更强。2 针对当前其他主流手机操作系统分析比较针对Android手机特点，以下只针对当前主流的几款智能手机操作系统的主要特点进行分析。我们知道，智能手机吸引人眼球的关键是其对用户具有一定的开放性，这种开放性可集中体现在手机操作系统允许用户自行安装可兼容的应用软件。目前主要的智能手机操作系统有Apple的IOS系统、Google主导的Android、诺基亚主导的Symbian以及微软的Widows Mobile、RIM针对Black berry手机的Black berry OS等。根据源代码、内核和应用环境等的开放程度，智能手机操作系统可分为开放型平台和封闭型平台两大类：Android属于开放型平台代表；而Widows Mobile、Mac OS X、Blackberry OS等都是封闭型平台。而根据市场占有率来看，全球智能手机操作系统呈现出被若干主要产品瓜分的新格局已逐步展现，如图2为2011年初统计图表：图2 下文将分析几个主要智能手机操作系统的发展状况。 (1)SymbianSymbian公司最初于1998年由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和Psion合资成立，随后Sony、松下等公司陆续加入。自2000年首款基于Symbian操作系统的手机上市后，Symbian平台目前已发展到9X版本。而且具有Series60、Series80、Series90等多种针对不同硬件平台的界面，其中Series60是应用最广、市场占有率最高的界面产品。Symbian的发展优势基于手机操作的长期优化积累以及诺基亚等在智能手机市场领先的终端厂商支持，而且Symbian还拥有广泛的软件/应用开发支持，但是由于系统代码、体系结构等特点，Symbian对新的手机硬件(如高速处理器、大尺寸屏幕)和软件(如Firefox等第三方浏览器)支持已显乏力迹象。而终端厂商出于竞争目的也缺乏大力支持Symbian的意愿，索爱、摩托罗拉等原Symbian阵营的重要力量都已转向WindowS Mobile和Android等平台。整体上看，Symbian已进入发展调整期，诺基亚的策略、自身开源的进程等都将影响其未来发展。(2)Mac OS X随着iPhone的更新换代，Mac OS X目前已发展到第三代的5X版本。作为iPhone专用的手机平台，Mac OS X能够有效支持iPhone的硬件并具有较强的娱乐功能/应用和互联网访问支持。另外，针对iPhone的应用软件商店APP Store的开通，也提升了Mac OS X的影响力。在iPhone的良好销售量推动下，APP Store取得了快速发展，截至2009年11月底，App Store内的软件数量已经超过10万款，市场覆盖包括中国在内的77个国家和地区，参与软件开发计划的开发者和开发商数量则超过12.5万。综合来看，Mac OS X是现阶段在娱乐和互联网应用方面相对领先的手机平台。(3)Blackberry OS近两年Blackberry在智能手机市场的份额之所以增长迅速，除了RlM的手机邮件服务保持了竞争力外，Blackberry手机不断丰富的功能和应用也是主要的驱动因素。从功能来看，Blackberry OS的优势在于商务和集成应用上，而对游戏等娱乐功能的支持要稍弱于Mac OS X，不过，这些都是RIM对Blackberry手机的主要定位所根本决定的。(4)Linux阵营由于Linux一开始就采取开源模式，基于Linux的智能手机平台种类较为丰富，但由于长期缺乏主流的产业领导力量，Linux阵营内部分化严重，各厂商开发的手机平台互不兼容，这反而弱化了Linux阵营在智能手机平台领域的影响力。2007年11月Google发起成立OHA并宣布推出手机平台Android，目前OHA的成员已超过50家。2008年10月，随着第一部基于Android的手机上市，Android也开始了正式商用。从正式商用的1.1版本起，Android已经历了1.5、1.6、2.0、2.3等重大版本的升级改进，而基于Android的终端型号也在加速丰富，2008年底Android手机只有几款，到2009年8月底已经增加到42款，而到2010年初就已经百余款。从手机销售看，其在智能手机市场的份额也提高迅猛。在应用开发方面，google针对Android平台建设了Android Market应用商店，虽然目前来看也还落后于APP Store，但随着Android手机销量的不断增长，Android Market的潜力仍不可忽视。3 主要智能手机操作系统的前景展望首先，从操作系统自身发展的角度看，性能、功能及兼容性仍是各种平台竞争的焦点。随着1 Ghz处理器、4寸以上高分辨率屏幕以及大容量存储器的不断普及，良好支持最新的硬件已成为智能手机操作系统应具备的基本特点。在手机和业务功能支持上，由于良好的软硬件整合能力是影响功能研发和体验的重要因素，预计Mac OS X、Blackberry OS等平台由于其所有者拥有终端、平台产品并掌控应用环节，将在功能创新上获得一定的有利地位。兼容性问题是一直困扰智能手机操作系统的共同问题，不仅现有不同平台互不兼容(即应用需要为不同平台开发不同的版本)，相同平台的不同版本往往也无法实现后向兼容，针对老版本平台开发的应用软件无法在新版本平台上运行的情况比比皆是，而从桌面PC操作系统的发展发展实践看，相同平台下保持一定周期的后向兼容性是非常必要的，因此首先有效解决兼容性问题的平台将有望在应用环节取得竞争优势。其次，从市场走向来看，未来一段时期内智能手机操作系统市场被若干主要产品瓜分的可能性较大，这是由各产品都有优劣势和各自代表的产业链都具相当实力的特点所决定的。Symbian面临开源进程缓慢、自身性能/功能趋向落后以及跟诺基亚关系处理等一系列问题，要重新取得当初的绝对领先地位难度很大。作为封闭系统，Mac OS X、Blackberry OS的市场表现完全取决于其