Overview

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

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。

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

“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

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？