Android技術架構演進與未來

點擊數：1492019-04-01 09:48:30　來源: 深圳網站建設,微信APP開發,網店裝修,藝之都網絡公司官網

引言
眾所周知，Android是谷歌開發的一款基于Linux的開源操作系統，每年迭代一次大版本升級。
小米、華為、OPPO、VIVO、三星等各大廠商對Android原生系統進行二次開發衍生出具有各家特色的系統（比如MIUI），為手機、電視、平板電腦、手表等數十億設備提供平臺支持，使得Android作為全球最受歡迎的移動操作系統。Android誕生至今已有10余年，這一路走來Android遇到哪些問題？大版本升級朝著什么方向演進？Android的未來如何？


1. 發展歷程
先來看看Android系統的發展過程，從2008年發布Android 1.0系統，直到2019年即將發布Android 10.0系統，下面列舉些重要的時間節點。


2003年10月，Andy Rubin團隊創辦Android公司；
2005年8月，谷歌收購Android公司，Andy Rubin擔任谷歌工程部副總裁繼續負責Android項目；
2008年9月，谷歌正式發布Android 1.0系統；
2011年1月，Android系統設備的用戶總數達到了1.35億，成為智能手機領域占有量第一的系統；
2011年8月，Android手機占據全球智能機市場48%份額，并在亞太地區市場占據統治地位，終結了Symbian系統的霸主地位，躍居全球第一；
2012年1月，谷歌Android Market已有10萬開發者，推出超過40萬應用；
2013年11月，Android 4.4正式發布，系統更智能、UI更現代；
2013年到2018年，這個階段安卓進入飛速發展期，被升級的有攝像頭、內存、機身、芯片等，原來的3.5寸小屏已退出歷史舞臺，全面屏、劉海屏、水滴屏已成為當下主流屏幕方案。
2. 系統演進


系統演進趨勢：每個Android大版本的更新迭代前行，歷經10余年，在用戶體驗、流暢性、續航、安全、隱私、機器學習等方面都取得較大的改進。圖中是每個大版本中最具代表性的特征標記在圖中，并不代表著該版本全部特征，同樣專項計劃也不是只在某一個版本執行，比如續航和性能優化，每一個版本都在持續改進中，Treble計劃也一直在迭代至今。


從Android 1.0發展到Android 4.0，系統各項功能和特性迭代到一個較完善的階段；
Android 4.1系統，Google開展了黃油計劃（Project Butter），為了讓Android系統擺脫UI交互上的嚴重滯后感，希望能像“黃油”一樣順滑。
核心原理是系統框架中的渲染和動畫統一采用垂直同步技術(VSYNC)，以及三重緩沖技術(Triple Buffer)，讓滑動、翻頁等操作更加一致與順滑。
Android 4.4系統，Google開展了瘦身計劃（Project Svelte），力求降低安卓系統的內存使用，解決低端機型升級難的問題，讓Android 4.4可正常運行在所有Android手機，從而減少安卓系統繼續碎片化。UI設計上，支持新的“沉浸式模式”，用戶界面由過去的黑色與藍色為主的色調轉向帶有透明度的淺色系，視覺語言變得更加明亮與現代化。
Android 5.0系統，Google開展了伏特計劃（Project Volta），力求提升續航能力，這方面Google落后于業界廠商，廠商直面用戶對續航尤為迫切，往往系統資源管控更為嚴格。另外，系統采用全新的ART，拋棄Dalvik虛擬機，大幅提升運行效率。UI設計上，使用全新的扁平化Material Design設計風格，更加清新與質感的設計，統一Android設備的外觀和使用體驗。
Android 6.0系統，Google引入新的運行時權限，讓用戶能夠更好地了解和控制權限；引入了Doze模式，進一步提升電池續航能力。UI設計上，新增夜間模式，大幅改進通知欄，讓通知更簡潔。
Android 7.0系統，引入新的JIT編譯器，對AOT編譯器的補充，可節省存儲空間和加快更新速度；進一步優化Doze喚醒機制；UI設計上，支持分屏功能；
Android 8.0系統，Google開展了計劃（Project Treble），重新架構Android，將安卓系統框架與Vendor層解耦，力求徹底解決安卓碎片化這一老大難的問題，這是安卓系統架構最大的變化。系統層面加強對后臺服務、廣播、位置的管控限制。UI設計上，改進通知欄，智能文本選擇和自動填充功能。
Android 9.0系統，引入神經網絡API，采用機器學習的思路來預測用戶使用習慣來做省電優化，繼續強化Treble計劃；文件系統(sdcardf/F2FS)持續提升；私有API的限制進一步規范化Android生態，強化隱私和安全，硬件安全性模塊以及統一生物識別身份驗證界面。 UI設計上，新的手勢導航，加強支持劉海屏，UI搜索界面使用到機器學習，AI正在逐步強化Android系統。
Android 10.0系統，Google開展了主線計劃（Project Mainline），相關模塊（Modules）不允許廠商直接修改，只能由Google應用商店來更新升級，強化用戶隱私、系統安全與兼容性。支持臉部生物識別。
系統不斷演進，但整體架構基本沒有改變，如下圖所示。




3. 碎片化
Android歷經10余年的迭代，在流暢性、內存、續航、安全、隱私等方面都取得很大的進步，但Android系統的碎片化一直是痛點問題，帶來不一致的用戶體驗。Android的開放性，是其長久發展的主要原因，讓大多數的廠商都選擇Android系統，但開放性的背后是碎片化，從Android誕生至今問題就一直存在，Google一直在努力從技術角度來解決碎片化問題。從Android 8.0提出Treble項目，重新架構系統將system與vendor解耦合，用于加快Android新版本的適配，效果并不明顯，Google繼續在后續的Android P以及Android Q一直在不遺余力地持續完善Treble項目，力爭加快系統升級速度。如下圖，目標是希望在保持Vendor不變的情況下，可以獨立升級System模塊。




Android系統碎片化，讓安全、隱私問題存在風險，且存在體驗不一致性問題，但老版本手機的OTA維護升級對廠商來說成本是昂貴的，Ｇoogle感覺到對Android系統掌控力度不足，要想徹底改變，除非不讓各大廠商定制化，這勢必導致Android手機完全同質化，手機廠商就沒法玩了，等于自掘墳墓，Google肯定不會這么干。于是，Google在Android 10.0提出了”Project Mainline“，將對隱私、安全、兼容性造成重大影響的少數模塊獨立成module，每個module打包成APEX格式（一種類似于APK的新格式），由Google通過應用商店定期來升級，從而保證低版本的手機不會因為碎片化而得不到隱私、安全與兼容性的更新。這些module是由Google維護的主線，各大廠商只能跟Google溝通并將代碼upstream到AOSP主線。Google花費了大量的人力在努力完善并推行Mainline，Google希望統一管控的機制，廠商希望最大的自由定制空間，這是一場有趣的角逐，筆者跟團隊一起跟Google協商落地module的落地計劃，最終將某些module影響較大模塊爭取Android 11再上線，Mainline更新機制如下圖所示。




4. 應用演進
Android系統離不開各App來提供豐富的功能，下面再來簡單說一說應用的一些技術演進。


移動端跨平臺技術：從最開始以Cordova為基礎(依賴于WebView)的Hybrid混合開發技術，到React Native的橋接（將JS轉為Native）的技術，再到最新的Flutter技術。Flutter是Google發布的全新的移動跨平臺UI框架，渲染引擎依靠跨平臺的Skia圖形庫來實現，依賴系統的只有圖形繪制相關的接口，可以在最大程度上保證不同平臺、不同設備的體驗一致性，邏輯處理使用Dart語言，執行效率比JavaScript高。另外，Google內部正在開發的另一個操作系統Fuchsia的UI layer采用的是Flutter，也就是說Flutter天然可以支持Android、IOS以及未來的Fuchsia。在大前端方向，對于跨平臺開發中一直在不斷迭代中尋找更好、更優的解決方案，目前來看Flutter還是更有優勢。


應用架構：MVC模式（Model–view–controller）但Activity類過于臃腫，為解決這個問題，有了MVP（Model–view–presenter），presenter不僅要操作數據，而且要更新view；再到MVVM（Model-View-ViewModel）解決了MVP大量的手動View和Model同步的問題，提供雙向綁定機制。


熱修復與插件化技術：熱修復的主要應用場景是為了讓用戶無感得修復線上缺陷，比如Tinker，Andfix，Sophix等。插件化是為了減少模塊耦合，可減少主程序的規模，可按需加載，比如DroidPlugin，OpenAtlas等。關于各個熱修復與插件化的細節不再展開，這里就說一點，Android 7.0對Native的NDK的調用限制是手銬，尤其是Android 9.0對Java層SDK的調用限制就是腳銬，那么對于Android應用想再搞插件化之類的黑科技便是帶著腳手銬跳舞，能跳但舞姿可能不太美觀。


App Bundle：隨著應用不斷演講，功能越來越復雜，且應用針對不同屏幕設備、不同國家語言資源都打包在同一個App，導致應用包不斷增大，據統計自2012年以來應用包大小增長5倍。雖然現在手機的存儲空間越來越大，但用戶照片、視頻等媒體文件品質在逐漸提升，導致設備可用空間逐漸緊縮。為此Google在去年Google I/O大會講述Android引入新的App動態化框架（即Android App Bundle，縮寫為AAB）。利用Split Apk完成動態加載，使用AAB動態下發方式，可顯著縮小應用體積，減少對存儲空間的占用。


Kotlin：是Google推薦的官方靜態編程語言，與Java互通，可相互轉換。Kotlin編譯成Java字節碼，也可以編譯成JavaScript，運行在沒有JVM的設備上，簡潔安全。使用Kotlin更快速地編寫Android應用，可以提高開發者的工作效率，少編寫樣板代碼，被稱之為 Android 世界的Swift。谷歌開發者社區做過一個問卷調查，大概有40%的Android開發者已使用過Kotlin。這里并非鼓勵大家一定都要使用Kotlin，學習新語言就像一次投資，要權衡團隊成本與收益之間的利弊。


5. Fuchsia
2016年開始，Google有一群超過百人的工程師團隊秘密研發一款名為Fuchsia的新系統，該團隊很豪華，有來自Android、iPhone、WebOS、Chrome、Flutter等核心工程師，這么多優秀的人在一起研發這個項目，的確值得期待。Fuchsia的內核采用Zircon，UI層采用Flutter框架，底層渲染Escher，支持Vulkan作為底層Graphics API。


提到Vulkan，順便說一下，去年筆者在美國跟Android團隊討論到并問及Vulkan未來的規劃，Google表示未來幾年會大力推廣Vulkan技術，Vulkan是一種跨平臺的高性能低開銷的圖形接口，在移動設備上比OpenGL ES有著更出色的表現。Vulkan將會是未來Android平臺的一個發展方向，尤其是游戲領域，比如王者榮耀Vulkan版本。


在2017年5月，Google的Android工程副總裁Dave Burke稱Fuchsia是早期實驗項目，而在谷歌內部有很多這類實驗項目，存在很大未知變數。2017年11月，Google研發人員表示Fuchsia支持Swift，足見打造統一操作系統的野心。在過去的Google I/O大會只字未提及Fuchsia，Google官方回應不清楚Fuchsia會在出現在什么設備。


Fuchsia會是Android的終結者嗎? 筆者認為至少未來五年內不太可能取代Android。當年為了和蘋果iOS抗衡，Android系統研發作為Google重中之重，在這種情況下，Android誕生依然花費了Google 3年時間。而Fuchsia只是公司目前的實驗項目，且Fuchsia并非基于業界成熟Linux內核，而是采用全新Zircon內核，項目工程路還很遠。


筆者大致研究了一下Fuchsia系統源碼，總結了一下Fuchsia的整個技術架構圖如下。




從Fuchsia技術架構來看，內核層zircon的基礎LK是專為嵌入式應用中小型系統設計的內核，代碼簡潔，適合嵌入式設備和高性能設備，比如IOT、移動可穿戴設備等，目前這些領域還沒有標準化級別的壟斷者。以及在框架層中有著語音交互、云端以及智能化等模塊，由此筆者揣測未來Fuchsia率先應用在音控等智能設備。


Fuchsia基于功能的模塊化操作系統，應該會使各組件模塊能獨立升級更新能力，保證體驗一致性。Fuchsia在IOT領域占據一定份額后，加之其良好的跨平臺，可以再逐步滲透到移動手機、筆記本電腦等設備，進而三位一體，打造手機、電腦與IOT完美的互聯互通的統一平臺體驗，讓多端設備都離不開Fuchsia。在2018年10月，在“藍牙特別興趣小組（Bluetooth SIG）”舉辦的UnPlugFest（UPF）測試大會上，Google再展示了Fuchsia與Android設備的互聯性，可以窺見一斑。


Fuchsia的定位更是物聯網，再是一統江湖，但路途漫長，至少要５年甚至更遠。未來不可知，當然說不定Fuchsia作為實驗項目，一直待在實驗室，不過這種可能性比較小，做不到一統江湖，在IOT領域發光發亮還是大有可為的。


6. 展望未來
操作系統
移動操作系統的演變過程，從按鍵交互的塞班功能機到觸摸屏交互的Android/IOS智能機，從小屏幕手機到全面屏、劉海屏、水滴屏。任何系統無非干兩件事：輸入和輸出，接收到外部輸入信號后經過操作系統處理后輸出信息。


從按鍵式交互到觸屏式交互，伴隨著塞班系統到Android系統的轉變。未來的交互方式一定會更加生物智能化，當下的觸屏交互可以理解成人類的觸覺輸入方式，未來將朝著人們更常見的聽覺輸入（語音）和視覺輸入（身體姿勢、表情等），甚至嗅覺輸入（氣味變化），也會伴隨著新的操作系統的誕生。需要更加無縫地切入生活，而不是“安靜，你吵到我的TNT”方式。
屏幕從小尺寸到大尺寸，并沒有引發操作系統變革，因為技術創新是非連續性，非連續性才會引發第二曲線，誕生新技術。從1960年大型機，到1990年個人筆記本，再到現在的智能手機，設備本身越來越小。未來的設備如果發展非連續變革，可能不再需要實體硬件，隨處可輸出，一張白紙、一面墻，到那時操作系統的UI架構必然全新的變化。
前面提到Fuchsia系統，筆者認為至少未來五年內不太可能取代Android，但未來可期。新操作系統的崛起源于降維打擊，直線超車很難，需要有非連續變革，如果只是某種程度上的改進，很難突破用戶習慣、廠商以及生態圈的阻礙。Fuchsia需要降維打擊，比如Fuchsia在IOT領域以及新的交互方式都很出色，加上萬物無縫式的互聯互通的平臺，擁有跨平臺型特性的Fuchsia有機會成為超級平臺。


Android發展至今，已成為全球用戶量最廣泛的移動操作系統，手機行業競爭異常激烈，經過幾番洗牌，國內手機廠商主要是華米OV四大公司，筆者預測在未來五年內國內手機廠商可能只有TOP3，那么Android的未來在哪里呢？


Google在2014年發布Android Wear智能手表系統、Android TV系統以及Android Auto汽車系統，在2016年發布的Android Things智能設備，這些全方位構建安卓的生態圈。在未來在人工智能和5G的賦能下，智能汽車、智能家居、IOT都將會有廣闊的市場前景。但就目前人工智能的奇點還沒到來，技術還處于前期階段，一旦奇點來臨將會爆炸式發展，或將重新定義生活方式。


汽車的智能化和互聯網化是未來一大趨勢，Google這兩年確實在汽車領域發力，Android Auto在過去一年的用戶增長250％。天生的移動特性加上越來越多的互聯網服務需求，汽車需要一個具備多種感知能力的系統，或將成為是繼手機、電視后Android的下一重點開拓領域。受到駕駛安全的限制，車載場景正好需要將以往的觸屏按鈕的交互方式，轉向語音交互和生物感知，車艙內是天然的語音交互場景，而不再是“安靜，你吵到我的TNT”，語音和圖像識別、人工智能等技術或許會在車載領域得到更大的發展。


職業發展
隨著Android的發展，有些人對Android未來感到茫然，經常收到讀者私信問，“前輩，從事Android是不是沒有前途，找工作困難，希望能給點建議？”。早在2010年市場上有大量Android招聘，基本懂一點Java基礎的就可以搞Android，當時是移動互聯網創業的高峰期，號稱只要做個App就可以創業。“風來了豬都能找到工作，風停了最先摔死的都是豬”，如果你覺得找工作難，那一定是你在混日子，Android中高級以上的人才一直都非常稀缺。


只要在Android領域深耕，做到極致，努力成為這個方向的專家，有精力再提升工程架構思維，軟件工程思想都是相通的，境界會得到提升，即便再學習新東西也會非常快。只要一個領域做到極致，即便Android被淘汰了，換新領域面試官依然會相信你也能做到極致。千萬不能用一年的工作能力混十年工作經歷，否則你的市場價格連一年都不如，成為工作困難戶。


Android
Android系統迭代更新10余年，在用戶體驗、性能、功耗、安全、隱私等方面都取得很大的進步，后續版本會持續在內存、文件系統、虛擬機、圖形圖像等方向優化。隨著Android系統功能越來越多，系統架構中有些模塊未來可能會被重構，某些服務大鎖制約性能，比如Android 8.0優化過binder大鎖讓性能顯著提升。關于圖形方面，Vulkan將會是未來Android平臺的一個發展方向，尤其是游戲領域。


人工智能在Android系統上目前效果不太顯著，Google未來應該還會持續投入，比如在AI預測用戶行為加上相應后臺管控策略用于提升手機續航。碎片化仍是當下最主要的問題，碎片化也導致用戶隱私、安全和體驗一致性方面得不到保障，Google專門成立團隊致力于Android Mainline，從Android Q開始規劃Mainline，未來的版本都將逐步迭代更新。最后說一點，App兼容性問題比較嚴重，據Google實驗統計Android Q系統在全球Top 1000應用的兼容性不達標率4.3%，而中國Top 1000應用的兼容性不達標率17.6%，可見國內Android生態圈更為嚴峻得多，Google對隱藏API的限制就是一步長遠之棋，短期內導致應用不兼容加劇，長期來看生態圈會逐步健康，最理想的情況就是Android系統大版本升級而App兼容性問題不再有，后續Google應和廠商會加強跟主流應用協作規范應用，搭建良好健康的Android生態圈。