华为鸿蒙OS轻量内核设计理念与关键特性

2020 年 9 月 15 日

华为鸿蒙OS轻量内核设计理念与关键特性

9 月 10 日,在华为开发者大会 2020 上,华为消费者业务 CEO 余承东宣布推出鸿蒙 OS 2.0 版本(HarmonyOS 2.0),同时将鸿蒙 OS 的代码捐赠给开放原子开源基金会进行开源孵化。根据华为公布的鸿蒙开源路标,即日起鸿蒙面向大屏、手表、车机等 128KB-128MB 终端设备开源;2021 年 4 月,面向内存 128MB-4GB 终端设备开源;2021 年 10 月,将面向 4GB 以上所有设备开源。

鸿蒙 OS 开源项目:  https://www.openatom.org/openharmony

鸿蒙 OS 代码仓库:  https://openharmony.gitee.com/

本文将进一步介绍鸿蒙 OS 的轻量级内核,包括其设计理念、做了哪些优化以及关键特性。本文由 InfoQ 整理自华为开发者大会 2020 技术论坛演讲《HarmonyOS 内核设计》,由华为消费者业务 OS 平台资深专家王米虎分享,内容未经本人确认。

HarmonyOS 轻量内核设计理念

华为很早就推出了面向物联网领域开发的轻量级操作系统 LiteOS,这个系统可以很好地支撑小芯片,但是要支撑更多复杂的上层应用框架和服务,还需要对其内核做大量的改进。

纵观 IoT 产品的发展趋势,硬件能力变得越来越强大,功能也越来越丰富。早前的 IoT 硬件功能比较简单,只需要跑在 M 核上,再加一些简单的协议就可以了,内核大小通常只有几十 KB 级别;后面出现了摄像头等新设备,需要跑在 A 核处理器上,支持少量 AI 功能,内核之上的组件越来越丰富;到近几年,很多设备都配备有屏幕,给系统内核带来了比较大的需求改变,只有内核已经无法满足需求,上面还需要有应用、UI、图形界面、多媒体。在这种挑战下,内核应该怎么做?

目前业界 IoT 设备有几种比较典型的解决方案。在资源受限的场景下,一般采用的是 RTOS 方案,好处是内存占用小、启动速度快、实时性高;但缺点也很明显,首先 RTOS 系统生态不够完善,驱动核第三方库比较复杂,移植工作量很大,另外,RTOS 应用和内核不能隔离,都在统一的内存地址空间,应用代码引起的系统异常会挂死在内核,导致应用开发和产品开发无法解耦。如果基于 RTOS 方案开发 Harmony OS 的内核,上述问题都会给研发团队带来比较大的困难,并且也提高了支撑解决方案的技术人员的技术门槛。

业界另一个解决方案是基于 Linux 的方案,优点是驱动和三方库生态软件完善,移植适配也比较容易,而且应用与内核隔离,应用可以在自身独立空间中运行,确保不同应用间安全、稳定,可支撑复杂交互体验设备开发;缺点是内存占用大、启动速度慢、实时性偏弱。

而华为 Harmony OS 的轻量内核设计目标是要同时实现类 Linux 的开发体验和 RTOS 的运行效果,主要从以下三个维度来做:

首先在上层增加了 POSIX 标准库,支撑比较丰富的 API(目前已经支持 1000 多个 POSIX 接口),以使生态软件可以比较方便地移植到 Harmony OS 上;其次是内核机制增强,增加了多进程、虚拟内存,希望生态应用能够跟内核区分开来,应用挂掉之后只会挂在它的用户态,而不会影响其他应用,也会相对安全,后来又增加了动态链接,开发者拿到对应的编译工具链之后就可以在 Linux 上编译出标准的 ELF 文件,然后直接在 Harmony OS 上运行,给开发体验带来了很大的差异;最后是底层设计了 HDF 统一驱动框架,以实现一次开发跨设备、跨系统驱动共享。

HarmonyOS 轻量内核关键特性

多进程

从系统的角度看,进程是资源管理单元。OpenHarmony 内核的进程模块可以给用户提供多个进程,实现进程之间的切换和通信,帮助用户管理业务程序流程。这样用户可以将更多的精力投入到业务功能的实现中。

OpenHarmony 内核中的进程采用抢占式调度机制,支持时间片轮转调度方式和 FIFO 调度机制。OpenHarmony 内核的进程一共有 32 个优先级(0-31),用户进程可配置的优先级有 22 个(10-31),最高优先级为 10,最低优先级为 31。高优先级的进程可抢占低优先级进程,低优先级进程必须在高优先级进程阻塞或结束后才能得到调度。每一个用户态进程均拥有自己独立的进程空间,相互之间不可见,实现进程间隔离。用户态根进程 Init 由内核态创建,其它用户态进程均由 Init 进程 fork 而来。

多核

目前 Harmony OS 在支持多核的同时也支持把任务分发到不同 CPU 上面去,不过还没有做很复杂的负载均衡,因为在 IoT 设备上目前看不是很有必要,后面可以再做扩展。

虚拟内存

虚拟内存主要是为了配合多进程来做到应用之间的隔离,支持用户态内存通过缺页异常按需分配。物理内存采用的是经典的管理方式,内核态地址空间是 1-4G,用户态内核空间是 0-1G,从而减少用户态进程页表项。内核采用静态映射,提升虚实转化效率。

动态链接

Harmony OS 的动态链接特征包括:

  • 按需加载:多应用共享代码段,加载最小单元为页;
  • 符号绑定:支持立即和延迟绑定;
  • 加载地址随机化:进程代码段、数据段、堆栈段地址随机化。

权限管理

Harmony OS 为 IoT 设备引入了一个比较轻量级的权限管理,做到了进程级别的权限控制,只有授权的进程才可以访问系统资源。Disc 方面引入了用户组的概念,可以根据进程 uid 的配置灵活划分文件资源归属和管控。

文件系统

Harmony OS 文件系统采用的是目前业界比较通用的实现方式。

更多鸿蒙 OS 开发者文档,详见:
https://gitee.com/openharmony/docs

2020 年 9 月 15 日 14:34 3342
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蔡芳芳 InfoQ高级编辑

发布了 455 篇内容, 共 210.5 次阅读, 收获喜欢 1152 次。

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评论 2 条评论

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图片质量差
2020 年 09 月 16 日 12:51
回复
现场用手机拍的,尽力了……
2020 年 09 月 16 日 17:20
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