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