等 特 定 服 务 换 句 话 说, 设 备 的 可 能 用 途 取 决 于 在 用 户 购 买 它 时 预 先 安 装 的 应 用 程 序 这 在 新 移 动 设 备 中 发 生 了 巨 大 变 化, 新 移 动 设 备 几 乎 是 各 种 使 用 模 型 的 一 个 入 口 所 有 参 与 方,

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1 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 作 者 Xiao-Feng Li 英 特 尔 软 件 与 服 务 事 业 部 Yong Wang 英 特 尔 软 件 与 服 务 事 业 部 Jackie Wu 英 特 尔 软 件 与 服 务 事 业 部 Kerry Jiang 英 特 尔 软 件 与 服 务 事 业 部 Bing Wei Liu 英 特 尔 软 件 与 服 务 事 业 部 世 界 是 平 的, 因 为 它 正 变 得 日 益 移 动 化, 越 来 越 快 速 互 联 和 安 全 人 们 期 望 携 带 自 己 的 移 动 设 备 自 由 移 动, 同 时 与 他 们 的 合 作 伙 伴 和 家 人 保 持 密 切 的 沟 通, 享 受 灵 活 多 变 的 使 用 模 型 和 多 种 多 样 的 内 容, 而 无 需 担 心 设 备 和 数 据 管 理 所 有 这 些 都 对 移 动 设 备 提 出 了 要 求, 而 移 动 操 作 系 统 是 移 动 设 备 的 灵 魂 基 于 我 们 在 移 动 操 作 系 统 设 计 上 的 多 年 经 验, 和 对 当 前 行 业 形 势 的 广 泛 调 查, 我 们 相 信 未 来 的 移 动 操 作 系 统 架 构 中 存 在 一 些 共 同 特 征, 比 如 用 户 体 验 电 源 管 理 安 全 设 计 云 支 持 和 开 放 性 设 计 我 们 开 发 了 一 个 分 析 模 型 来 指 导 我 们 的 调 查 本 文 中, 将 介 绍 我 们 对 移 动 操 作 系 统 架 构 未 来 十 年 趋 势 的 调 查 情 况, 重 点 关 注 主 要 的 共 同 特 征 基 于 调 查 结 果, 我 们 还 会 从 架 构 趋 势 的 角 度 总 结 当 今 移 动 操 作 系 统 的 特 征 引 言 移 动 操 作 系 统 设 计 在 过 去 十 年 中 经 历 了 三 个 阶 段 的 演 化 过 程 : 从 基 于 PC 的 操 作 系 统 发 展 到 嵌 入 式 操 作 系 统, 再 到 如 今 面 向 智 能 手 机 的 操 作 系 统 在 整 个 演 化 过 程 中, 移 动 操 作 系 统 架 构 从 复 杂 变 得 简 单, 再 到 介 于 二 者 之 间 这 个 演 化 过 程 受 硬 件 软 件 和 互 联 网 技 术 进 步 的 自 然 推 动 : 硬 件 业 界 在 不 断 缩 小 微 处 理 器 和 外 围 设 备 的 尺 寸, 以 设 计 真 正 的 移 动 设 备 在 尺 寸 足 够 小 之 前, 移 动 设 备 无 法 同 时 兼 顾 小 尺 寸 和 高 处 理 能 力 我 们 或 者 拥 有 一 个 PC 大 小 的 笔 记 本 电 脑, 或 者 拥 有 一 个 电 话 大 小 的 性 能 弱 得 多 的 PDA(personal data assistant, 个 人 数 据 助 理 ) PDA 的 移 动 操 作 系 统 通 常 没 有 完 整 的 多 任 务 或 3D 图 形 支 持 过 去 的 移 动 操 作 系 统 不 支 持 像 传 感 器 ( 比 如 加 速 计 ) 和 电 容 式 触 摸 屏 这 样 的 特 性 软 件 在 笔 记 本 电 脑 中, 软 件 主 要 专 注 用 户 的 生 产 力, 支 持 键 盘 和 鼠 标, 拥 有 精 确 的 输 入 必 不 可 少 正 如 设 备 名 称 所 暗 示 的, 用 于 PDA 的 软 件 可 以 帮 助 用 户 管 理 个 人 数 据, 比 如 联 系 人 信 息 电 子 邮 件 等 移 动 操 作 系 统 并 非 设 计 用 于 支 持 包 含 触 摸 屏 和 其 他 传 感 器 的 富 用 户 界 面 (UI) 并 为 其 提 供 良 好 的 响 应 能 力 或 流 畅 性 互 联 网 随 着 互 联 网 的 发 展, 尤 其 自 Web 2.0 诞 生 之 后, 网 络 中 拥 有 丰 富 的 信 息, 等 待 人 们 去 搜 索 整 理 挖 掘 并 带 给 用 户 人 们 的 生 活 越 来 越 离 不 开 互 联 网, 他 们 不 再 只 是 浏 览 网 页 越 来 越 多 的 人 参 与 到 开 发 之 中, 包 括 信 息 贡 献 应 用 程 序 开 发 和 社 交 移 动 操 作 系 统 无 法 自 给 自 足, 必 须 是 开 放 的 系 统 过 去 的 移 动 设 备 的 使 用 模 型 很 有 限 用 户 主 要 运 行 设 备 应 用 程 序 来 进 行 数 据 管 理 和 玩 本 地 游 戏, 只 偶 尔 浏 览 互 联 网 上 的 静 态 网 页, 或 访 问 电 子 邮 件 1 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

2 等 特 定 服 务 换 句 话 说, 设 备 的 可 能 用 途 取 决 于 在 用 户 购 买 它 时 预 先 安 装 的 应 用 程 序 这 在 新 移 动 设 备 中 发 生 了 巨 大 变 化, 新 移 动 设 备 几 乎 是 各 种 使 用 模 型 的 一 个 入 口 所 有 参 与 方, 比 如 服 务 提 供 商 应 用 程 序 开 发 人 员 和 其 他 设 备 用 户, 不 断 在 做 出 贡 献, 并 通 过 设 备 与 其 所 有 者 互 动 图 1 显 示 了 过 去 的 移 动 设 备 与 新 移 动 设 备 之 间 的 高 级 使 用 模 型 的 区 别 图 1: 移 动 设 备 的 高 级 使 用 模 型 ( 来 源 : 英 特 尔 公 司,2012 年 ) 当 前 的 移 动 操 作 系 统 的 代 表 包 括 苹 果 的 ios* 5.0 Google Android* 4.0 Microsoft Windows* Phone 7.0 和 其 他 一 些 操 作 系 统 在 使 用 模 型 方 面, 除 了 区 别 之 外, 它 们 还 具 有 更 多 的 相 似 性 : 它 们 都 有 一 个 已 备 案 的 软 件 开 发 工 具 包 (SDK), 其 中 包 含 定 义 良 好 的 API, 让 普 通 开 发 人 员 能 够 为 这 些 系 统 开 发 应 用 程 序 它 们 都 拥 有 在 线 应 用 商 店, 可 供 开 发 人 员 发 布 应 用 程 序 并 允 许 用 户 对 程 序 进 行 下 载, 比 如 苹 果 的 App Store Google Play 和 Windows Phone Marketplace 它 们 都 在 一 定 程 度 上 提 供 了 多 任 务 和 3D 图 形 支 持 触 摸 屏 和 传 感 器 很 容 易 使 用 它 们 都 投 入 了 大 量 心 血 来 使 用 户 交 互 变 得 更 加 流 畅 和 灵 敏 浏 览 体 验 不 再 仅 限 静 态 网 页 HTML5 正 成 为 默 认 标 准, 以 运 行 基 于 Web 的 应 用 程 序 所 有 这 些 操 作 系 统 都 支 持 基 于 设 备 的 支 付 再 加 上 企 业 应 用 程 序 和 隐 私 信 息, 系 统 安 全 性 始 终 是 设 备 用 户 担 忧 的 一 个 重 要 问 题 作 为 移 动 操 作 系 统, 与 非 移 动 操 作 系 统 的 一 个 重 要 的 设 计 区 别 在 于 对 电 池 寿 命 的 关 注 这 些 系 统 尽 力 减 少 设 备 组 件 的 有 源 电 力 消 耗, 尽 可 能 让 它 们 处 于 空 闲 状 态 当 前 移 动 操 作 系 统 的 共 性 反 映 了 硬 件 软 件 和 互 联 网 的 发 展 趋 势 因 为 预 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 2

3 料 到 移 动 操 作 系 统 的 这 些 趋 势, 我 们 相 信 以 下 领 域 是 下 一 代 移 动 操 作 系 统 设 计 的 重 点, 包 括 用 户 体 验 电 池 寿 命 云 就 绪 性 安 全 性 和 开 放 性 在 很 大 程 度 上, 它 们 实 际 上 是 相 互 冲 突 的 目 标 : 用 户 体 验 和 电 池 寿 命 要 获 得 最 佳 的 响 应 能 力 和 流 畅 性, 系 统 要 求 所 有 可 用 的 硬 件 资 源 都 能 够 发 挥 它 们 的 最 佳 性 能 与 此 同 时, 为 了 维 持 移 动 设 备 的 电 池 寿 命, 硬 件 组 件 应 尽 可 能 处 于 空 闲 状 态 安 全 性 和 开 放 性 人 们 不 希 望 向 外 部 实 体 公 开 其 系 统 的 所 有 功 能, 因 为 这 会 使 系 统 处 于 安 全 威 胁 之 下 另 一 方 面, 如 果 不 能 公 开 足 够 多 的 系 统 API, 开 发 人 员 无 法 创 造 革 新 的 用 途 云 就 绪 性 随 着 云 计 算 提 供 的 服 务 和 应 用 程 序 越 来 越 多, 人 们 自 然 会 想 到 一 种 瘦 客 户 端 设 备 模 型, 信 任 云, 并 分 载 计 算 到 云 平 台 但 时 至 今 日, 瘦 客 户 端 模 型 在 用 户 体 验 和 安 全 性 上 仍 然 面 临 技 术 挑 战 在 本 文 中, 我 们 尝 试 分 析 移 动 操 作 系 统 设 计 的 各 个 方 面, 并 总 结 出 我 们 对 于 移 动 操 作 系 统 架 构 未 来 发 展 趋 势 的 观 点 本 文 安 排 如 下 基 于 本 节 中 给 出 的 框 架, 我 们 使 用 独 立 的 章 节 来 讨 论 下 面 给 出 的 各 个 主 体 具 体 章 节 分 为 用 户 体 验 电 源 管 理 安 全 性 开 放 性 和 云 就 绪 性 最 后, 我 们 展 开 讨 论 并 进 行 总 结 用 户 体 验 (UX) 传 统 的 性 能 不 足 以 描 述 现 代 客 户 端 设 备 的 特 征 性 能 更 多 的 是 指 软 件 栈 的 稳 定 执 行 状 态, 而 且 通 常 会 使 用 处 理 器 或 其 他 子 系 统 中 的 总 吞 吐 量 的 最 终 分 数 来 报 告 性 能 用 户 体 验 更 多 的 是 指 由 用 户 输 入 所 触 发 的 动 态 转 换 用 户 体 验 的 质 量 取 决 于 许 多 因 素, 比 如 用 户 可 感 知 的 响 应 速 度 流 畅 性 连 贯 性 和 准 确 性 传 统 性 能 可 度 量 用 户 交 互 链 中 的 每 一 个 环 节, 而 它 无 法 评 估 完 整 的 用 户 交 互 链 因 此, 传 统 的 性 能 优 化 方 法 无 法 简 单 地 应 用 于 用 户 体 验 优 化 现 在 是 时 候 投 资 于 设 备 的 用 户 交 互 优 化, 为 最 终 用 户 带 来 愉 悦 的 体 验 用 户 与 移 动 设 备 的 交 互 在 近 期 面 对 市 面 上 一 些 Android 设 备 进 行 性 能 测 试 的 过 程 中, 我 们 发 现 在 对 图 形 媒 体 和 浏 览 器 进 行 的 通 用 基 准 测 试, 设 备 X 的 表 现 普 遍 比 另 一 种 设 备 Y 更 差 一 些 但 设 备 X 的 用 户 可 感 知 体 验 却 优 于 设 备 Y 我 们 认 为 此 问 题 的 根 源 在 于, 传 统 基 准 测 试 或 以 传 统 方 式 设 计 的 基 准 测 试 没 有 真 正 反 映 用 户 交 互 的 特 征, 只 是 度 量 了 系 统 和 子 系 统 的 计 算 能 力 ( 比 如 执 行 的 指 令 ) 或 吞 吐 量 ( 比 如 处 理 的 磁 盘 读 取 次 数 ) 以 视 频 评 估 为 例 传 统 的 基 准 测 试 仅 通 过 一 些 指 标 来 度 量 视 频 回 放 性 能, 比 如 FPS( 每 秒 帧 数 ) 或 帧 丢 弃 率 用 此 方 法 评 估 用 户 体 验 至 少 存 在 两 个 问 题 第 一 个 问 题 是, 视 频 回 放 只 是 播 放 视 频 过 程 中 用 户 交 互 的 一 部 分 用 户 交 互 的 一 个 典 型 的 生 命 周 期 通 常 至 少 包 含 以 下 几 个 环 节 : 启 动 播 放 器 开 始 播 放 寻 找 进 度 视 频 回 放 返 回 到 主 屏 幕 3 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

4 然 而, 视 频 回 放 的 良 好 性 能 无 法 体 现 播 放 视 频 过 程 中 真 实 用 户 体 验 的 特 征 用 户 交 互 评 估 是 传 统 性 能 评 估 的 一 个 超 集 另 一 个 问 题 是, 使 用 FPS 作 为 关 键 指 标 来 评 估 用 户 交 互 的 流 畅 性, 不 能 始 终 反 映 良 好 的 用 户 体 验 例 如, 当 我 们 在 Gallery3D 应 用 中 抛 出 一 张 图 片 时, 设 备 Y 在 图 片 滚 动 期 间 存 在 明 显 的 停 顿, 但 设 备 Y 的 FPS 值 比 设 备 X 更 高 为 了 量 化 两 个 设 备 的 差 别, 我 们 收 集 了 在 设 备 X 和 设 备 Y 上 的 Gallery3D 应 用 中 的 一 个 图 片 抛 扔 操 作 中 的 每 一 帧 的 数 据, 分 别 如 图 2 和 图 3 所 示 每 一 帧 的 数 据 使 用 一 条 竖 线 表 示, 其 中 X 轴 是 绘 制 该 帧 的 时 刻, 竖 线 的 高 度 是 系 统 绘 制 这 幅 帧 所 花 的 时 间 我 们 可 从 图 中 看 到, 设 备 X 显 然 具 有 比 设 备 Y 更 低 的 FPS 值, 但 具 有 更 小 的 最 大 帧 时 间, 长 于 30 毫 秒 的 帧 数 更 少, 而 且 帧 时 间 波 动 更 小 这 意 味 着, 要 描 述 图 片 抛 扔 操 作 的 用 户 体 验 的 特 征, 还 应 该 考 虑 最 大 帧 时 间 和 帧 时 间 波 动 等 指 标 图 2: 设 备 X 上 的 Gallery3D 应 用 中 的 抛 扔 操 作 的 帧 时 间 ( 来 源 : 英 特 尔 公 司,2011 年 ) 图 3: 设 备 Y 上 的 Gallery3D 应 用 中 的 抛 扔 操 作 的 帧 时 间 ( 来 源 : 英 特 尔 公 司,2011 年 ) 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 4

5 作 为 对 比, 图 4 显 示 了 在 我 们 优 化 了 设 备 Y 之 后 抛 扔 操 作 的 帧 数 据 显 然, 所 有 指 标 都 已 改 进, 并 且 帧 的 时 间 分 布 变 得 更 加 均 匀 用 户 体 验 更 多 是 用 户 输 入 所 触 发 系 统 的 动 态 转 换 良 好 的 用 户 体 验 通 过 用 户 可 感 知 的 响 应 速 度 流 畅 性 连 贯 性 和 准 确 性 来 实 现 传 统 性 能 可 以 度 量 用 户 交 互 链 中 的 每 个 环 节, 而 不 能 评 估 整 个 用 户 交 互 链 图 3: 优 化 之 后 设 备 Y 上 的 Gallery3D 应 用 中 的 抛 扔 操 作 的 帧 时 间 ( 来 源 : 英 特 尔 公 司,2011 年 ) 需 要 注 意 的 另 一 个 重 要 事 项 是, 用 户 体 验 是 一 个 主 观 过 程 ; 只 需 想 想 在 观 看 影 片 或 欣 赏 音 乐 时 的 体 验 目 前 的 学 术 研 究 使 用 了 多 种 方 法 ( 比 如 眼 球 跟 踪 心 跳 监 视 或 者 仅 仅 投 票 ) 来 理 解 用 户 体 验 出 于 我 们 的 软 件 工 程 用 途, 为 了 系 统 地 分 析 和 优 化 用 户 交 互, 我 们 将 交 互 场 景 分 为 4 类 : 从 用 户 传 感 器 网 络 等 向 设 备 的 输 入 此 类 别 会 评 估 输 入 是 否 可 以 触 发 设 备 按 预 期 的 方 式 进 行 准 确 或 模 糊 的 操 作 对 于 触 摸 屏 输 入, 它 计 量 触 摸 速 度 压 力 范 围 等 设 备 对 输 入 的 响 应 此 类 别 会 评 估 设 备 对 输 入 的 响 应 能 力 系 统 状 态 转 换 此 类 别 专 门 评 估 屏 幕 上 图 形 转 换 的 流 畅 度 它 可 作 为 设 备 响 应 某 些 输 入 的 后 续 对 设 备 的 连 续 控 制 人 们 操 作 设 备 不 仅 会 提 供 单 一 的 输 入, 而 且 有 时 还 会 控 制 屏 幕 中 的 图 形 对 象, 比 如 控 制 一 个 游 戏 喷 气 飞 机, 或 者 拖 动 一 个 应 用 程 序 图 标 此 类 别 用 于 评 估 设 备 的 可 控 性 在 这 些 类 别 中, 该 设 备 的 输 入 和 对 设 备 的 控 制 与 用 户 如 何 控 制 设 备 的 用 户 体 验 相 关 设 备 对 输 入 的 响 应 和 系 统 状 态 转 换 与 设 备 如 何 对 用 户 做 出 反 映 相 关 我 们 可 将 一 个 用 户 交 互 的 生 命 周 期 与 属 于 上 述 类 别 建 立 对 应 关 系 ; 然 后, 针 对 每 个 案 例, 我 们 可 识 别 软 件 栈 中 的 关 键 指 标 来 进 行 度 量 和 优 化 5 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

6 用 户 交 互 优 化 正 如 上 一 小 节 中 所 述, 没 有 明 确 的 客 观 方 法 来 度 量 用 户 体 验 我 们 在 用 户 交 互 度 量 中 设 定 了 以 下 标 准 : 可 感 知 指 标 必 须 可 被 人 类 感 知 否 则, 它 与 用 户 体 验 是 不 相 干 的 可 度 量 指 标 可 以 由 不 同 团 队 进 行 测 量 它 不 应 依 赖 于 只 能 由 某 些 团 队 测 量 的 某 些 特 殊 的 基 础 设 施 可 重 复 测 试 的 结 果 应 该 能 在 不 同 测 试 中 进 行 重 复 测 量 中 出 现 大 的 偏 差 意 味 着 不 是 一 个 好 的 指 标 可 对 比 度 量 的 数 据 应 可 在 不 同 系 统 之 间 进 行 对 比 软 件 工 程 师 可 使 用 这 些 指 标 对 比 不 同 的 系 统 合 理 性 指 标 应 有 助 于 推 断 软 件 栈 行 为 的 因 果 关 系 换 句 话 说, 指 标 应 与 软 件 行 为 相 对 应, 并 可 基 于 软 件 栈 的 执 行 进 行 计 算 可 验 证 可 以 使 用 指 标 来 验 证 优 化 优 化 之 前 和 之 后 的 度 量 结 果 应 该 能 够 反 映 用 户 体 验 的 变 化 可 自 动 化 出 于 软 件 工 程 用 途, 我 们 要 求 指 标 能 在 大 体 上 无 人 参 与 的 情 况 下 进 行 度 量 这 在 回 归 测 试 或 预 提 交 测 试 中 特 别 有 用 这 条 标 准 并 不 严 格 要 求, 因 为 它 与 用 户 体 验 分 析 和 优 化 没 有 直 接 关 系 以 度 量 标 准 为 引 导, 我 们 重 点 关 注 以 下 具 互 补 性 的 用 户 体 验 : 用 户 如 何 控 制 设 备 以 及 设 备 如 何 对 用 户 做 出 反 应 用 户 如 何 控 制 设 备 主 要 有 以 下 两 个 测 量 范 畴 : 准 确 性 / 模 糊 性 该 测 量 范 畴 评 估 了 系 统 对 来 自 屏 幕 传 感 器 和 其 他 来 源 的 输 入 支 持 的 准 确 性 模 糊 性 分 辨 率 和 范 围 例 如, 系 统 能 支 持 多 高 的 压 力 水 平, 抽 样 的 触 控 事 件 坐 标 与 指 尖 在 屏 幕 上 的 移 动 轨 迹 能 有 多 接 近, 同 时 最 多 能 抽 样 出 多 少 个 手 指 的 操 作, 等 等 连 贯 性 该 测 量 范 畴 评 估 了 指 尖 与 被 拖 动 图 形 对 象 在 屏 幕 中 的 拖 动 滞 后 距 离, 还 评 估 了 用 户 操 作 与 传 感 器 控 制 的 对 象 之 间 的 连 贯 性, 比 如 倾 斜 控 制 的 水 流 和 设 备 斜 角 之 间 的 角 度 差 设 备 如 何 对 用 户 做 出 反 应 有 以 下 两 个 测 量 范 畴 : 响 应 速 度 它 评 估 输 入 传 递 到 设 备 与 设 备 显 示 可 见 响 应 之 间 的 时 间 它 还 包 括 完 成 某 项 操 作 所 花 的 时 间 流 畅 性 该 范 畴 通 过 最 大 帧 时 间 帧 时 间 波 动 FPS 和 帧 丢 弃 率 等 来 评 估 图 形 转 换 的 流 畅 性 正 如 我 们 所 讨 论 过 的, 单 独 的 FPS 本 身 无 法 准 确 反 映 用 户 体 验 的 流 畅 度 对 于 这 4 个 测 量 范 畴, 当 确 定 了 一 个 要 使 用 的 具 体 指 标 后, 我 们 需 要 理 解 此 指 标 与 好 的 用 户 体 验 有 何 关 联 因 为 用 户 体 验 是 一 个 主 观 命 题, 很 大 程 度 上 取 决 于 人 类 的 生 理 状 态 和 个 人 品 味, 所 以 在 一 个 指 标 的 哪 些 值 能 构 成 好 的 用 户 体 验 方 面 并 不 总 能 得 出 科 学 的 结 论 对 于 这 些 情 形, 我 们 采 用 的 是 行 业 经 验 值 表 1 提 供 了 行 业 经 验 值 的 一 些 示 例 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 6

7 表 1: 用 户 体 验 的 行 业 经 验 值 的 示 例 ( 来 源 : 英 特 尔 公 司,2011 年 ) 由 于 人 类 的 本 性, 在 用 户 体 验 优 化 方 面, 软 件 工 程 师 应 注 意 以 下 两 点 指 标 的 值 通 常 在 好 的 用 户 体 验 的 范 围 内 比 该 范 围 更 好 的 值 不 一 定 会 带 来 更 好 的 用 户 体 验 超 出 该 范 围 限 制 的 改 进 通 常 无 法 被 用 户 感 知 到 这 里 的 值 仅 是 面 向 典 型 人 群 和 常 见 情 形 的 大 致 指 导 方 针 例 如, 一 位 经 验 丰 富 的 游 戏 玩 家 可 能 无 法 满 足 于 120 fps 的 动 画 而 另 一 方 面, 一 个 精 心 设 计 的 卡 通 影 片 可 通 过 20 fps 的 动 画 提 供 完 美 的 流 畅 性 现 在 我 们 可 为 用 户 体 验 优 化 设 定 自 己 的 方 法 这 些 方 法 可 概 括 为 以 下 步 骤 第 1 步 : 从 用 户 处 收 到 用 户 体 验 观 察 报 告 或 通 过 手 动 操 作 识 别 交 互 问 题 这 可 以 在 高 速 照 相 机 或 其 他 可 用 技 术 的 帮 助 下 完 成 第 2 步 : 定 义 能 将 用 户 体 验 问 题 转 换 为 系 统 症 状 的 软 件 栈 场 景 和 指 标 第 3 步 : 开 发 一 个 软 件 工 作 负 载, 以 可 度 量 和 可 重 复 的 方 式 再 现 该 问 题 该 工 作 负 载 记 录 的 度 量 标 准 值 能 反 映 用 户 体 验 的 问 题 第 4 步 : 使 用 该 工 作 负 载 和 相 关 的 工 具 分 析 和 优 化 软 件 栈 该 工 作 负 载 也 可 以 用 来 验 证 优 化 第 5 步 : 从 用 户 那 里 获 取 反 馈, 使 用 该 优 化 试 用 更 多 应 用 程 序, 以 确 保 用 户 体 验 的 改 进 基 于 此 方 法, 我 们 开 发 了 一 个 Android Workload Suite (AWS) [33], 它 包 含 一 个 Android 设 备 的 几 乎 所 有 的 典 型 用 例 我 们 还 开 发 了 一 个 名 为 UXtune [34] 的 工 具 包, 协 助 软 件 栈 中 的 用 户 进 行 交 互 分 析 不 同 于 传 统 的 性 能 调 优 工 具, UXtune 将 用 户 可 见 的 事 件 与 系 统 低 层 级 事 件 相 关 联 在 下 一 步 中, 我 们 会 将 相 关 工 作 从 Android 移 植 到 其 他 系 统 上 针 对 用 户 体 验 的 移 动 操 作 系 统 设 计 基 于 我 们 在 Android 上 的 经 验, 我 们 发 现 用 户 体 验 优 化 在 一 定 程 度 上 类 似 于 并 行 应 用 程 序 优 化, 只 是 因 为 以 下 4 个 原 因 而 更 加 复 杂 一 些 : 用 户 体 验 涉 及 到 多 个 硬 件 组 件 多 个 软 件 进 程, 以 及 它 们 之 间 的 交 互 ; 客 户 端 设 备 上 的 用 户 体 验 必 须 考 虑 电 力 消 耗, 因 为 用 户 体 验 还 包 括 电 池 寿 命 和 设 备 温 度 用 户 体 验 具 有 精 确 的 时 序 要 求, 比 如 流 畅 性, 用 户 期 望 无 帧 时 间 波 动 更 快 和 更 慢 都 不 可 接 受 ; 必 需 满 足 准 确 的 时 间 点 要 求 这 点 更 像 一 种 实 时 需 求 7 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

8 用 户 体 验 有 一 些 主 观 因 素 需 要 开 发 人 员 在 移 动 操 作 系 统 设 计 中 注 意, 比 如 对 用 户 体 验 而 言 某 些 动 画 是 一 种 提 示 还 是 必 不 可 少 的, 系 统 是 否 能 通 过 丢 弃 一 些 帧 来 获 得 更 快 的 响 应 速 度 我 们 从 经 验 中 学 到 的 一 个 重 要 教 训 是 : 要 理 解 某 些 操 作 的 关 键 路 径 不 同 于 并 行 应 用 程 序 调 优, 移 动 操 作 系 统 的 设 计 并 不 总 是 要 求 硬 件 组 件 和 软 件 线 程 之 间 严 格 的 显 式 同 步 例 如 : 每 个 应 用 程 序 使 用 一 个 事 件 循 环 来 处 理 请 求 当 线 程 A 有 一 个 针 对 线 程 B 的 请 求 时, 它 可 能 并 没 有 直 接 调 用 该 函 数, 而 是 向 线 程 B 发 出 一 条 消 息 然 后 该 消 息 会 在 线 程 B 的 事 件 循 环 中 排 队 等 待 处 理 随 后, 如 果 队 列 中 有 多 个 事 件, 事 件 的 处 理 速 度 将 会 不 受 调 用 方 的 控 制 另 一 个 示 例 是 线 程 A 执 行 一 个 操 作 序 列, 然 后 将 一 条 消 息 发 送 给 线 程 B, 以 便 执 行 跟 进 操 作 并 响 应 用 户 不 是 线 程 A 的 所 有 操 作 序 列 都 必 须 按 顺 序 完 成 例 如, 它 可 以 尽 早 地 向 线 程 B 发 出 消 息, 这 样 线 程 B 就 可 以 更 早 地 响 应 用 户 在 电 源 方 面, 一 个 主 要 观 点 是 更 快 的 用 户 体 验 不 一 定 更 好, 这 与 传 统 性 能 优 化 相 反 当 系 统 已 达 到 用 户 可 感 知 的 最 佳 响 应 速 度 时, 下 一 步 优 化 是 在 最 佳 可 感 知 范 围 内 越 慢 越 好 例 如, 如 果 一 个 游 戏 能 够 以 60 fps 的 帧 速 率 正 常 运 行, 那 么 移 动 操 作 系 统 应 尝 试 保 持 CPU 利 用 率 和 CPU 频 率 尽 可 能 的 低 我 们 必 须 始 终 明 确 区 分 这 两 种 情 况 ( 越 快 越 好 和 越 慢 越 好 ) 针 对 这 两 种 情 况 的 优 化 技 术 可 能 有 很 大 的 区 别 当 引 入 多 个 核 心 和 GPU 时, 上 述 两 种 情 形 就 会 变 得 更 加 明 显 更 多 的 核 心 通 常 对 越 快 越 好 情 形 有 所 帮 助, 但 会 损 害 越 慢 越 好 情 形 中 的 电 池 寿 命 移 动 操 作 系 统 必 须 通 过 一 个 智 能 策 略 来 打 开 和 关 闭 核 心, 因 为 打 开 / 关 闭 延 迟 可 能 长 于 触 摸 操 作 的 时 间 ( 通 常 需 要 100 毫 秒 到 500 毫 秒 ) 对 于 并 行 应 用 程 序 性 能 调 优, 人 们 发 现 执 行 重 放 在 调 试 中 很 有 用 这 通 常 是 一 种 多 线 程 应 用 程 序 只 使 用 一 个 进 程 的 响 应 对 于 用 户 体 验 而 言, 通 过 IPC 执 行 的 跨 进 程 交 互, 以 及 CPU GPU 和 显 示 控 制 器 (DC) 之 间 的 交 互, 是 一 种 系 统 范 围 的 协 作 传 统 的 重 放 技 术 不 起 作 用 电 源 管 理 (PM) 电 源 管 理 始 终 是 移 动 操 作 系 统 设 计 人 员 的 一 个 重 要 挑 战, 这 个 挑 战 将 在 以 后 变 得 更 加 重 要 随 着 为 移 动 平 台 开 发 的 高 耗 电 应 用 程 序 越 来 越 多, 移 动 设 备 上 对 电 源 的 需 求 正 在 快 速 增 长 但 是, 由 于 电 池 技 术 发 展 缓 慢 以 及 人 们 想 获 得 可 放 入 口 袋 中 的 更 时 髦 更 紧 凑 的 小 尺 寸 的 事 实, 电 池 容 量 增 长 绝 不 会 无 止 境 地 持 续 下 去 电 源 管 理 正 成 为 移 动 设 备 上 一 个 越 来 越 复 杂 的 问 题, 需 要 采 用 一 种 整 体 方 法 来 解 决 它 处 理 器 电 源 管 理 过 去 十 年, 移 动 操 作 系 统 在 电 源 管 理 领 域 取 得 了 稳 定 的 发 展 最 初, 移 动 操 作 系 统 电 源 管 理 关 注 的 是 处 理 器 电 源 管 理, 因 为 处 理 器 长 久 以 来 一 直 是 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 8

9 总 平 台 电 量 的 最 大 消 耗 者 现 代 处 理 器 支 持 动 态 频 率 和 电 压 调 整, 比 如 增 强 的 英 特 尔 SpeedStep 技 术 这 些 处 理 器 功 能 使 得 移 动 操 作 系 统 能 够 在 运 行 时 基 于 目 前 在 处 理 器 上 运 行 的 工 作 负 载 所 需 的 计 算 能 力, 动 态 地 调 整 处 理 器 频 率 和 / 或 电 压 这 在 处 理 器 运 行 时 节 省 了 大 量 处 理 器 电 源, 因 为 其 使 用 的 电 源 与 核 心 电 压 的 平 方 和 频 率 成 正 比 Linux 内 核 中 的 cpufreq 子 系 统 是 在 处 理 器 运 行 时 管 理 处 理 器 电 源 的 示 例 除 了 动 态 频 率 和 电 压 调 整, 现 代 处 理 器 通 常 支 持 多 个 处 理 器 空 闲 状 态, 在 这 些 空 闲 状 态 中 会 使 用 不 同 的 电 量 空 闲 状 态 所 占 比 率 越 高, 可 节 省 的 电 量 就 越 多, 但 代 价 是 更 长 的 进 入 和 退 出 延 迟 移 动 操 作 系 统 可 基 于 预 测 的 空 闲 比 率, 以 及 其 他 子 系 统 和 用 户 空 间 实 施 的 服 务 质 量 限 制, 引 导 处 理 器 进 入 合 适 的 空 闲 状 态 Linux 的 cpuidle 子 系 统 是 在 处 理 器 空 闲 时 对 其 进 行 电 源 管 理 的 一 个 示 例 设 备 电 源 管 理 移 动 操 作 系 统 电 源 管 理 工 作 的 重 点 已 转 移 到 设 备 电 源 管 理 具 体 而 言, 引 入 了 一 种 机 制, 在 运 行 时 管 理 I/O 设 备 的 电 源 如 果 在 运 行 时 检 测 到 相 应 的 设 备 处 于 空 闲 状 态, 那 么 I/O 设 备 的 运 行 时 电 源 管 理 可 自 动 让 I/O 设 备 进 入 其 所 支 持 的 合 适 的 低 功 率 状 态 除 了 在 I/O 设 备 空 闲 时 管 理 它 们 的 功 率 之 外, 还 有 一 些 技 术 创 新 可 在 I/O 设 备 运 行 时 节 省 它 们 的 功 耗 例 如, 现 代 GPU 开 始 支 持 类 似 于 CPU 中 所 提 供 的 动 态 电 压 和 频 率 调 整 GPU 动 态 电 压 和 频 率 调 整 在 一 些 情 况 下 可 将 移 动 3D 图 形 的 电 量 消 耗 减 少 50% 此 外, I/O 设 备 正 变 得 更 加 智 能, 它 们 可 以 自 己 工 作, 不 需 要 CPU 干 预 例 如, 面 板 自 刷 新 等 技 术 可 在 图 像 静 止 时 节 省 大 量 电 量, 比 如 用 户 在 移 动 设 备 上 阅 读 电 子 书 时 在 这 种 情 况 下, 可 以 让 显 示 面 板 从 本 地 内 存 进 行 渲 染, 传 统 上 讲, 渲 染 显 示 界 面 时 必 须 运 行 的 许 多 硬 件 组 件 都 可 以 关 闭, 这 些 组 件 包 括 CPU 内 存 显 示 引 擎 和 显 示 端 口 移 动 操 作 系 统 电 源 管 理 案 例 在 将 设 备 运 行 时 电 源 管 理 基 础 设 施 引 入 Linux 内 核 之 前,Android 就 已 获 得 长 足 发 展 并 变 得 很 受 欢 迎, 它 引 入 了 另 一 种 称 为 opportunistic suspend 的 方 法 以 期 在 Android 设 备 上 延 长 电 池 寿 命 由 于 没 有 设 备 运 行 时 电 源 管 理 功 能,Android 尝 试 在 没 有 执 行 有 趣 的 工 作 时 强 制 性 地 暂 停 系 统 这 一 点 体 现 在 没 有 线 程 持 有 唤 醒 锁 Windows 8 引 入 了 一 个 称 为 连 接 待 机 的 新 的 系 统 电 源 状 态 不 同 于 传 统 的 S3 待 机,Windows 8 待 机 会 中 止 所 有 的 系 统 活 动, 系 统 仍 在 极 低 功 耗 状 态 下 运 行, 这 使 用 户 能 够 始 终 获 取 最 新 的 信 息, 比 如 他 们 的 电 子 邮 件 Windows 8 连 接 待 机 基 于 处 理 器 空 闲 电 源 管 理 和 设 备 运 行 时 电 源 管 理 技 术 Software hygiene 是 基 于 暂 停 和 基 于 空 闲 的 电 源 管 理 方 法 的 最 具 挑 战 的 问 题, 电 池 寿 命 高 度 依 赖 于 这 些 系 统 上 的 应 用 程 序 行 为 最 近 的 一 项 研 究 表 明, 空 闲 的 Android 应 用 程 序 通 过 在 后 台 持 有 一 个 唤 醒 锁 来 阻 止 系 统 暂 停, 将 75% 的 电 量 浪 费 在 了 广 告 上 Windows 8 也 是 如 此, 其 中 一 个 毫 无 理 由 保 持 繁 忙 的 费 电 的 应 用 程 序 将 阻 止 整 个 系 统 进 入 连 接 待 机 电 源 状 态 一 些 人 期 望 通 过 引 入 更 强 大 的 机 制 让 系 统 电 源 管 理 变 得 更 加 健 壮, 甚 至 在 面 对 9 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

10 这 些 费 电 的 应 用 程 序 时 也 是 如 此, 而 其 他 人 则 认 为 部 署 这 样 一 种 机 制 只 会 导 致 异 常 应 用 程 序 的 激 增 开 放 性 移 动 操 作 系 统 的 另 一 个 主 要 趋 势 是 开 放 性 在 此 上 下 文 中, 移 动 操 作 系 统 的 开 放 性 表 示 人 们 出 于 自 己 的 目 的 使 用 贡 献 自 定 义 和 创 新 移 动 操 作 系 [6] 统 的 机 会 和 自 由 程 度 已 有 一 些 工 作 从 开 发 人 员 角 度 研 究 了 开 放 性 这 些 工 作 确 定 了 决 定 开 发 人 员 对 平 台 开 放 性 认 知 的 各 个 方 面 在 这 里, 我 们 从 生 态 系 统 角 度 分 析 以 下 开 放 性 趋 势, 因 为 我 们 相 信 开 放 性 对 支 持 和 推 动 移 动 生 态 系 统 的 发 展 至 关 重 要 移 动 生 态 系 统 中 的 角 色 的 开 放 性 移 动 生 态 系 统 中 的 角 色 包 括 OEM( 制 造 商, 他 们 制 造 和 销 售 移 动 设 备 ) 服 务 提 供 商 ( 运 营 商, 他 们 提 供 网 络 连 接 和 其 他 增 值 服 务 ) 使 用 者 ( 最 终 用 户 ) 软 件 开 发 商 ( 他 们 开 发 商 用 应 用 程 序 ), 以 及 来 自 社 区 的 开 发 人 员 ( 他 们 开 发 应 用 程 序, 甚 至 在 移 动 操 作 系 统 是 开 源 的 时 候 为 移 动 操 作 系 统 的 开 发 和 演 化 做 出 贡 献 ) 移 动 操 作 系 统 的 开 放 性 对 移 动 生 态 系 统 中 的 不 同 角 色 具 有 不 同 的 意 义 对 于 运 营 商, 移 动 操 作 系 统 的 开 放 性 决 定 了 他 们 的 服 务 可 轻 松 地 在 不 同 的 设 备 上 移 植 迁 移 部 署 和 流 畅 运 行 对 于 移 动 设 备 制 造 商, 开 放 性 决 定 了 他 们 能 对 移 动 操 作 系 统 本 身 进 行 多 大 程 度 的 定 制, 以 便 能 够 跨 平 台 运 行, 并 使 他 们 的 设 备 与 众 不 同, 更 为 重 要 的 是, 开 放 性 决 定 了 他 们 能 否 很 容 易 地 制 造 出 具 有 一 致 用 户 体 验 的 设 备 对 于 软 件 开 发 商 和 社 区 开 发 人 员, 开 放 性 决 定 他 们 能 否 轻 松 地 开 发 具 有 其 创 意 想 法 的 新 应 用 程 序, 以 及 他 们 如 何 通 过 编 程 一 次, 便 可 在 不 同 设 备 上 运 行 的 方 法 来 最 大 化 应 用 程 序 开 发 的 投 资 价 值 对 于 最 终 用 户 或 移 动 设 备 的 使 用 者, 开 放 性 意 味 着 他 们 能 否 轻 松 地 获 得 更 多 的 应 用 程 序, 比 如 可 从 应 用 商 店 下 载 的 丰 富 应 用 程 序, 而 无 需 太 过 担 忧 不 一 致 的 用 户 体 验, 以 及 跨 设 备 应 用 程 序 的 不 兼 容 性 开 放 性 可 能 还 为 人 们 提 供 了 在 移 动 操 作 系 统 生 命 周 期 内, 参 与 移 动 操 作 系 统 本 身 的 开 发 和 演 化 的 机 会 移 动 操 作 系 统 开 放 性 的 演 化 两 年 前, 大 部 分 移 动 设 备 只 是 一 部 电 话, 人 们 通 常 将 电 话 用 于 语 音 呼 叫, 用 作 电 话 簿 和 用 于 收 发 文 本 消 息 对 于 使 用 者, 他 们 可 使 用 的 应 用 程 序 仅 限 于 从 工 厂 发 货 时 设 备 本 身 内 置 的 应 用 程 序 对 于 应 用 程 序 开 发 人 员 或 第 三 方 ISV, 如 果 与 操 作 系 统 所 有 者 之 间 没 有 合 约, 那 么 他 们 将 无 法 访 问 任 何 源 代 码 这 样 一 种 移 动 操 作 系 统 完 全 是 一 个 封 闭 的 系 统, 通 常 归 移 动 设 备 制 造 商 所 有 对 于 运 营 商, 他 们 必 须 通 过 与 操 作 系 统 开 发 人 员 紧 密 合 作 来 实 现 他 们 的 服 务, 因 为 只 有 开 发 移 动 操 作 系 统 的 人 才 知 道 如 何 开 发 应 用 程 序 后 来, 随 着 移 动 电 话 开 始 从 特 色 电 话 过 渡 到 智 能 电 话, 人 们 希 望 智 能 电 话 能 够 做 更 多 事 情, 比 如 浏 览 网 页 和 播 放 音 乐 / 视 频, 而 不 仅 是 拨 打 电 话 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 10

11 存 储 联 系 人 信 息 和 发 送 文 本 消 息 为 了 鼓 励 更 多 开 发 人 员 开 发 更 多 应 用 程 序 来 满 足 人 们 的 需 求, 移 动 操 作 系 统 的 创 建 者 提 供 了 一 些 API 和 相 关 的 工 具 ( 比 如 SDK), 使 人 们 可 为 移 动 设 备 开 发 所 有 类 型 的 应 用 程 序 借 助 这 样 的 开 放 性, 应 用 程 序 开 发 人 员 能 够 自 由 地 为 移 动 操 作 系 统 开 发 应 用 程 序, 使 得 消 费 者 可 以 购 买 和 安 装 更 多 应 用 程 序, 而 不 再 受 到 预 先 构 建 的 应 用 程 序 限 制 因 为 应 用 程 序 开 发 人 员 和 使 用 者 能 够 从 这 样 的 开 放 性 中 获 益, 所 以 提 供 一 组 API 和 一 个 SDK 几 乎 成 了 大 部 分 移 动 操 作 系 统 的 必 备 要 求 来 自 苹 果 的 ios 是 提 供 这 种 开 放 程 度 的 移 动 操 作 系 统 的 一 个 优 秀 示 例 在 最 近 几 年, 越 来 越 多 的 移 动 操 作 系 统 将 所 有 源 代 码 公 开, 当 然 还 提 供 了 API 和 SDK 任 何 人 都 有 机 会 查 看 所 有 源 代 码, 为 该 代 码 做 出 贡 献, 改 进 和 自 定 义 移 动 操 作 系 统 本 身 与 仅 提 供 API 和 SDK 的 开 放 程 度 相 比, 开 源 移 动 操 作 系 统 可 提 供 更 多 自 由 对 于 移 动 设 备 制 造 商, 他 们 可 自 由 地 基 于 开 源 操 作 系 统 构 建 自 己 的 移 动 操 作 系 统, 从 而 在 不 同 设 备 上 的 平 台 上 运 行 它 对 于 运 营 商, 他 们 可 轻 松 地 在 运 行 开 源 和 各 种 变 体 操 作 系 统 上 跨 设 备 构 建 和 部 署 他 们 的 服 务 对 于 开 发 人 员, 开 源 移 动 操 作 系 统 提 供 了 他 们 轻 松 构 建 其 应 用 程 序 所 需 的 一 切 最 终, 移 动 设 备 的 最 终 用 户 也 可 从 此 种 程 度 的 开 放 中 获 益, 因 为 他 们 有 更 多 的 应 用 程 序 和 更 多 的 运 行 平 台 可 以 选 择 最 后, 每 个 人 都 可 自 由 地 参 与 开 源 移 动 操 作 系 统 的 演 化 和 组 建, 这 对 来 自 世 界 各 地 社 区 的 人 才 非 常 有 吸 引 力 Android 操 作 系 统 是 开 源 移 动 操 作 系 统 的 另 一 个 优 秀 示 例 它 在 过 去 几 年 中 取 得 的 巨 大 成 功 以 及 它 在 智 能 电 话 市 场 中 所 占 份 额 的 增 长 已 向 业 界 表 明 它 有 多 么 成 功, 并 展 示 了 作 为 一 个 开 源 移 动 操 作 系 统 它 是 如 何 快 速 成 长 的 总 体 来 讲, 未 来 的 移 动 操 作 系 统 的 开 放 性 是 一 个 关 键 因 素, 使 得 移 动 平 台 对 移 动 生 态 系 统 更 加 友 好, 这 对 应 用 程 序 开 发 人 员 和 使 用 者 特 别 具 有 吸 引 力 移 动 操 作 系 统 开 放 性 是 互 联 计 算 的 一 个 要 求, 互 联 计 算 期 望 大 部 分 软 件 只 需 构 建 一 次, 即 可 在 多 种 不 同 设 备 上 运 行, 并 向 最 终 用 户 提 供 一 致 的 用 户 体 验 云 就 绪 性 云 已 被 移 动 用 户 广 泛 使 用, 大 部 分 云 服 务 都 以 网 站 的 形 式 呈 现, 通 过 在 移 动 浏 览 器 上 运 行 的 浏 览 器 访 问 越 来 越 多 的 云 服 务 通 过 Web 应 用 程 序 提 供, 这 些 应 用 程 序 从 应 用 商 店 安 装, 并 可 像 本 机 应 用 一 样 在 移 动 客 户 端 上 运 行 无 论 使 用 浏 览 器 还 是 独 立 Web 应 用 程 序, 在 移 动 操 作 系 统 设 计 中 都 应 考 虑 以 下 方 面 HTML5 功 能 对 于 要 良 好 地 集 成 云 服 务 并 提 供 良 好 用 户 体 验 的 Web 应 用 程 序,HTML5 功 能 是 必 不 可 少 的 使 用 的 Web 引 擎 : 我 们 列 出 了 主 流 移 动 浏 览 器 上 使 用 的 Web 布 局 引 擎 和 JavaScript 引 擎 Chrome* 有 潜 力 成 为 Android 的 默 认 浏 览 器, 将 它 在 桌 面 上 取 得 的 成 功 带 入 移 动 领 域 ios 和 Android 中 都 使 用 了 Webkit 11 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

12 [9] HTML5 测 试 网 站 对 各 种 移 动 设 备 上 的 浏 览 器 对 HTML5 的 支 持 进 行 了 评 分 我 们 从 表 2 中 可 以 看 到,iOS Android 和 Windows Phone 都 改 进 了 其 浏 览 器 功 能, 以 便 支 持 HTML5 Google 让 Chrome 能 够 运 行 在 Android 4.0 上, 展 示 了 它 想 在 移 动 操 作 系 统 中 拥 有 领 先 浏 览 器 的 雄 心 Tizen 是 移 动 操 作 系 统 运 动 中 的 新 参 与 者, 其 开 发 设 备 在 第 一 届 Tizen 开 发 人 员 大 会 上 一 经 发 布 即 获 得 最 高 分 数 我 们 可 以 很 容 易 看 到 众 多 移 动 操 作 系 统 对 HTML5 支 持 的 激 烈 竞 争 表 2:Web 布 局 引 擎 JavaScript 引 擎 和 来 自 html5test.com 的 这 些 引 擎 的 分 数 ( 来 源 :[9]. * Tizen 1.0 的 分 数 来 自 最 新 的 Tizen 开 发 设 备, 由 英 特 尔 公 司 测 试 ) 第 三 方 浏 览 器 处 于 困 境, 需 要 一 种 战 略 来 拥 有 他 们 自 己 的 主 要 移 动 操 作 系 统 Opera 和 Firefox 就 处 于 这 样 的 形 势 下 由 于 它 们 较 难 控 制 移 动 操 作 系 统 的 开 发, 如 果 内 置 的 浏 览 器 能 够 提 供 足 够 的 HTML5 支 持, 那 么 Opera 和 Firefox 将 很 难 轻 松 获 胜 Firefox 依 靠 Boot To Gecko 作 为 它 的 主 要 移 动 操 作 系 统 YouTube [10] 统 的 预 览 上 的 一 段 视 频 展 示 了 Asus EeePC 上 的 Opera 操 作 系 移 动 操 作 系 统 供 应 商 越 来 越 重 视 HTML5 支 持, 使 得 它 成 为 一 个 核 心 竞 争 力 浏 览 器 供 应 商 还 在 考 虑 使 它 成 为 移 动 操 作 系 统 中 的 默 认 设 置 的 可 能 性 Web 应 用 程 序 Web 应 用 程 序 定 义 了 使 用 Web 技 术 开 发 的 客 户 端 应 用 程 序 它 提 供 了 丰 富 的 特 性, 还 提 供 了 用 于 客 户 端 开 发 的 API Web 应 用 程 序 可 安 装 在 设 备 上, 甚 至 离 线 运 行 Web 应 用 程 序 能 够 以 本 机 应 用 程 序 的 形 式 访 问 本 地 设 备 和 资 源, 并 能 在 应 用 商 店 中 销 售, 这 很 大 程 度 上 得 益 于 云 服 务 交 付 和 结 算 Web 应 用 程 序 不 仅 仅 是 一 个 可 从 浏 览 器 访 问 的 URL 相 关 的 功 能 已 在 W3C 中 的 多 个 工 作 组 中 定 义 Web 应 用 程 序 工 作 组 是 与 这 些 工 作 相 关 的 核 心 [11] 要 启 用 Web 应 用 程 序, 移 动 操 作 系 统 需 要 提 供 一 个 Web 应 用 程 序 平 台, 其 中 包 括 Web 运 行 时 Web 框 架 和 开 发 工 具 : Web 运 行 时 提 供 了 运 行 Web 应 用 程 序 的 核 心 功 能 它 源 自 浏 览 器, 但 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 12

13 能 够 与 操 作 系 统 运 行 时 更 紧 密 地 集 成 在 一 起 Web 运 行 时 提 供 了 一 个 HTML5 引 擎 和 API 来 访 问 本 地 设 备 它 还 提 供 了 与 操 作 系 统 运 行 时 紧 密 集 成 的 功 能, 这 些 功 能 包 括 应 用 程 序 生 命 周 期 管 理 ( 安 装 / 更 新 / 卸 载 和 启 动 ) 操 作 系 统 集 成 ( 桌 面 集 成 安 全 性 策 略 操 作 系 统 服 务 访 问 ) Web 框 架 为 Web 应 用 程 序 开 发 提 供 了 丰 富 的 库 这 方 面 的 示 例 包 括 jquerymobile 和 Sencha 这 些 框 架 被 广 泛 应 用 在 ios 和 Android 中 开 发 工 具 需 要 更 灵 活 开 发 工 具 多 种 多 样, 可 依 据 Web 应 用 程 序 开 发 人 员 的 偏 好 进 行 选 择 开 发 工 具 可 能 是 非 常 集 中 的 SDK 套 件 ( 比 如 最 近 发 布 的 Tizen SDK 1.0 [12] ) 基 于 浏 览 器 的 SDK 套 件 ( 比 如 appmobi XDK [13] ) 或 只 是 一 个 工 具 集 ( 比 如 最 近 在 01.org 上 发 布 的 RIB 和 Web Simulator [14][15] 作 为 一 种 趋 势, 移 动 操 作 系 统 提 供 强 大 的 高 性 能 Web 运 行 时 丰 富 的 Web 框 架 和 灵 活 的 开 发 工 具 安 全 性 始 终 是 云 计 算 的 一 个 重 要 主 题 对 于 移 动 操 作 系 统 中 的 HTML5 云 集 成, 必 须 提 供 以 下 特 点 : Web 运 行 时 中 的 沙 盒 支 持 Web 应 用 程 序 应 在 独 立 进 程 中 运 行, 由 Web 运 行 时 管 理 浏 览 器 或 Web 运 行 时 中 的 沙 盒 已 在 大 部 分 现 代 移 动 操 作 系 统 中 得 到 支 持 JavaScript 代 码 保 护 JavaScript 是 一 种 脚 本 语 言, 所 以 保 护 代 码 的 最 佳 方 式 仍 然 是 在 服 务 器 端 运 行 代 码 跨 平 台 功 能 HTML5 因 其 跨 平 台 功 能 而 著 称 但 事 实 上, 不 同 的 移 动 操 作 系 统 提 供 了 不 同 的 HTML5 支 持, 而 且 HTML5 的 标 准 化 仍 在 进 行 中 开 发 人 员 已 开 发 出 了 PhoneGap, 通 过 提 供 自 己 设 备 的 API 来 解 决 跨 平 台 HTML5 支 持 方 面 的 问 题 苹 果 ios Android 和 Windows Phone 都 支 持 PhoneGap 它 在 不 断 演 化 并 遵 循 W3C 其 他 Web API 提 供 商 还 在 尝 试 将 它 们 加 入 到 W3C 中 的 HTML5 标 准 中 拥 有 一 个 统 一 的 HTML5 标 准 是 大 势 所 趋, 但 这 并 不 容 易 在 实 现 标 准 化 之 前, 移 动 操 作 系 统 供 应 商 将 以 他 们 自 己 的 方 式 实 现 自 己 的 想 法 苹 果 谷 歌 和 微 软 都 是 W3C 标 准 定 义 的 积 极 参 与 者 对 于 其 他 移 动 操 作 系 统 供 应 商, 无 论 遵 循 W3C 还 是 参 与 定 义, 都 是 让 其 移 动 操 作 系 统 能 够 存 活 下 来 的 大 势 所 趋 性 能 在 开 始 使 用 HTML5 构 建 应 用 程 序 时, 移 动 应 用 程 序 开 发 人 员 抱 怨 最 多 的 就 是 性 能 要 在 移 动 领 域 真 正 获 得 成 功,HTML5 需 要 针 对 移 动 设 备 进 行 优 化, 这 是 它 要 做 的 最 重 要 的 工 作 我 们 认 为 以 下 是 要 针 对 移 动 操 作 系 统 进 行 优 化 的 最 重 要 的 领 域 : 硬 件 加 速 图 形 和 视 频 应 通 过 硬 件 进 行 加 速 WebGL 已 在 越 来 越 多 的 13 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

14 平 台 上 启 用 多 线 程 支 持 Web Worker 线 程 应 当 作 为 HTML5 中 的 一 项 关 键 特 性 而 获 得 支 持 JavaScript 引 擎 优 化 JIT( 即 时 功 能 ) 已 在 SFX 和 V8 上 启 用 本 机 或 混 合 应 用 程 序 支 持 重 用 现 有 本 地 库 的 功 能 将 是 支 持 Web 应 用 程 序 的 另 一 种 方 法 Android NDK 提 供 了 这 样 一 种 功 能, 并 在 Android 应 用 程 序 中 被 广 泛 应 用 但 在 Web 应 用 程 序 上, 它 还 没 有 得 到 广 泛 的 应 用 Chromium 提 供 的 NaCL 是 支 持 该 NDK 的 一 个 选 择 云 集 成 除 了 HTML5 提 供 的 强 大 功 能 之 外, 云 和 客 户 端 之 间 的 无 缝 集 成 更 为 重 要 它 不 仅 可 用 于 Web 应 用 程 序, 还 可 用 于 本 机 应 用 程 序 集 成 的 重 要 原 因 包 括 : 云 存 储 无 缝 集 成 客 户 端 应 像 使 用 它 的 本 机 存 储 一 样 使 用 云 存 储 这 需 要 云 存 储 客 户 端 紧 密 地 集 成 到 移 动 操 作 系 统 中 苹 果 已 将 icloud 深 度 集 成 到 ios 5 中 Google Drive 已 集 成 到 谷 歌 的 Web 服 务 中 云 API 可 访 问 性 在 云 客 户 端, 移 动 操 作 系 统 应 提 供 强 大 且 易 于 使 用 的 库, 供 Web 和 本 机 应 用 程 序 访 问 云 客 户 端 API 使 用, 这 些 库 通 常 包 括 RESTful SOAP 或 Query API 帐 户 管 理 借 助 云 集 成, 多 个 具 有 单 一 帐 户 的 客 户 端 可 共 享 云, 且 可 以 实 现 对 同 步 的 管 理 帐 户 应 紧 密 集 成 到 移 动 操 作 系 统 中, 并 提 供 帐 户 API, 让 应 用 程 序 能 够 安 全 地 访 问 相 应 的 云 服 务 和 本 地 资 源 同 步 和 通 知 是 移 动 操 作 系 统 中 扩 大 云 集 成 可 用 性 的 重 要 特 性 讨 论 和 总 结 在 本 节 中, 我 们 首 先 讨 论 当 今 市 面 上 主 要 的 移 动 操 作 系 统, 然 后 总 结 本 文 苹 果 ios 苹 果 是 移 动 操 作 系 统 设 计 领 域 的 领 导 者 它 的 iphone* 和 ipad* 在 短 短 几 年 间 就 已 流 行 全 球 这 两 款 产 品 都 使 用 了 苹 果 ios 用 户 体 验 :ios 提 供 了 良 好 的 性 能, 通 常 被 设 定 为 其 他 移 动 操 作 系 统 的 基 准 苹 果 在 不 断 增 强 用 户 体 验 iphone 4S 与 前 几 代 产 品 相 比 具 有 更 好 的 性 能 提 升, 尤 其 是 互 联 网 和 浏 览 器 方 面 [1] 随 着 更 多 新 特 性 的 增 加,iPhone 4S 也 [1] 增 加 了 更 多 的 性 能 要 求 一 项 非 官 方 的 研 究 表 明, 在 iphone 3GS 上 从 ios 4.x 升 级 到 5.x 之 后, 用 户 体 验 会 下 降 电 源 管 理 :ios 电 源 优 化 似 乎 无 法 跟 上 新 特 性 对 功 耗 的 更 高 需 求 一 家 移 动 网 络 管 理 公 司 Arieso 估 计,iPhone 4S 用 户 的 数 据 流 量 是 以 前 的 iphone 型 号 的 两 倍, 原 因 在 于 更 多 在 线 服 务 的 使 用, 比 如 虚 拟 个 人 助 理 Siri, 它 无 疑 会 消 耗 更 多 的 电 量 [3] [6] 开 放 性 : ios 被 认 为 一 种 封 闭 的 移 动 操 作 系 统 研 究 工 作 定 义 了 一 个 感 知 平 台 开 放 性 (PPO) 的 概 念, 在 此 概 念 下 一 个 平 台 的 开 放 程 度 取 决 于 开 发 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 14

15 人 员 对 它 的 感 觉 云 就 绪 性 : 具 有 HTML5 支 持 的 ios 5.0, 使 其 成 为 一 个 优 秀 的 云 客 户 端, icloud 已 默 认 集 成 为 存 储 设 备 Google Android Android 是 目 前 流 行 的 面 向 移 动 设 备 的 操 作 系 统, 由 谷 歌 领 导 的 开 放 手 机 联 盟 开 发 Android 开 源 项 目 的 目 标 是 创 建 一 个 现 实 世 界 的 成 功 产 品, 改 善 最 终 用 户 的 移 动 体 验 [16] 用 户 体 验 : Android 用 户 体 验 团 队 定 义 了 一 组 设 计 原 则 [17], 具 有 3 个 总 体 目 标 : 让 我 着 迷 简 化 我 的 生 活 和 让 我 惊 喜 [18] 最 新 的 Android 和 ios 设 备 在 一 组 关 于 电 池 寿 命 的 基 准 测 试 中 获 得 了 相 似 的 结 果 [19] 电 源 管 理 : 当 未 被 持 有 唤 醒 锁 的 模 块 阻 止 时,Android 会 积 极 地 暂 停 设 备 以 节 省 电 力 [20] 但 是,Android 允 许 第 三 方 应 用 程 序 在 后 台 运 行, 这 些 应 用 程 序 可 能 没 有 充 分 的 理 由 就 持 有 这 样 一 个 唤 醒 锁, 从 而 悄 无 声 息 地 消 耗 电 力 安 全 性 : 每 个 应 用 程 序 在 一 个 沙 盒 环 境 中 运 行, 以 便 在 Android 中 强 制 实 现 安 全 性, 这 通 过 为 每 个 应 用 程 序 分 配 惟 一 用 户 ID 并 在 该 用 户 位 于 一 个 独 立 进 程 中 运 行 该 应 用 程 序 来 实 现 [21] 开 放 性 : 依 据 Apache 许 可, 谷 歌 发 布 了 开 源 的 Android 代 码,Android 开 源 项 目 是 进 行 Android 开 发 和 维 护 的 地 方 但 是, 谷 歌 通 常 与 选 定 的 制 造 商 合 作, 为 每 个 新 版 本 的 Android 打 造 一 款 旗 舰 设 备, 而 新 代 码 仅 在 该 设 备 发 布 后 才 会 公 开 碎 片 化 成 为 Android 生 态 系 统 中 一 个 越 来 越 重 要 的 问 题 Android 维 护 着 Android 兼 容 性 计 划, 提 供 兼 容 性 测 试 套 件 来 保 证 为 Android 开 发 的 应 用 程 序 能 在 每 个 Android 设 备 上 运 行 云 就 绪 性 : 尽 管 谷 歌 在 云 领 域 遥 遥 领 先, 但 没 有 像 苹 果 对 icloud 所 做 的 一 样 推 出 一 个 全 面 的 解 决 方 案 Microsoft Windows Phone 微 软 发 布 了 它 最 近 重 新 设 计 的 名 为 Windows Phone 的 移 动 操 作 系 统 基 于 他 们 在 Windows Mobile 6.5 与 Windows Phone 7 之 间 的 设 计 变 化, 这 个 新 操 作 系 统 的 一 些 特 征 得 以 公 开 用 户 体 验 : 随 着 基 于 触 摸 屏 的 用 户 交 互 取 代 以 前 的 手 写 笔 输 入, 微 软 决 定 打 破 Windows Phone 和 Windows Mobile 之 间 应 用 程 序 的 兼 容 性 [23] 类 似 于 Android 的 AppWidget 设 计,Windows Phone 为 主 屏 幕 发 明 了 Live Tiles 的 概 念 [28] 电 源 管 理 : 类 似 于 它 的 安 全 性 设 计,Windows Phone 对 电 池 寿 命 的 设 计 很 大 程 度 受 益 于 其 Windows CE 和 Windows Mobile 体 验 一 个 特 殊 考 虑 因 素 是,Windows Phone 选 择 黑 色 作 为 主 要 的 默 认 颜 色 主 题, 因 为 黑 色 像 素 不 会 发 光, 所 以 可 以 节 省 OLED 屏 幕 的 功 耗 [32] 15 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

16 安 全 性 : Windows Phone 的 设 计 已 从 初 期 Windows Mobile 面 向 企 业 的 设 计 转 变 为 面 向 最 终 用 户 的 设 计 为 企 业 产 品 积 累 的 安 全 性 经 验 仍 然 有 用 [31] 开 放 性 : 在 Windows Phone 上 市 销 售 之 前,Microsoft 发 布 了 它 的 SDK, 让 开 发 人 员 能 够 为 新 操 作 系 统 编 写 程 序 [24] Windows Phone Marketplace 向 35 个 不 同 的 国 家 / 地 区 提 供 了 它 的 服 务 [25] 当 前 的 编 程 语 言 是 C# 和 Visual Basic 这 些 对 任 何 Windows 开 发 人 员 都 毫 不 意 外, 因 此 语 言 的 学 习 曲 线 预 计 将 很 平 缓 云 就 绪 性 : Windows Phone 正 在 快 速 实 现 云 就 绪 性 Windows Phone 8 集 成 了 Internet Explorer 10, 据 称 该 浏 览 器 具 有 全 面 的 HTML5 支 持, 并 支 持 在 多 个 选 项 卡 中 并 行 加 载 页 面 [29] 除 此 之 外,Skype 可 以 深 度 集 成 到 操 作 系 统 中 [26] Windows Phone 中 的 一 个 新 概 念 是 中 心 (hub), 它 将 各 种 类 似 的 服 务 特 性 聚 合 到 一 个 中 心 内 这 可 以 显 著 改 善 手 机 的 云 服 务 用 户 体 验 [27] 此 外,Windows Phone 的 软 件 框 架 设 计 包 含 两 部 分 : 屏 幕 和 云 云 部 分 是 专 门 为 开 发 人 员 门 户 服 务 和 云 服 务 而 设 计 的 在 本 文 中, 基 于 我 们 所 开 发 的 分 析 模 型, 我 们 分 析 了 移 动 操 作 系 统 设 计 的 几 个 主 要 方 面, 包 括 用 户 体 验 电 池 寿 命 云 就 绪 性 安 全 性 和 开 放 性 这 些 应 该 是 下 一 代 移 动 操 作 系 统 设 计 的 重 点 领 域 未 来 的 移 动 操 作 系 统 同 样 依 赖 于 可 用 的 硬 件 设 计 我 们 相 信, 成 功 的 移 动 系 统 是 软 件 和 硬 件 的 共 同 设 计 与 互 联 网 的 进 步 相 结 合 的 结 果 参 考 资 料 [1] iphonedownloadbolg.com. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 16

17 [13] adckalllb [14] [15] [16] [17] mobile-threats-report.pdf [18] [19] [20] [21] [22] [23] /WPH201 [24] netflix-apps-for-windows-phone-7-r/ [25] archive/2011/07/06/windows-phone-around-the-world-languagesupport-in-mango.aspx [26] definitely-coming-to-second-gen-handsets-probably-to-first-gen/ [27] [28] microsoft-is-playing-to/ [29] web- browser-comparison [30] mango-one-heck-of-an-upgrade.ars [31] series- in-the-enterprise-not-all-good-news.ars [32] 17 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势

18 [33] user-interaction-measurement/ [34] interactions-with-android-devices/ 作 者 简 介 Xiao-Feng Li 英 特 尔 公 司 系 统 软 件 优 化 中 心 架 构 师 Xiao-Feng 在 英 特 尔 工 作 了 12 年, 在 并 行 系 统 编 译 器 设 计 和 运 行 时 技 术 上 拥 有 丰 富 的 技 术 经 验, 他 在 英 特 尔 撰 写 了 大 约 20 篇 学 术 文 章 并 获 得 了 10 项 美 国 专 利 两 年 前,Xiao-Feng 开 始 了 在 英 特 尔 平 台 上 实 现 最 佳 Android 用 户 体 验 的 评 估 和 优 化 工 作 在 加 入 英 特 尔 之 前,Xiao-Feng 是 诺 基 亚 研 究 中 心 的 一 名 技 术 经 理 Xiao-Feng 拥 有 计 算 机 科 学 专 业 的 博 士 学 位, 是 Apache Software Foundation 的 一 名 成 员 他 的 个 人 主 页 是 people.apache.org/~xli Yong Wang 英 特 尔 公 司 开 源 技 术 中 心 的 高 级 软 件 工 程 师 他 已 在 英 特 尔 工 作 了 7 年, 参 与 过 各 种 项 目, 其 中 包 括 虚 拟 化 可 管 理 性 OSV 支 持 等 最 近,Yong 在 研 究 针 对 广 泛 的 移 动 操 作 系 统 ( 比 如 Moblin Meego Tizen 和 Android) 的 电 源 管 理 Yong 毕 业 于 北 京 航 空 航 天 大 学, 拥 有 计 算 机 科 学 专 业 的 硕 士 学 位 他 在 闲 暇 时 喜 爱 体 育 运 动 和 阅 读 Weihua Jackie Wu (jackie.wu@intel.com): 英 特 尔 公 司 开 源 技 术 中 心 工 程 部 经 理, 领 导 一 个 专 注 移 动 操 作 系 统 和 HTML5 工 具 开 发 的 团 队 在 这 之 前, Jackie 是 一 位 研 究 工 程 师, 致 力 于 无 线 网 络 和 高 能 效 通 信 方 面 的 工 作 在 2004 年 加 入 英 特 尔 之 前,Jackie 在 中 国 科 学 院 开 发 嵌 入 式 操 作 系 统 和 智 能 手 机 产 品 Jackie 分 别 于 1999 和 2002 年 获 得 了 北 京 航 空 航 天 大 学 工 程 机 械 专 业 的 学 士 和 硕 士 学 位 他 拥 有 两 项 正 在 申 请 的 美 国 专 利 Kerry Jiang (kerry.jiang@intel.com): 英 特 尔 公 司 系 统 优 化 技 术 中 心 (SOTC) 的 软 件 工 程 师 Kerry 已 在 英 特 尔 工 作 了 8 年, 其 中 4 年 参 与 了 IA 上 的 开 源 移 动 操 作 系 统 软 件 栈 的 研 究, 这 包 括 Android 的 优 化 和 MeeGo SDK 在 加 入 英 特 尔 之 前,Kerry 在 摩 托 罗 拉 从 事 移 动 平 台 和 2G 无 线 基 站 软 件 开 发 Kerry 拥 有 电 子 工 程 专 业 的 硕 士 学 位 Bingwei Liu (bing.wei.liu@intel.com): 英 特 尔 公 司 开 源 技 术 中 心 的 工 程 经 理 Bingwei 在 英 特 尔 已 工 作 了 11 年, 在 Linux 操 作 系 统 开 源 软 件 和 系 统 工 程 领 域 有 丰 富 的 经 验 他 的 工 作 范 围 涵 盖 从 企 业 到 客 户 端 平 台, 目 前 他 主 要 致 力 于 移 动 操 作 系 统 研 究 Bingwei 拥 有 计 算 机 科 学 专 业 的 硕 士 学 位 移 动 操 作 系 统 架 构 的 趋 势 18