Android 模拟器发展探索

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无论我们是一个C++开发人员，还是一个JavaScript开发人员，又或是一个AngularJS专家......我们都是一名简单纯粹的程序员。

科技创造世界，世界正在由你改变！根据talkingdata的数据，目前有70%左右的智能手机在运行Android系统，这款在2007年由Google发布的移动操作系统，一经发布就在全球掀起了移动化浪潮。如今14年过去了，现如今Android系统怎么样了？

3月18日，开课吧《Hello,World公开课》迎来了步山老师，让他为我们说说，Android模拟器未来的发展如何。

Android模拟器底层技术实现

Android模拟器是令Android系统大红大紫的一个重要原因。简单来说，所谓的Android模拟器就是可以在其他的平台，如电脑上模拟出Android手机运行环境，并能体验Android系统应用的一种技术。

目前常见的模拟器有官方的Android Studio Emulator，以及LDPlayer，Bliss OS，Phoenix OS等等。从早期基于X86架构的模拟器发展到今天，已经发展到可以基于容器和云计算技术来构建模拟器了。

下面，我们来看看整个Android软件堆栈，如下图所示，从上到下依次是Android软件层、Java API，原生库、虚拟机、硬件抽象层、Linux Kernel。

硬件抽象层主要作用是将一些技术细节隐藏起来以方便开源，更多是商业层面的考量，紫色的部分是原生库，比如OpenGL ES是图形图像相关的库。

但有一个问题需要注意，上面这个系统是无法在X86的环境下运行的。为了解决这个问题，官方利用X86的技术重写了虚拟机以及Linux Kerenel等多个底层模块和驱动。替换掉后，就变成了如下图所示的架构：

整个系统架构了解清楚了，下面，我们再来看看Android模拟器是如何实现的，先来介绍一个重要的工具—Goldfish，它是一种虚拟的ARM处理器，Android模拟器通过它来运行arm926t指令集。下图就是Goldfish如何逐步实现Android模拟器的。Frameworks代码层通过调用Server来实现应用的请求，Hardware是硬件抽象层。

模拟器遇到的问题

原生库

在Android模拟器实现中有一个应用原生库的问题，因为不同的Android 设备使用的是不同CPU，而不同的CPU 支持不同的指令集。CPU 与指令集的每种组合都有专属的应用二进制接口(ABI)，如下图所示。

下面我们看看如何通过二进制指令翻译—houndini解决这个问题

通过触发Nativebridge机制，在“/proc/sys/fs/binfmt_misc”下的名为“register”的文件中写入了两串字符串，通知Dalvik/ART：

所有使用ARM指令集的可执行和动态库ELF文件都用houdini程序打开

所有ARM64指令集的可执行和动态库ELF文件都用houdini64程序打开

图形图像

可以想象，模拟器中图形图像对系统的开销是非常大的，可能会有几千条指令在同时运行。所以我们需要用到模拟计算来提升效率，如下图所示，guest是Android系统本身，host通过共享内存的方式将指令做转换。

交互

既然是操作系统，那人机交互肯定是少不了的。在Windows系统中，是通过鼠标键盘来输入数据，而一般安卓设备是触摸屏，所以我们还需要通过触摸屏虚拟设备加底层硬件驱动，将电脑端传过来的数据转换为触摸屏的数据。

Android模拟器演进

容器

这里我们又提到了容器，还记不记得之前《Hello，World公开课》中关于容器的介绍么，在这里，利用容器可以即隔离虚拟的应用环境，又可以高效利用宿主机的硬件。

WSL

WSL (Windows Subsystem for Linux)支持适用于Linux的Windows子系统在Windows上运行ELF64 Linux二进制文件。主要目标是提高文件系统性能，以及添加完全的系统调用兼容性。

云

以华为云为例，如下图所示，它是由Guest OS、虚拟化、主机OS、硬件平台这个部分构成，AOSP是Android的开源版本。

记得前面说的么，在安卓模拟器中，我们要通过异构指令的方式，把arm的指令翻译成X86的，这样做性能会大幅度削减，如果采用同构指令的方式，性能基本没有折损，因为华为云下面的鲲鹏云平台就是基于arm的。

讲师介绍

步山，复旦大学软件工程硕士毕业，曾在Corel，Intel等研发中心工作，专注Java虚拟机、安卓系统研发，目前为智能家居初创公司CEO

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