鴻蒙操作系統設計原理與架構

李 毅

华为OpenHarmony首席架构师近30年的基础软件及硬件设计经验，曾任华为终端OS平台首席架构师、EMUI首席架构师，OpenHarmony开源社区PMC主席等，主持过华为公司多个重大技术项目的架构设计工作。

 

任革林

华为OpenHarmony架构师OpenHarmony开源社区PMC主席、架构SIG组长。20多年的软件开发经验，从事过终端操作系统、游戏软件、导航软件、通信协议软件的开发和设计工作。主持过华为公司多个重大技术项目的架构设计工作。

目錄

 

第 1章　操作系統的發展史和演進 001

1.1　操作系統概述 002

1.2　操作系統的發展史 003

1.3　下一代電腦體系結構 011

1.4　萬物互聯時代面臨的挑戰 013

1.4.1　萬物互聯時代已來臨 014

1.4.2　改善終端用戶體驗的訴求 015

1.4.3　開發者面臨的挑戰 017

1.5　下一代操作系統的關鍵特徵 018

第 2章　HarmonyOS設計理念 021

2.1　HarmonyOS底層設計理念 022

2.2　HarmonyOS試圖解決的問題 022

2.3　HarmonyOS基本設計理念 024

2.3.1　超級終端的用戶體驗 024

2.3.2　“一次開發，多端部署”的用戶程序開發體驗 037

2.3.3　積木化拼裝的設備開發體驗 043

2.4　HarmonyOS的目標 043

2.4.1　業務目標 044

2.4.2　架構目標 044

2.4.3　架構設計原則 045

2.5　HarmonyOS架構設計 046

2.6　HarmonyOS關鍵技術 047

第3章　部件化架構原理解析 053

3.1　部件化架構 054

3.1.1　架構設計 054

3.1.2　HarmonyOS部件化架構設計 055

3.2　原理解析 059

3.2.1　部件管理 059

3.2.2　SysCap機制 061

3.2.3　SysCap使用指南 064

第4章　統一內核原理解析 069

4.1　內核子系統 070

4.2　HarmonyOS LiteOS-M內核 071

4.2.1　LiteOS-M內核概述 071

4.2.2　任務管理 073

4.2.3　內存管理 074

4.2.4　內核通信機制 077

4.3　HarmonyOS LiteOS-A內核 082

4.3.1　LiteOS-A內核概述 083

4.3.2　內核啟動 085

4.3.3　內存管理 089

4.3.4　進程管理 093

4.3.5　擴展能力 097

4.4　HarmonyOS Linux內核 105

4.4.1　內核合入規則 105

4.4.2　HCK機制 106

4.4.3　config分層配置機制 108

4.4.4　分佈式文件系統 110

4.4.5　新型內存擴展機制：ESwap 116

第5章　驅動子系統原理解析 121

5.1　HDF驅動框架 122

5.1.1　HDF架構 122

5.1.2　HDF運行模型 123

5.1.3　設備驅動的組成 124

5.1.4　設備與驅動之間的模型 126

5.1.5　HDI 126

5.2　HDF驅動框架工作原理 127

5.2.1　驅動配置管理 129

5.2.2　設備驅動加載 130

5.2.3　設備電源管理 132

5.3　HDF驅動框架部署 134

5.3.1　內核態部署 134

5.3.2　用戶態部署 135

第6章　分佈式軟總線原理解析 137

6.1　全場景下麵臨的挑戰 138

6.2　什麽是軟總線 142

6.2.1　軟總線的由來 142

6.2.2　軟總線的目標 144

6.3　軟總線技術架構 146

6.4　軟總線發現技術 149

6.4.1　發現模塊邏輯架構 149

6.4.2　發現模塊關鍵技術 150

6.4.3　發現協議 152

6.5　軟總線連接技術 156

6.5.1　連接模塊邏輯架構 157

6.5.2　連接模塊關鍵技術 160

6.6　軟總線組網技術 161

6.6.1　組網模塊邏輯架構 162

6.6.2　組網模塊關鍵技術 165

6.7　軟總線傳輸技術 166

6.7.1　傳輸模塊邏輯架構 166

6.7.2　傳輸模塊關鍵技術 168

6.8　使用軟總線 170

第7章　分佈式數據管理框架原理解析 177

7.1　分佈式數據管理架構 178

7.2　數據訪問 180

7.2.1　分佈式數據庫 180

7.2.2　分佈式數據對象 180

7.2.3　用戶首選項 181

7.3　數據同步 181

7.3.1　網絡模型 181

7.3.2　數據三元組 182

7.3.3　數據同步過程 183

7.3.4　水位管理 185

7.3.5　時間同步 186

7.3.6　沖突解決 189

7.4　數據存儲 190

7.5　數據安全 196

第8章　分佈式硬件平臺原理解析 199

8.1　分佈式硬件平臺應運而生 200

8.2　適用場景 201

8.3　分佈式硬件框架 203

8.4　分佈式硬件運行機制 205

8.5　硬件資源池化技術 206

8.5.1　什麽是虛擬化 207

8.5.2　硬件虛擬化技術 208

8.5.3　如何管理硬件資源池化 211

8.5.4　硬件資源池化支持的能力 213

8.6　硬件協同調度技術 213

8.6.1　設備發現和認證技術 214

8.6.2　硬件自適應技術 215

8.6.3　硬件協同同步技術 216

8.6.4　硬件解耦映射技術 217

8.6.5　硬件自動跟隨應用跨端遷移 218

8.7　應用使用流程 219

8.7.1　應用使用案例 219

8.7.2　能力開放 220

8.7.3　對開發者的要求 221

第9章　方舟編譯運行時原理解析 223

9.1　方舟編譯運行時設計目標 224

9.2　前端編譯器 226

9.2.1　前端編譯器功能 226

9.2.2　字節碼文件格式 227

9.2.3　方舟字節碼 229

9.3　方舟編譯運行時執行引擎 230

9.3.1　總體介紹 230

9.3.2　解釋器 231

9.3.3　優化編譯器 232

9.4　方舟編譯運行時內存管理 236

9.4.1　內存管理 236

9.4.2　內存分配 237

9.4.3　垃圾回收 240

第 10章　分佈式應用框架原理解析 243

10.1　應用框架管理 244

10.1.1　設計意圖 245

10.1.2　總體設計原則 246

10.1.3　架構與組成概述 246

10.2　Ability管理 247

10.2.1　設計理念 248

10.2.2　主要職責 248

10.2.3　詳細描述 250

10.3　窗口管理 253

10.3.1　設計理念 253

10.3.2　主要職責 254

10.3.3　詳細描述 256

10.4　全局包管理 259

10.4.1　設計理念 259

10.4.2　主要職責 260

10.4.3　詳細描述 260

10.4.4　HAP管理 262

10.4.5　原子化服務的免安裝及老化 264

10.5　跨端遷移框架 265

10.5.1　設計理念 266

10.5.2　主要職責 266

10.5.3　詳細描述 267

10.6　多端協同框架 268

10.6.1　設計理念 268

10.6.2　主要職責 269

10.6.3　詳細描述 269

第 11章　UI框架原理解析 273

11.1　UI框架概述 274

11.2　UI框架的演進 275

11.3　多設備場景下UI框架面臨的挑戰 277

11.4　HarmonyOS UI框架核心原理 278

11.4.1　整體架構 278

11.4.2　關鍵設計 281

11.5　ArkUI的探索和優化 339

第 12章　圖形子系統原理解析 341

12.1　圖形子系統的設計目標 342

12.2　圖形子系統的邏輯架構 344

12.3　圖形子系統的關鍵模塊 345

12.3.1　窗口與動畫 345

12.3.2　統一渲染 350

12.3.3　2D渲染引擎 372

12.3.4　3D渲染引擎 376

12.3.5　顯示管理 383

12.3.6　高階算子庫 386

12.3.7　圖形驅動 387

12.3.8　游戲體驗 390

第 13章　多媒體子系統原理解析 395

13.1　多媒體子系統概述 396

13.2　音頻服務 397

13.2.1　音頻服務框架 398

13.2.2　音頻播放 399

13.2.3　音頻採集 400

13.2.4　音頻策略管理 401

13.2.5　音量管理 403

13.2.6　音頻低時延 404

13.3　視頻服務 404

13.3.1　視頻服務框架 405

13.3.2　音視頻播放 406

13.3.3　音視頻錄制 411

13.3.4　音視頻編解碼 412

13.3.5　封裝/解封裝 415

13.3.6　元數據/縮略圖 415

13.4　相機服務 416

13.4.1　相機服務建模思路 416

13.4.2　相機服務框架 418

13.4.3　相機控制 420

13.4.4　相機預覽 424

13.4.5　相機拍照 425

13.4.6　相機錄像 426

13.5　圖像服務 427

13.5.1　圖像解碼 430

13.5.2　圖像編解碼插件管理 431

13.5.3　圖像使用優化 433

13.6　媒體數據管理框架服務 433

13.6.1　媒體數據管理框架 434

13.6.2　媒體數據同步與訪問 437

13.6.3　媒體數據變更通知 441

第 14章　安全子系統原理解析 443

14.1　HarmonyOS安全理念 444

14.1.1　HarmonyOS安全風險評估 444

14.1.2　HarmonyOS安全架構 445

14.2　HarmonyOS“正確的人”身份管理與認證 451

14.2.1　IAM身份認證架構 451

14.2.2　PIN碼認證 452

14.3　HarmonyOS“正確的設備”系統安全架構 452

14.3.1　HarmonyOS系統安全邏輯架構 453

14.3.2　完整性保護 454

14.3.3　加密及數據保護 457

14.3.4　權限及訪問控制 462

14.3.5　漏洞防利用 468

14.3.6　TEE 476

14.3.7　SE安全芯片 479

14.3.8　HarmonyOS設備安全分級 481

14.3.9　設備分佈式可信互聯 483

14.4　HarmonyOS“正確地訪問數據”分級訪問控制架構 484

14.4.1　數據分級規範 485

14.4.2　數據安全與用戶隱私生命周期管理 486

14.4.3　數據生成的安全機制 486

14.4.4　數據存儲的安全機制 487

14.4.5　數據使用的安全機制 487

14.4.6　數據傳輸的安全機制 488

14.4.7　數據銷毀的安全機制 489

14.5　HarmonyOS生態治理架構 489

14.5.1　HarmonyOS應用程序生命周期安全管理架構 489

14.5.2　HarmonyOS應用程序“純凈”開發 490

14.5.3　HarmonyOS應用程序“純凈”上架 490

14.5.4　HarmonyOS應用程序“純凈”運行 490

14.5.5　HarmonyOS設備生態治理架構 492

14.5.6　HarmonyOS設備生態合作夥伴認證 492

14.5.7　HarmonyOS生態設備安全認證 493

14.5.8　HarmonyOS生態設備分級管控機制 493

第 15章　DFX框架原理解析 495

15.1　常見DFX定義 496

15.2　操作系統DFX 497

15.3　HarmonyOS DFX框架 499

15.4　HarmonyOS DFX關鍵特性 500

15.4.1　流水日誌 HiLog 500

15.4.2　事件框架 HiView 505

15.4.3　調用跟蹤 HiTrace 509

15.4.4　信息導出 HiDumper 516

15.4.5　故障檢測 FaultDetector 519

15.4.6　缺陷檢測 HiChecker 525

15.4.7　調優 HiProfiler 528

15.5　DFX特性典型應用場景 531

15.5.1　產品可維可測設計 531

15.5.2　調試調優 533

15.5.3　質量分析 538

15.6　演進與展望 539

第 16章　文件管理原理解析 541

16.1　HarmonyOS文件管理設計背景 542

16.2　設計目標 542

16.3　總體架構 544

16.4　關鍵技術 547

16.4.1　用戶文件管理 547

16.4.2　應用文件管理 551

16.4.3　存儲管理 556

參考文獻 558