基于Android的高性能云終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對(duì)主流虛擬化協(xié)議對(duì)Android系統(tǒng)支持不足和ARM平臺(tái)廠商對(duì)Linux系統(tǒng)的顯示驅(qū)動(dòng)支持有限的問(wèn)題，提出一種將Android系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)相整合的解決方案，以Android系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)構(gòu)建Linux系統(tǒng)應(yīng)用，通過(guò)中間層技術(shù)將Android系統(tǒng)的Bionic顯示驅(qū)動(dòng)接口轉(zhuǎn)換成Linux系統(tǒng)下Glibc應(yīng)用能夠用的功能接口，具體闡述2D圖形顯示和高清視頻播放的實(shí)現(xiàn)。該方案利用了Android系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使Android平臺(tái)的設(shè)備作為高性能云終端成為可能，擴(kuò)展云終端的選型范圍，降低云終端的成本。

關(guān)鍵詞：Android； 云終端； Linux

中圖分類號(hào)：TP316

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

云桌面構(gòu)建于企業(yè)級(jí)虛擬化平臺(tái)之上，共享服務(wù)器CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)連接和存儲(chǔ)器等底層物理硬件資源，讓多個(gè)用戶桌面以虛擬機(jī)的形式獨(dú)立運(yùn)行，為每個(gè)用戶提供一套獨(dú)立的桌面環(huán)境[1-2]?，F(xiàn)有云桌面的前端設(shè)備云終端主要以X86+Windows和ARM+Linux兩種平臺(tái)為主，長(zhǎng)期以來(lái)X86+Windows占據(jù)著云終端的主導(dǎo)地位。但是近年來(lái)，隨著多核ARM平臺(tái)的迅速發(fā)展，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件的深度優(yōu)化，ARM+Linux平臺(tái)的云終端已經(jīng)可以提供完美的遠(yuǎn)程桌面體驗(yàn)，支持高清的視頻重定向，而且ARM+Linux平臺(tái)的云終端成本遠(yuǎn)低于X86+Windows平臺(tái)。

2014年，Android設(shè)備的銷售量占到全球份額81%的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[3]，但目前主流的虛擬化協(xié)議如Citrix的ICA[4]、VMware的PCOIP[5]和Red Hat的SPICE[6]，對(duì)Android系統(tǒng)的支持還停留在基礎(chǔ)辦公上，對(duì)于協(xié)議的擴(kuò)展如MMR或者USB設(shè)備重定向的支持幾乎沒(méi)有，同時(shí)Android系統(tǒng)主要針對(duì)觸屏操作，對(duì)鼠標(biāo)操作的支持較弱，導(dǎo)致其虛擬化應(yīng)用體驗(yàn)較差。但這些虛擬化協(xié)議在ARM+Linux上的實(shí)現(xiàn)以及用戶體驗(yàn)都達(dá)到一個(gè)較好的水平。

由于受限于云終端的市場(chǎng)規(guī)模，ARM廠商對(duì)Linux系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)支持有限，只提供Android系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)，且都是閉源的二進(jìn)制動(dòng)態(tài)庫(kù)，說(shuō)服廠商針對(duì)Linux系統(tǒng)重新編譯提供一套動(dòng)態(tài)庫(kù)幾乎是不現(xiàn)實(shí)的，如國(guó)內(nèi)主流的ARM廠商海思和瑞芯微都已不再提供針對(duì)Linux的顯示驅(qū)動(dòng)，這導(dǎo)致云終端的ARM+Linux硬件平臺(tái)選型受到極大的限制。

綜上，在ARM+Linux上虛擬化體驗(yàn)較好，但缺乏原生廠商的支持，而在ARM+Android上虛擬化體驗(yàn)較差，但其驅(qū)動(dòng)較為完整。由于多數(shù)廠商不提供Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致ARM+Linux云終端平臺(tái)選型非常困難，若能夠基于Android驅(qū)動(dòng)構(gòu)建Linux系統(tǒng)及其應(yīng)用，那就能夠?qū)ndroid設(shè)備納入云終端的選型范圍。

1 Android系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)

Android系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。從系統(tǒng)架構(gòu)看，Android本質(zhì)上就是一個(gè)Linux變種，二者使用了相同的內(nèi)核，但在基礎(chǔ)庫(kù)上有較大區(qū)別，Linux是基于Glibc，而Android則重寫了Glibc，衍生出了Bionic[7]。但由于Bionic與Glibc不完全兼容，加上鏈接器的不同，導(dǎo)致在Android上編譯的動(dòng)態(tài)庫(kù)是無(wú)法直接在Linux系統(tǒng)中使用。

ARM廠商提供的Android的驅(qū)動(dòng)位于HAL（硬件抽象層）[8]，而HAL依賴于基礎(chǔ)庫(kù)Bionic，若希望Linux系統(tǒng)的應(yīng)用能夠調(diào)用Android系統(tǒng)的HAL驅(qū)動(dòng)，則需要解決基礎(chǔ)庫(kù)（Bionic與Glibc）的兼容性問(wèn)題。因此在系統(tǒng)融合方案中在Bionic與Glibc之間構(gòu)建中間層LibBridge，讓Linux系統(tǒng)的Glibc環(huán)境下的應(yīng)用通過(guò)LibBridge中間層能夠調(diào)用Android系統(tǒng)的基于Bionic庫(kù)的驅(qū)動(dòng)。在具體實(shí)現(xiàn)中，該方案基于瑞芯微RK3188平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了2D圖形顯示和視頻硬解碼功能。

2 云終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整合系統(tǒng)的框架如圖2所示。

系統(tǒng)盡可能地保留了Android原始的HAL及相關(guān)的服務(wù)，在進(jìn)入Android系統(tǒng)后，通過(guò)chroot的方式進(jìn)入Linux系統(tǒng)并啟動(dòng)相關(guān)的服務(wù)和應(yīng)用程序主界面。系統(tǒng)啟動(dòng)流程如圖3所示。

在Linux系統(tǒng)中調(diào)用Android的顯示驅(qū)動(dòng)及多媒體驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了支持1920×1080分辨率的2D圖形顯示和1080P高清視頻的流暢播放，達(dá)到了高性能云終端的基準(zhǔn)，在該系統(tǒng)中的Citrix虛擬化體驗(yàn)并能夠達(dá)到Citrix的Ready認(rèn)證水平[9]。下面具體闡述整合系統(tǒng)中中間層LibBridge、2D圖形顯示和高清視頻硬解碼的實(shí)現(xiàn)。

2.1 中間層LibBridge的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中間層LibBridge的主要作用是把Android系統(tǒng)中基于Bionic編譯的驅(qū)動(dòng)庫(kù)中的符號(hào)替換成與Linux系統(tǒng)中Glibc相兼容版本的符號(hào)。它封裝了基于Bionic編譯的庫(kù)，當(dāng)Linux的應(yīng)用需要調(diào)用到Bionic庫(kù)時(shí)，會(huì)首先加載LibBridge中間層，LibBridge中間層就會(huì)使用其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于Android鏈接器去加載真正需要加載的庫(kù)。

它的具體原理為：首先封裝所有Android驅(qū)動(dòng)庫(kù)的接口，然后使用鏈接器的機(jī)制動(dòng)態(tài)加載Android驅(qū)動(dòng)庫(kù)，最后根據(jù)實(shí)現(xiàn)調(diào)用來(lái)重定向接口。其中鏈接器是一個(gè)基于Android系統(tǒng)中鏈接器修改而成的版本，但其中加入了對(duì)Glibc符號(hào)的特殊處理。其原理如圖4所示。

可以看出，包含字符映射的LibBridge的hooks哈希表中包含兩部分內(nèi)容：一部分是hooks數(shù)組定義的映射，其字符地址指向LibBridge中實(shí)現(xiàn)的封裝函數(shù)，由封裝函數(shù)來(lái)處理兼容性問(wèn)題，然后調(diào)用Glibc對(duì)應(yīng)版本。 另一部分是Bionic的字符到libc.so.6和 librt.so對(duì)應(yīng)版本的直接映射。前者是靜態(tài)定義的，后者則是運(yùn)行時(shí)生成的。其中處理字符重定位的關(guān)鍵函數(shù)reloc_library實(shí)現(xiàn)為：

static int reloc_library（soinfo *si， Elf_Rel *rel， unsigned count）

{

Elf_Sym *symtab = si->symtab；

const char *strtab = si->strtab；

…

for（idx = 0； idx < count； ++idx）

{

…

if （sym ！= 0）

{

sym_name = （char *）（strtab + symtab[sym].st_name）；

INFO（\"HYBRIS： '%s' checking hooks for sym '%s'＼＼n\"， si->name，sym_name）；

sym_addr = get_hooked_symbol（sym_name）；

if （sym_addr ！= NULL）

{

INFO（\"HYBRIS： '%s' hooked symbol%s to%x＼＼n\"， si->name，sym_name， sym_addr）；

}

else

{

s = _do_lookup（si， sym_name， base）；

}

…

}

}

}

其中獲取hooks哈希表具體字符的get_hooked_symbol函數(shù)實(shí)現(xiàn)為：

void *get_hooked_symbol（char *sym）

{

struct _hook *ptr = hooks[0]；

static int counter = -1；

while （ptr->name ！= NULL）

{

if （strcmp（sym， ptr->name） == 0）

{

return ptr->func；

}

ptr++；

}

…

}

基于Linux系統(tǒng)的Glibc的應(yīng)用調(diào)用LibBridge的工作流主要如下：

（1）應(yīng)用程序啟動(dòng)；

（2） 若是動(dòng)態(tài)鏈接，且應(yīng)用程序中調(diào)用了Android 庫(kù)的接口，則使用LD加載LibBridge庫(kù)；

（3）通過(guò)調(diào)用LibBridge庫(kù)的接口來(lái)調(diào)用真正的Android庫(kù)接口。

通過(guò)中間層LibBridge，Linux系統(tǒng)的基于Glibc編譯的應(yīng)用就能夠間接調(diào)用Android系統(tǒng)的HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)了，基于此就能夠在Linux系統(tǒng)中調(diào)用Android的GPU驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)2D圖形顯示。

2.2 2D圖形顯示的實(shí)現(xiàn)

目前Linux采用的顯示架構(gòu)都是Xorg，虛擬化廠商提供的客戶端也都是基于X的。Linux系統(tǒng)的顯示架構(gòu)如圖5所示。

從上述架構(gòu)可以看出，在Linux系統(tǒng)中使用了Android自帶的顯示服務(wù)，能夠最大限度的利用Android原生驅(qū)動(dòng)效率，同時(shí)也具備了高可移植性，可以屏蔽Linux系統(tǒng)對(duì)Android底層顯示驅(qū)動(dòng)的依賴。

在LibBridge中包含了2D圖形顯示的EGL平臺(tái)接口，它是Android平臺(tái)的libEGL庫(kù)的封裝實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部會(huì)加載真正的libEGL庫(kù)，在hook一些函數(shù)的同時(shí)也會(huì)增加一些擴(kuò)展函數(shù)，它主要包含兩種后端的實(shí)現(xiàn)：fbdev和wayland，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3 高清視頻硬解碼的實(shí)現(xiàn)

目前Linux上采用較多的多媒體框架是Gstreamer，基于可插拔插件的Gstreamer多媒體應(yīng)用框架應(yīng)用靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠快速裝卸功能模塊，極大地簡(jiǎn)化多媒體應(yīng)用的開(kāi)發(fā)過(guò)程[10]，Citrix的多媒體重定向也都是Gstreamer框架，如圖7所示。

Gstreamer通過(guò)LibBridge調(diào)用Android原生的MediaCodec[11]，能夠有效的利用Android的硬解碼，屏蔽Linux系統(tǒng)對(duì)硬解底層驅(qū)動(dòng)的依賴。在針對(duì)RK3188的Android版本中已提供OMX硬解的支持，因此只需要在Wayland中支持Gstreaner的xvimagesink視頻輸出，即需要在Wayland中支持X視頻擴(kuò)展[12]。X視頻擴(kuò)展是X Window系統(tǒng)的視頻輸出機(jī)制，它主要用于調(diào)整視頻控制器硬件中的視頻內(nèi)容大小，以放大給定視頻或以全屏模式觀看。沒(méi)有X視頻擴(kuò)展，X將不得不在主CPU上進(jìn)行縮放，這需要大量的處理能力，會(huì)減慢或降低視頻流，這對(duì)ARM幾乎是不可接受的，因此需要在Wayland中針對(duì)RK3188平臺(tái)的X視頻擴(kuò)展接口，利用其硬件縮放和YUV加速能力。X視頻擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)只需要在Wayland中增加RK3188的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)XVideo接口即可。RK3188圖像輸出接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)在其內(nèi)核中已定義，不需要調(diào)用Android 下的相關(guān)庫(kù)，因此根據(jù)SDK代碼實(shí)現(xiàn)framebuffer相關(guān)操作即可。關(guān)鍵部分代碼為：

//RK平臺(tái)的XVideo初始化函數(shù)

int rk_init（ScreenPtr pScreen）

{

…

rk_xvideo * rkxv = rk_xvideo_init（RkFb_private）；

if （rkxv） {

XVideo_private = XVideo_Init（pScreen， rkxv->intf）；

}

return 0；

}

在wayland的初始化函數(shù)中將xv_private修改為rk_init，關(guān)鍵代碼為：

void

xwl_xv_init_port（ScreenPtr screen， glamor_port_private *port_priv， int port_number）

{

…

port_priv->xv_private = rk_init_xv（）；

REGION_NULL（pScreen， port_priv->clip）；

}

3 總結(jié)

本文構(gòu)建的基于Android的高性能云終端，通過(guò)構(gòu)建LibBridge中間層解決了Glibc與Bionic的兼容性問(wèn)題，以Android系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)構(gòu)建Linux系統(tǒng)應(yīng)用，將Android的優(yōu)勢(shì)與Linux優(yōu)勢(shì)相整合，使得Linux系統(tǒng)的應(yīng)用能夠充分利用Android系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)，擴(kuò)大云終端ARM+Linux平臺(tái)的選型范圍，使云終端從傳統(tǒng)PC、專用的云終端設(shè)備擴(kuò)展到Android移動(dòng)設(shè)備上。

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（責(zé)任編輯：周曉南）