华为鸿蒙操作系统全景解构
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2021-07-02 11:34
从技术、生态两角度看，操作系统对于 ICT 厂商而言具有重要意义，鸿蒙操作系统的推出，对华为、对我国自主可控进程的意义不言而喻。
微内核、方舟编译器是鸿蒙生态的两大核心要素。微内核更适应复杂的程序功能，且能够更灵活地移植至不同硬件平台；方舟编译器通过将编译过程提前至开发者环节提升应用执行效率，这一点对于多终端尤其是物联网边缘计算而言尤为重要。结合以上两大要素看，鸿蒙生而为 IoT 设计。
车联网、智慧城市、工业是华为 IoT 的三大应用方向，目前三大应用成熟度各有不同，鸿蒙操作系统预计将在三大领域起催化作用。
本文参考自“华为鸿蒙操作系统全景解构”报告，全文详细介绍微内核、方舟编译器两大鸿蒙生态核心要素，以及鸿蒙完善的IoT生态，目录和下载链接如下：
操作系统（OS，Operating System）是管理计算机软硬件资源的“大脑”。常见 ICT系统包括硬件和软件两部分，软件又可分为操作系统软件和应用软件。其中操作系统是介于硬件和应用软件之间的一层重要部分，是管理分配硬件资源、实现应用软件功能的重要载体。操作系统在 ICT 领域扮演重要角色，其作用可从技术、生态两方面佐证：
（1）技术角度看，操作系统在程序运行的过程中起重要作用。
一般而言，软件程序的运行需要四大要素：程序设计语言、编译系统、操作系统、指令集。粗略理解：
①程序设计语言是编程的工具基础，包括常见的 C、C++、Java、C#等；
②编译系统的作用是将编写好的程序语言“翻译”成机器能够识别的二进制码；
③操作系统是调度资源、执行程序的“大脑”；
④指令集则决定了程序以何种方式来执行。
可作以下类比：硬件相当于高速公路、铁路等基础设施资源，软件相当于驾驶员/旅客，而操作系统则相当于各种类型的交通工具。汽车、火车等交通工具借助公路、铁路等基础设施得以行驶，驾驶员/旅客在交通工具上方能到达不同目的地。操作系统则是向下对接硬件，使硬件资源的存在有实际意义，同时向上承载各类应用程序，得以实现各种应用功能；编译系统在程序运行的过程中，起到方向盘或导航仪的作用，将驾驶员（软件）的操作（程序指令）转化为车辆的位移（机器语言）。
（2）生态角度看，总结 Win-tel 与我国自主可控历程，操作系统厂商处于 ICT 产业链的核心环节。
Win-tel 联盟下，微软股价随 Win95、WinXP 等版本的发布屡创新高。1980s 微软与英特尔组成 Win-tel 联盟，使得 Windows 系统搭配 x86 的 Intel 处理器成为 PC 领域的绝对主流，二者结合后，在软硬件版本迭代、生产、销售等环节协同，一时形成“双寡头垄断”的格局。1995 年 Win95 的发布首创了“桌面”的概念，使人机交互界面更加友好；Windows XP 的发布进一步稳固了微软在操作系统领域的领先地位。
尽管芯片是 ICT 生态的底层核心，但 Windows 背后庞大的应用生态决定了微软对芯片商有较高话语权。微软于 2018 年公布 Win10 操作系统已拥有 3500 万个应用、超 1.75亿个软件版本，支持 1600 万个硬件/驱动组合。微软三十余年积累海量开发者，拥有庞大的应用基础，因此对芯片架构的选择拥有一定话语权。在 x86 以外微软已针对 ARM 架构推出新一代操作系统，英特尔以外的芯片商将受益 Win 生态的拓展。
另外，ICT 领域自主可控不仅体现在以芯片为代表的硬件层，更需要操作系统带动生态可持续。“基础软件的短板主要在操作系统，芯片的短板主要在 EDA（电子设计自动化）设计工具等领域”。芯片层的创新与投入一直是产业与资本的关注重点，但持续研发需要商用以及操作系统带动应用软件同步推进，如果没有商用阶段的现金流再投资，则芯片层的创新难以持续迭代。
华为“鸿蒙”概念的公开时点虽受到外部环境影响，但实际已积淀大量商用经验。鸿蒙操作系统的发布时点体现重大意义，但并非是“从无到有”的过程，2012 年华为就已开发物联网操作系统 LiteOS，并在可穿戴设备、智能家居、车联网、LPWA 等领域应用，是鸿蒙操作系统的雏形。
LiteOS 解决物联网应用成本、连接、安全三大痛点，体现华为早期就已探索布局 IoT领域。
（1）低成本、低功耗。物联网需要海量终端接入，且大多数边缘设备为小型化、可移动，因此对续航能力与单位成本提出较高要求。LiteOS 内核小于 10k，同时通过 MCU 和通信模组二合一的 OpenCPU 架构，能够显著降低终端体积和终端成本。且超低功耗，甚至 1 节 5 号电池可工作 5 年。
（2）连接多样。物联网终端在不同场景下需要不同形式的网络连接，尤其进入到 5G时代后，对系统的连接性能和兼容性要求严格。连接拓展性能强，支持 6LoWPAN、WiFi、BTE、Zigbee 等多种协议，且设备间可以自组网、自发现、互操作，能够满足物联网应用的不同连接需求。
（3）安全。物联网边缘计算需要“云”+“端”协同，互联互通后数据泄露成为物联网系统的重大隐患。LiteOS 以极小体积的内核实现了双向认证、差分升级、DTLS/DTLS+等机制。
未来成熟商用的LiteOS 将逐步融入鸿蒙操作系统，逐步增强鸿蒙生态的多终端开发能力。在鸿蒙之前，华为已形成 HiLink（连接标准）+LiteOS（操作系统）+芯片（算力）的IoT“三件套”体系。进一步 LiteOS 与鸿蒙结合，将在 IoT 领域形成强大合力。
鸿蒙从设计之初就为多终端（如边缘计算 IoT、服务器等）而生，微内核、方舟编译器作为鸿蒙操作系统生态的两大核心要素。微内核乃操作系统的一种结构形式，将系统实现各功能的模块化，更灵活，易于拓展、易于维护与更新迭代；编译器可视为人与机器的“翻译”，将人的程序语言翻译给计算机可理解并执行，是人与计算机之间实现沟通的桥梁。
微内核与宏内核相对应，是操作系统的一种结构形式。操作系统的核心功能包括文件系统、内存和 I/O 设备管理、CPU 调度等，宏内核即指操作系统将上述功能全部“打包集成”在内核里，不同的功能模块之间耦合度高，所以具有高效率的优点，代表系统包括 Linux、Unix 等）。微内核则将系统分为各个小的功能模块，仅将最核心的调度、内存管理功能保留在内核中，驱动、文件系统等以“外部模块”的形式与内核连接，相应的优势是易于拓展、易于维护与更新、稳定性高，代表系统包括 Windows、Mac OS X 等。
鸿蒙微内核从底层即为物联网设计。上述可知，微内核的最大特性是仅在内核中保留最核心功能，因此对于鸿蒙而言：连接实时性更好（响应时延降低 25.7%、时延波动率降低 55.6%），同时结合 5G 低时延场景，尤其适用于工业控制、智能交通等物联网领域；可以做到故障隔离，最大程度保证系统的稳定性与安全性，在 5G 超多连接场景下更能满足万物互联的要求。
鸿蒙微内核体现分布式的特点，解决 IoT 生态协同的痛点。目前已有操作系统基本只对应于某一种硬件，如 Windows 对应 x86 PC、iOS 对应苹果手机等。但 IoT 时代终端种类数量极大拓展，难以针对每种硬件分别开发操作系统或应用程序，不同硬件终端的生态无法共享协同，开发效率低。而鸿蒙实现了硬件解耦，即可针对应不同设备进行弹性部署（例如智慧屏、穿戴设备、车机、音箱、手机等）。同时创新的分布式软总线使得拥有不同功能的硬件可以彼此协同。
微内核是 IoT 操作系统演进方向，鸿蒙微内核之效率、安全性业内领先。一般微内核系统，由于驱动、文件系统等进程被外置，各模块之间的通信需要经过内核“搭桥”，因而效率往往比宏内核要低。但鸿蒙微内核对进程间通信进行了高度优化，使得鸿蒙相比QNX、Fuchisia 效率提升 3 至 5 倍。此外，由于微内核的代码数量远远少于宏内核，因此鸿蒙能够以对每行代码进行充分的“形式化”的安全验证，显著提升了内核安全性。
方舟编译器最早系华为于 2019 年 4 月在 P30 系列手机发布会上公布，但实际积淀十年，定位是多终端系统。华为早期表示方舟编译器将大幅提升手机端安卓系统的运行效率，而开发编译器其实是协助鸿蒙操作系统更深层次布局边缘计算、服务器等领域。对传统编译器而言，编译时点、跨语言编译是制约应用程序执行效率的瓶颈。应用程序的执行要经过字节码到机器码的转换，程序员在编程时使用上述 C、C++、Java、C#等程序语言，但硬件的执行逻辑是基于 0 和 1 的二进制。因此要让硬件能够“读懂”指令，就需要编译器把“程序语言”转译成“机器语言”。
方舟编译器对以上两大瓶颈的解决方案是：将编译过程提前至开发者环节。在安卓的体系下，一些复杂动态语义的编译仍需交由虚拟机完成。方舟编译器开发团队通过梳理 Java的动态语义，进行了大规模的数据建模，尤其是在跨语言编译时，大大提高了动态语义分析的精度；另外，华为设计了一套具有核心专利的动态语义匹配机制，有效降低了运行时动态语义的开销。最终结果是，方舟编译器能够在应用程序执行之前，就将 Java 代码编译成机器语言，极大释放了硬件资源，这一点对于多终端尤其是物联网边缘计算而言尤为重要。
方舟编译器对开发者友好，利于形成良好生态。过去安卓等系统避免在开发者环节涉及编译，一大原因是为了降低开发难度，开发者只需完成代码编写即可，而无需考虑如何跨语言编译。但方舟方案下将编译过程提前至开发环节，并不增加开发者负担，相反开发者还能通过方舟预置算法进行代码优化，还可自行开发代码优化算法，未来代码优化甚至有可能迁移至云端。开发环境友好是鸿蒙搭建良好生态的重要因素。
对于方舟编译器，也可类比如下：过去 ART 虚拟机搭配安卓系统，相当于经验丰富的司机驾驶传统的手动挡汽车；而方舟编译器搭配鸿蒙操作系统，则相当于搭载了 L4 级别自动驾驶的车辆，车辆行驶可以随时根据车况、路况灵活调整，保证所有乘客的乘车体验均为最佳。兼容 Java 和 C、C++等多种语言增强了鸿蒙即战力，并与自有麒麟、鲲鹏等硬件架构协同，形成类似 Win-tel 的软硬件格局。
产业互联网新蓝海下，“华为之于物联网”可类比“苹果之于移动互联网”。
①生态。鸿蒙与方舟编译器将开源，拥抱海量开发者。以手机端为例，方舟编译器与超过 40 个高质量 App 合作，明显优化 Android 操作系统的流畅度。在更广泛的 IoT 领域，方舟编译器支持多语言统一编译，也支持混合编程，实现“一次编程，多端使用”，极大降低了开发者负担（例如对于某款应用，只需要一次性完成代码，就可以适配于手机、电视、车机等多种终端）。因此借助方舟编译器，鸿蒙将搭建完善的 IoT 生态。
②硬件。华为拥有强大 ICT 硬件基因，已推出从底层硬件到中间件、操作系统，再到到编译工具、应用软件的全栈软硬件方案。类比苹果产业链，华为内部已基本形成核心硬件环节的自研，例如新发布的前端昇腾 310+后端鲲鹏 920 的安防软硬标准化解决方案，又如自研基于鲲鹏 920 的 Taishan 服务器等全栈软硬件系统在山东移动 BSS 实现国产替代等。因此鸿蒙相比谷歌 Fushcia 等纯软件体现出硬件优势（苹果于 2019 年 7 月收购英特尔 5G 基带部门也体现自研芯片对系统生态的重要性）。
③先发优势+持续创新。鸿蒙前身 LiteOS 早已推出，拥有商用经验和先发优势。物联网基础是网络，华为在 5G 领域的深厚积淀。例如，其于 2019 年初发布首款商用 5G 多模终端芯片 Balong 5000 和首款 5G 商用终端华为 5G CPE Pro。Balong 5000 在 Sub-6GHz频段实现 4.6Gbps、在毫米波频段达 6.5Gbps 的峰值下载速率，并支持 SA 和 NSA 组网，已经完全满足未来 5G 产业不同阶段的商业需求，相比行业标杆的高通 X50 已取得领先。华为 5G 技术的先发优势与持续创新是鸿蒙作为 IoT 多终端操作系统取得成功的保障。
操作系统意味着应用平台与流量入口。上述从生态、硬件、先发优势+持续创新三方面看，拥有操作系统将帮助华为在物联网领域拥有更强话语权，将沿苹果在移动互联网时代的路径，成长为 5G+IoT 的巨头。
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