Linux 桌面、Android、ChromeOS 架構及 UI 實現方式的簡單對比-運維-CodeUp Hub

寫在前面

本人目前從事 Android 開發（應用層，非 Framework），有多年使用 Linux 發行版（主要是 Debian 和 RedHat 系）的經驗。本文內容由本人自網際網路收集、整合相關資料而來，作為個人技術學習補充知識，可能會有疏漏或錯誤。

提出疑問

使用 Ubuntu、Fedora 等常見的 Linux 發行版時，在遇到一些與圖形界面相關的問題並嘗試解決的過程中，常常會接觸到 X11、Wayland 等技術名詞。若同時在使用 Android 和 ChromeOS 這兩個同樣基於 Linux 的作業系統，基於使用體驗的對比，很容易產生如下疑問：

它們是否使用同樣的核心，上層部分的實現有什麼區別？
Android、ChromeOS 及 Linux 發行版在 UI 部分的實現有何異同？
是否可以在 Android 或 ChromeOS 系統上原生執行 Linux 程式（或反之）？

下文的內容將主要圍繞著上述 3 個疑問點展開，只涉及概括性的架構簡析，不涉及具體的程式碼實現或更底層的原理。

架構示意

Linux 桌面、Android、ChromeOS 架構及 UI 實現方式的簡單對比

架構簡析

Android

Android 作為目前最廣泛使用的移動平臺，分層相較於另外兩個桌面系統要更復雜一些。其底層使用的是由 Google 進行了裁剪和定製的 Linux 核心，上層則包含以下幾個主要部分：

硬體抽象層（HAL） ：連線 Android Framework 與核心裝置驅動的重要橋樑，向下遮蔽裝置及其驅動的實現細節，向上為系統服務及 Framework 提供統一的裝置訪問介面。同時 Google 基於保護硬體廠商智慧財產權的考量，允許硬體廠商不公開原始碼，將裝置相關的實現放在 HAL 層中並以共享庫（.so）的形式提供。
Android 執行時：這一部分在 Android 5.0 以前採用的是 Dalvik，這是一種基於 JVM 的直譯器，基於解釋方式執行 Java 程式碼，後被採用 AOT 編譯方式的 ART 取代。Dalvik 和 ART 透過執行 DEX 檔案來執行 Java 程式碼，這是一種專為 Android 設計的位元組碼格式，類比於 JDK 的 .class 檔案。
原生 C/C++ 庫：Android 平臺提供了 Java 框架 API 用於嚮應用提供一些原生庫的功能，如 Java OpenGL API。除此以外，也可以透過 NDK 直接從原生程式碼訪問這些平臺庫。
Java API 框架：這一層包含平常在編寫 Android 原生 App 時很常用到的基礎元件，Android 的四大元件 Activity、Service、BroadcastReceiver 和 ContentProvider 都屬於這一層。Framework 開發崗位的職責主要包含 Java API 框架（俗稱 Java Framework）、原生 C/C++ 庫（俗稱 Native Framework）和 Android 執行時這三層。
應用程式：這一層包含電子郵件、簡訊等 Android 系統自帶的系統應用和使用者後續安裝的應用，Android 應用層開發崗位的職責主要屬於這一部分。

ChromeOS

這是一款由 Google 基於 Linux 核心設計的桌面作業系統，使用 Google Chrome 瀏覽器作為主要用戶界面，其開放原始碼版本為 Chromium OS。在大陸地區，有基於 Chromium OS 構建的符合大陸使用者使用習慣的發行版，名為 FydeOS。ChromeOS 的架構主要包含以下部分：

Linux 核心及系統庫：ChromeOS 的這一部分是基於 Gentoo Linux 構建的，但經過了 Google 的深度定製。
Freon：這是 Google 自定義的圖形堆疊，從 X11 演變而來。
視窗管理器：負責處理使用者和多個客戶端視窗互動，控制視窗的擺放、輸入視窗聚焦以及快捷鍵操作等。這一部分也是由 Google 自研的。
Chromium：用於實現 Chrome OS 的桌面體驗，使用的是 Google Chromium 瀏覽器中的開源元件，包括 HTML5 排版引擎和執行 JavaScript 的 V8 引擎等。
應用程式：Chrome OS 的原生應用即為 Web 應用（PWA），可以使用 React、Vue 等各種流行的前端框架進行開發，很多 PWA 應用也支援儲存到本地，在無網的條件下執行。

Linux 桌面發行版

許多廠商和 Linux 社羣在 Linux 核心之上開發了許多工具，如常用的 GNOME 桌面、Firefox 瀏覽器等，將 Linux 核心和這些應用一起打包後就被稱作 Linux 發行版本。常見的 Linux 發行版本有 Ubuntu、Fedora 等。對於有桌面的發行版，它們的架構大體可以分為以下部分：

Linux 核心：所有 Linux 發行版的核心都源自 Linus Torvalds 和其維護團隊釋出的上游核心（Mainline Kernel），根據具體發行版的不同，會基於上游核心進行一定程度的補丁和定製。
系統庫：構成 Linux 作業系統核心功能的基礎部分，包含 C 標準庫（LibC）和許多其他關鍵的系統庫，例如動態連結器、安全和加密庫等。
X11 / Wayland：與 ChromeOS 的 Freon 同層，作為 Linux 桌面的圖形堆疊，用於標準化應用程式、桌面環境和顯示卡之間的資料交換過程。
視窗管理器及桌面環境：用於實現 Linux 發行版的桌面體驗，不同桌面環境使用的技術棧有區別，如 GNOME 使用的是基於 C 的 GTK，KDE Plasma 使用基於 C++ 的 QT 等。
應用程式：相比 Android 和 ChromeOS，Linux 的上層應用程式則非常自由。既可以直接使用 C / C++ 編寫程式並編譯為機器碼執行，也可以執行 Java、Dart 等虛擬機器，或使用 Electron 基於 Web 前端技術開發應用。

解答疑問

進行了上面的分析後，就可以解答前文提出的疑問了：

它們使用的均是 Linux 核心，但經過了不同程度的裁剪和定製，上層部分的實現參見「架構簡析」一節的內容。
Android 的 UI 使用 SurfaceFlinger、WindowManager 等元件實現，專注於移動裝置的觸控體驗；ChromeOS 的 UI 使用定製的圖形堆疊（Freon）和基於 Web 技術的圖形界面；而 Linux 桌面發行版提供傳統的桌面體驗，使用標準的圖形堆疊（X11 / Wayland）和豐富的桌面環境，支援廣泛的應用生態。
Android 中缺少許多標準的 GNU 庫，無法原生支援 Linux 應用；ChromeOS 更接近傳統意義上的 Linux 發行版，但被 Google 以安全性等原因施加了較多限制；同時，其他的 Linux 發行版沒有 Dalvik / ART，無法直接執行 Android 應用。而 ChromeOS 的原生應用大多是 PWA 形式的 Web App，在 Linux 發行版中可以直接執行。