CN103593185B - 基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，包括：修改虚拟机中的各Android系统中的图形管理服务，使得宿主机中Android系统和虚拟机中的各Android系统的图形管理服务各自独占一个tty设备；用户通过输入设备使内核中产生输入事件，内核将该输入事件转发至各个Android系统中的输入管理服务，各Android系统接收到内核传来的输入事件后，判断当前运行的tty设备是否是自己占据的；如果是，则接收并处理该输入事件；否则，则屏蔽该输入事件。本发明充分利用Linux内核的隔离性，解决了多个Android系统对输入设备和显示设备的分配问题。

Description

基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法

技术领域

本发明涉及计算机虚拟化技术领域，尤其涉及基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法。

背景技术

在Android操作系统的用户量迅速增长的背景下，其安全性也受到越来越广泛的关注。由于Android缺乏像iOS那样封闭的生态系统，恶意软件已经成为其安全性的最大威胁。为了限制恶意软件的活动范围，最大限度地保护用户的个人信息，有人提出了Android虚拟化这一解决方案。Android虚拟化是指在一台设备上运行多个Android操作系统，这些操作系统相互隔离，安装在某一个系统中的应用软件无法对其它系统构成影响。这样就可以将用户的个人信息封锁在某一个系统中，即使其它系统中安装了恶意软件也不会对个人信息构成威胁。在这些虚拟化解决方案中，基于Container技术的虚拟化相对其它方案具有很大的性能优势。

Container(容器)技术是近年来操作系统虚拟化领域迅猛发展起来的一种技术。相较于其他的虚拟化技术，Container技术是一种轻量级的虚拟化解决方案。该技术能够利用Linux内核提供的命名空间(NameSpace)特性和控制分组(Cgroups)特性来隔离出一套完整的虚拟平台。因为Container技术隔离出的虚拟机平台仅仅是主机系统中的一组进程，而不需要完全模拟出一整套的硬件环境，所以Container技术一个最明显的优势就是快速、轻量级。目前云计算领域在实现私有云的部署时，主要就是采用Container技术。

因为具有上述特点，所以Container技术非常适合运用到Android操作系统的虚拟化中。众所周知，Android是为智能手机和其他手持式设备设计的一款操作系统。手持设备处理器的性能完全不足以让传统的虚拟化技术运用在其上，而占用资源极少的Container技术则恰恰弥补了这个不足。

Android操作系统的架构也使得其运用Container技术成为可能。Android系统的底层是Linux内核，上层则基于Linux内核搭建起了Android的运行环境层。通过在Linux内核层和Android层之间采用Container技术，就可以达到多个Android运行环境层共同运行在一个内核之上的效果。不同的Android运行环境可以有不同的用户数据、应用、文件系统和设备。而进程调度、内存管理、与硬件交互等具体问题则交于Linux内核统一管理。

不同的Android运行环境层共用一个Linux内核，也就得共用一套物理设备资源。这就带来如何管理这些设备，让每个Android运行环境层都能以看似独占的方式使用这些设备的问题。传统的技术和观念是所谓的“设备虚拟化”，即通过添加Linux内核驱动，增加虚拟设备以模仿物理设备的功能，然后再在物理设备中添加处理和仲裁的相关功能。这种思路对于Linux虚拟设备非常适合，但是对于物理设备，修改驱动的方法必然会带来非常大的不可移植性。因而对于物理设备，更好的思路应该是充分利用内核提供的隔离特性，从Android运行环境层入手，对资源进行隔离。

在所有的这些设备中，最重要的就是用户输入和图形显示两部分设备，因此如何让多Android系统共享输入显示设备是需要解决的问题。

发明内容

为了增加Android系统运行的安全性，利用Container技术进行Android系统的虚拟化，为了解决在单Linux内核中多Android系统共享输入显示设备的问题，本发明提供了一种多Android系统共享输入和显示设备的方法。

一种基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，所述多Android系统运行于单Linux内核环境中，所述多Android系统的其中一个运行于宿主机中，其余运行在虚拟机中，包括：

初始化虚拟机中的各Android系统中的图形管理服务，使得宿主机中Android系统和虚拟机中的各Android系统的图形管理服务各自独占一个tty设备；

用户通过输入设备使内核中产生输入事件，内核将该输入事件转发至各个Android系统中的输入管理服务，各Android系统接收到内核传来的输入事件后，判断当前在前台运行的tty设备是否是自己占据的；

如果是，则接收并处理该输入事件；

否则，则屏蔽该输入事件。

利用单Linux内核的隔离性，使得宿主机与虚拟机各自占用一个tty设备，并且在不同的tty设备中打开设备文件并写入文件互不影响。通过让Android输入管理服务自主判断当前内核传来的输入事件是否为传给自己，有选择的屏蔽或接收该输入事件，从而实现了输入设备的共享。

图形管理服务通过以下新增的代码来各自独占一个tty设备，其中新增的代码是预先设定的，代码增加方式如下：

S1，在图形管理服务的DisplayDevice类中增加一个新类TerminalManager，TerminalManager继承Android系统的基类Thread；

S2，将TerminalManager的对象mTermManager作为成员变量添加到DisplayDevice类中。

SurfaceFlinger是Android系统的图形管理服务，其源代码位于Android系统的frameworks/native/services/surfaceflinger目录下。通过在DisplayDevice.cpp增加一个新类TerminalManager，让各个Android系统的SurfaceFlinger占据一个不同的tty设备进行显示。mTermManager使得图形管理服务另外启动一个线程。新线程专门负责接收并处理内核发来的获得屏幕和释放屏幕的信号。因为图形管理服务SurfaceFlinger中操纵显示设备的代码实现在类DisplayDevice中，所以在DisplayDevice中添加对象mTermManager能够更自然而方便的实现上述作用。

所述新类TerminalManager用于：

向操作系统查询空闲的tty设备，并将图形管理服务切换到该tty设备，切换完成后将新tty设备设置为图形模式；

设置新tty设备的切换操作方式为由进程管理，并通过用户自定义的方式增加获取屏幕和释放屏幕两个响应信号；

以及向内核中注册所述两个响应信号的处理函数。

其中，用户自定义是指Linux的一个信号类型SIGUSR。通过调用SurfaceFlinger的screenAcquired函数和screenReleased函数即可实现两个响应信号的响应函数。

其中宿主机和虚拟机运行在各自的命名空间内，并且由Cgroups组件限制虚拟机能够访问的资源。在Android系统中建立命名空间，使得宿主机和虚拟机的图形管理器运行在不同的命名空间中，宿主机和虚拟机相互感知不到对方的存在，从而为宿主机和虚拟机之间提供隔离保证。再使用Cgroups组件限制虚拟机能够访问的资源，并限制其权限，这样就保证了宿主机的安全。

宿主机和虚拟机中对应目录下的tty设备文件都分配相同的主设备号和次设备号。

宿主机中tty设备文件的主设备号与虚拟机中tty设备文件的主设备号相同，宿主机中tty设备文件的次设备号与虚拟机中tty设备文件的次设备号相同，这样内核中所有的虚拟tty设备对宿主机和虚拟机都是可见的。虚拟机图形界面在启动的时候向内核中查询空闲的tty设备并占据该设备作为自己的输出终端。这样当宿主机和虚拟机各自独占一个tty设备后，就可以独立隔离地读写帧缓存设备文件，从而实现宿主系统和虚拟系统能够同时地在不同的tty设备下显示自己的图形界面而互不干扰。

各Android系统通过输入管理服务中的代码逻辑来判断当前在前台运行的tty设备是否是自己占据的，其中代码逻辑是预先增加的。

通过修改各Android系统中的输入管理服务，使各Android系统屏蔽不属于自己tty设备的事件，转交属于自己tty设备的输入事件，避免了输入冲突。

预先增加的代码逻辑在各Android系统中输入管理服务中的EventHub类下的成员函数getEvents中，代码逻辑分为两部分：

输入管理服务每次从输入设备文件中读取输入事件时，取得当前在前台运行的tty设备的编号；

并通过所取得的编号判断在前台运行的tty设备是不是对应SurfaceFlinger所占据的tty设备，如果不是则表明该输入事件不是发送给自己的，则对消息不作处理；否则接受消息并进行处理。

当前运行的tty设备为Linux系统的一种状态：如果一个tty设备的内容输出到显示器上，那么这个tty设备就是当前在前台运行的tty设备。例如，在Linux中，图形界面输出到tty7，在按下ctrl+alt+f1键时，系统切换到了tty1，tty1的内容显示在显示器上，那么当前在前台运行的tty设备就是tty1；而通过按下ctrl+alt+f7键切换回图形界面时，则tty7的内容输出到显示器上，这时当前在前台运行的tty设备就是tty7。

Android输入管理服务是WindowManagerService。该服务代码的实现分java和c++两层，在修改输入管理服务时，只需修改c++层，将不必要的事件屏蔽即可。

WindowManagerService的c++层代码实现在frame/base/service/input中，该目录下的EventHub.cpp负责读取/dev/input下的设备文件来获取用户输入，因此修改该文件即可。具体地，类EventHub下的成员函数getEvents负责读取用户输入，因此通过在该成员函数getEvents中增加代码逻辑来实现对输入管理服务的修改。

通过本发明基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，充分利用Linux内核的隔离性，解决了多个Android系统同时运行时对输入设备和显示设备的分配问题。

附图说明

图1是本发明一个实施例的架构图；

图2是本发明实施例从系统启动到运行SurfaceFlinger的流程图；

图3是Android系统输入部分的架构图。

具体实施方式

基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法主要对Android系统进行修改。本发明实施例进行操作的Android系统版本为Android4.3。

图1为本发明一个实施例整体的架构图，当前实施例中包括1个虚拟机。如图1所示，Linux内核为宿主机和虚拟机分别提供命名空间，宿主机和虚拟机运行在各自的命名空间内，且由Cgroups组件限制虚拟机能够访问的空间。在初始化图形管理服务以后，宿主机和虚拟机中Android系统的SurfaceFlinger各自占用一个tty设备，宿主机中表示为tty X，虚拟机中表示为tty Y。宿主机和虚拟机中的tty设备均配置为图形模式，且各个各自占据对应的tty设备，且宿主机tty设备文件的主设备号和次设备号与虚拟机中tty设备文件的主设备号和次设备号相同。

现具体说明本发明当前实施例基于单Linux内核的多Android系统共享显示设备的方法：图2给出了本发明当前实施例从系统启动到宿主机运行SurfaceFlinger(即图形管理服务)的简要流程图(步骤(1)至步骤(3))，具体步骤如下：

(1)Linux内核启动并初始化，在内核初始化完成时启动init进程。

(2)init进程打开/dev/tty1(即宿主机tty设备)，并将其置为图形模式。

(3)init进程启动SystemServer服务，SystemServer服务又启动SurfaceFlinger。SurfaceFlinger占据系统当前在前台运行的tty设备来输出内容。因而，SurfaceFlinger在当前在前台运行的tty设备中打开/dev/graphics/fb0，并创建双缓存，并将显示内容交替刷入/dev/graphics/fb0中。

(4)SystemServer继续启动Android系统的其他相关服务，直至Android系统初始化完成。

至此，宿主机Android系统的启动完成。

(5)在宿主机Android系统启动结束后，虚拟机的init进程开始在新的NameSpace中启动。

(6)虚拟机init进程不打开新的tty设备，直接启动SystemServer服务，SystemServer服务启动SurfaceFlinger。SurfaceFlinger向操作系统查询空闲的tty设备，并切换到该tty设备，记该tty设备为ttyX。

(7)切换完成后，SurfaceFlinger将ttyX置为图形模式，后续过程和宿主机相同，最终宿主机和虚拟机的图形管理服务各自占据一个tty设备。

其中关键步骤为步骤(2)和(3)。/dev/graphics/fb0是Linux中Framebuffer设备的图形设备文件，它有一个特性是在不同的tty设备之下打开该图形设备文件所写入的内容不会相互影响。但在Android的代码中SurfaceFlinger默认都是从/dev/tty1启动图形模式的。因此本发明对宿主机和虚拟机的SurfaceFlinger的源代码都进行了修改，使得宿主机和虚拟机在启动时不从当前在前台运行的tty设备中启动图形模式，而是查找一个空闲的tty设备并启动图形模式，因而避免对相同的tty设备进行访问而造成冲突。

通过预先修改宿主机和虚拟机内Android系统中SurfaceFlinger中的源代码，使得宿主机中Android系统和虚拟机中的各Android系统的图形管理服务各自独占一个tty设备。

SurfaceFlinger的源代码位于Android系统的frameworks/native/services/surfaceflinger目录下。通过对SurfaceFlinger源代码中DisplayDevice.cpp的修改，让各个SurfaceFlinger占据一个不同的tty设备进行显示。

具体的改动有：

(1)设计一个新的类TerminalManager，该类要继承Android系统的基类Thread，该新类用于：

向Android系统查询空闲的tty设备并切换到该tty设备；切换完成后将新tty设备设置成图形模式；将新tty设备的切换操作方式设置为“由进程管理”，并增加获取屏幕信号和释放屏幕信号。

实现操作系统获取屏幕响应信号和释放屏幕响应信号的处理函数。通过调用SurfaceFlinger的screenAcquired函数和screenReleased即可实现这两个信号的响应函数。

(2)将TerminalManager类的对象mTermManager作为成员变量添加到DisplayDevice类中，在DisplayDevice的构造开始时将mTermManager构造好。

在向显示器输出时，由进程管理各个tty设备，在不同Android系统的图形管理服务所占据的tty设备之间切换，通过用户输入信号，将对应的tty设备切换为当前在前台运行的tty设备。

图3展示了Android系统输入部分的架构。现根据图3具体说明共享输入设备的方法：

Linux输入事件是通过读取输入设备文件来获得的，一般情况下，这些设备文件都位于/dev/input目录下。用户通过触摸屏、键盘、鼠标等输入设备向输入设备文件中写入输入事件，由EventHub.cpp从输入设备文件读取用户的输入事件；输入事件以队列形式输入到WindowManagerService中，由WindowManagerService对输入事件进行管理，并最终发送至JAVA应用程序。在本发明当前实施例中，容器中运行的Android虚拟机和宿主机中拥有相同的设备文件，也就是说，相同的外部输入事件能够同时转发给宿主机和虚拟机。通过修改Android系统中输入事件处理部分的源代码，让其将不属于自己终端的输入事件丢弃，这样在不同的终端中，输入事件就能转发给不同的Android系统运行实体。

Android系统的输入服务是WindowManagerService。该服务代码的实现分java和c++两层，只需修改c++层的代码，将不必要的事件屏蔽即可。

WindowManagerService的c++层代码实现在frame/base/service/input这一目录中，该目录下的EventHub.cpp负责读取/dev/input下的设备文件来获取用户输入，只需修改该文件即可。

具体地，类EventHub(即EventHub.cpp)下的成员函数getEvents负责读取用户输入。在该成员函数中增加两部分代码逻辑：

每次获取事件时获取当前SurfaceFlinger所在的tty设备。

判断当前所在的tty设备是不是对应SurfaceFlinger被激活的tty设备：如果不是，则表明该输入事件不是发送给自己的，对消息不作处理；否则表明自己当前正是处于前台占据显示屏幕的tty设备，接受消息并进行处理。

Claims (7)

1.一种基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，所述多Android系统运行于单Linux内核环境中，所述多Android系统的其中一个运行于宿主机中，其余运行在虚拟机中，其特征在于，包括：

初始化虚拟机中的各Android系统中的图形管理服务，使得宿主机中Android系统和虚拟机中的各Android系统的图形管理服务各自独占一个tty设备；

用户通过输入设备使内核中产生输入事件，内核将该输入事件转发至各个Android系统中的输入管理服务，各Android系统接收到内核传来的输入事件后，判断当前在前台运行的tty设备是否是自己占据的；

如果是，则接收并处理该输入事件；

否则，则屏蔽该输入事件。

2.如权利要求1所述基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，其特征在于，图形管理服务通过以下新增的代码来各自独占一个tty设备，其中新增的代码是预先设定的，代码增加方式如下：

S1，在图形管理服务的DisplayDevice类中增加一个新类TerminalManager，TerminalManager继承Android系统的基类Thread；

S2，将TerminalManager的对象mTermManager作为成员变量添加到DisplayDevice类中。

3.如权利要求2所述基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，其特征在于，所述新类TerminalManager用于：

向操作系统查询空闲的tty设备，并将图形管理服务切换到该tty设备，切换完成后将新tty设备设置为图形模式；

设置新tty设备的切换操作方式为由进程管理，并通过用户自定义的方式增加获取屏幕和释放屏幕两个响应信号；

以及向内核中注册所述两个响应信号的处理函数。

4.如权利要求1所述基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，其特征在于，其中宿主机和虚拟机运行在各自的命名空间内，并且由Cgroups组件限制虚拟机能够访问的资源。

5.如权利要求4所述基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，其特征在于，宿主机和虚拟机中对应目录下的tty设备文件都分配相同的主设备号和次设备号。

6.如权利要求1所述基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，其特征在于，各Android系统通过输入管理服务中的代码逻辑来判断当前在前台运行的tty设备是否是自己占据的，其中代码逻辑是预先增加的。

7.如权利要求6所述基于单Linux内核的多Android系统共享输入显示设备的方法，其特征在于，预先增加的代码逻辑在各Android系统中输入管理服务中的EventHub类下的成员函数getEvents中，代码逻辑分为两部分：

输入管理服务每次从输入设备文件中读取输入事件时，取得当前在前台运行的tty设备的编号；

并通过所取得的编号判断在前台运行的tty设备是不是对应SurfaceFlinger所占据的tty设备，如果不是则表明该输入事件不是发送给自己的，则对消息不作处理；否则接受消息并进行处理。