概述

作为一名开发人员,一直关注各种桌面级/移动级操作系统的进展,其中就包含 ChromeOS。

对于一个开发者(客户端、嵌入式、硬件开发者除外)而言,对于操作系统的要求如下:

  • 流畅、稳定而现代化的系统 UI。
  • 完整的 Linux 环境。
  • 好用的浏览器。
  • 丰富的开发者和娱乐软件生态。

对于这三个要求,ChromeOS,都可以比较完美的支持:

  • ChromeOS 是后发的桌面级操作系统,它的 UI 是现代化的。在诞生之处,ChromeOS 目标是可以在廉价的设备上流畅运行,因此流畅度没有问题。最后,ChromeOS 内核基于 Linux,且系统相对封闭,在专用设备上稳定性应该有所保证(FydeOS for PC 这种无法面向一大类机器的发行版,无法保证稳定性)。
  • ChromeOS 系统层面,通过虚拟机技术,提供了具有独立内核的 Linux 子系统。
  • ChromeOS 就是对 Chrome 浏览器的操作系统化的产品,浏览器的体验毋庸置疑。
  • ChromeOS 可以在 Linux 子系统中安装 Linux GUI 程序,因此可以直接安装如 VSCode、Jetbrains 等 IDE,开发者软件生态丰富。
  • ChromeOS 系统层面,通过 Linux 容器化技术,提供了 Android 运行环境,可以安装和运行安卓 App,具有了 Android 应用生态。

在国内,有一家厂商燧炻创新发行的 ChromeOS 的国内适配版: FydeOS。

在过去的几年中,也曾经尝试几次在一台闲置的 x86 设备上,安装过几次 FydeOS,但是总是有一些严重的问题,比如:wifi 连不上,安卓运行时初始化失败、Linux 子系统初始化失败等。

这两天,又一次尝试安装 FydeOS,发现这个版本,可以完美的支持这台设备。于是,探索了下 ChromeOS 提供的核心能力的技术原理,就有了这篇文章。

注:本文的的内容和结论,基于在一台古早的 x86 设备上安装的 FydeOS 系统上进行的探索和实验,并结合网络上 Chrome OS 的相关技术文档而得到。

设备信息

这台是一个台 15.6 寸的笔记本电脑(海尔 s500),购置于 2015 年 9 月左右,当时京东购机价为 3599 元左右,基本参数如下:

  • 内存: 8G DDR3L 内存(原机 4G、后扩展到 8G)
  • CPU: 英特尔 酷睿i5 4代系列, i5-4210M
  • 磁盘: 1TB 5400 转 SATA 机械硬盘
  • WIFI: 802.11bgn (仅支持 2.4 Ghz)
  • 蓝牙: 本机无,后购置了一个外置 USB 免驱蓝牙 (jd)

系统版本和安装

本次安装 ChromeOS 版本为,燧炻创新发布的 FydeOS for PC - Intel 酷睿系列第三代至第八代处理器及 Intel HD 系列核心显卡,具体版本信息为:

  • 版本号: 14.2-SP1 (更新日志)
  • 发布日期: 2022-05-31
  • HASH(sha256): 8066c8e08129bd85838c00b5c96fb12a192b87e668657ca73634ecbf763ee8d2

安装方式基本上是傻瓜式的,非常简单,参见:首次运行 FydeOS for PC 文档。

Chromium 版本为(进入系统后查看): 96.0.4664.208

开发环境搭建

本小结,介绍如何使用 ChromeOS 的 Linux 子系统,搭建一个可用的软件开发环境。

首先,在设置 -> 高级 -> 开发者 -> Linux 开发环境 中启用 Linux 开发环境。

安装 IDE (以 VSCode 为例)

  • 打开 VSCode 下载页面,下载 .deb 包。
  • 打开 ChromeOS 自带额文件 App,我的文件 -> 下载内容,右击 通过 Linux 安装。

稍等片刻,即可安装完成。安装完成后可以直接在启动器 Linux 应用中看到图标。点击即可打开。

配置中文和字体

参考:安装 Android 应用、配置 Linux 环境:FydeOS 进阶使用教程

首先是设置时区,在终端中输入:

sudo dpkg-reconfigure tzdata
# 选择亚洲 (Asia), 上海 (Shanghai)

安装中文字体:

sudo apt install fonts-wqy-microhei fonts-wqy-zenhei

配置字符集为 zh_CN.uft8

sudo dpkg-reconfigure locales

字符集配置完成完成后需重启生效:

sudo reboot

安装可视化包管理器

参考:ChromeOS Linux setup

sudo apt install -y gnome-software gnome-packagekit && \
sudo apt update

安装中文输入法

Linux 子系统中是无法使用 ChromeOS 的输入法的,因此需要在 Linux 子系统中安装中文输入法。

具体步骤参见:FydeOS 知识库

注意:

  • 上文做 3.1 之前,需要先执行 fcitx 命令。
  • 可以选择安装搜狗输入法:https://shurufa.sogou.com/linux 下载下来,然后在 Linux 子系统中通过 sudo dpkg -i xxx.deb 来安装
  • 可以选择安装 Google 拼音输入法,在 Linux 子系统中通过 sudo apt install fcitx-googlepinyin 来安装(需重启才能配置)。

VPN 和 网络代理

ChromeOS 和 Android 是深度集成的。ChromeOS 可以使用 Android 代理 App 提供的代理作为整个系统的全局 VPN。也就是说 ChromeOS 的浏览器、Android App、Linux 子系统都会走 Android App 的代理。

打开一个 Android 代理 App 后,在 ChromeOS 的网络设置里面,可以看到该 VPN 已经生效了。

小提示

至此,即可在 Linux 子系统中开发应用程序了,此外还有一些小提示:

Chrome OS 浅析

crosh

通过 ctrl + shift + t 可以进入 crosh (The Chromium OS shell) 终端,详细手册参见: Chromium crosh README

通过 helphelp_advanced 命令可以查看 crosh 支持的命令列表(如 free 查看内存)。

这里通过 shell 命令,可以打开一个 bash 终端,这个终端运行在 ChromeOS 所在 Linux 内核中,用户为 chronos。

chronos 用户就是 ChromeOS 运行 Chrome 的用户。在 FydeOS 中,chronos 用户没有设置密码,而且可拥有 sudo root 的权限(相当于 Android 系统 root 了),这给我们很大的自定义空间,后文将介绍这一点。

相关命令如下(下文命令均在该 shell 中执行):

# ctrl + shift + t
shell
su su root

内核版本

执行 uname -a 输出如下:

Linux localhost 5.4.188-16917-g3358c5a3654f-dirty #2 SMP PREEMPT Thu May 26 15:47:47 CST 2022 x86_64 Intel(R) Core(TM) i5-4210M CPU @ 2.60GHz GenuineIntel GNU/Linux

可以看出 Linux 内核版本为 5.4。

init 进程选型

执行 stat /proc/1/exe 输出如下:

  File: /proc/1/exe -> /sbin/init
  Size: 0               Blocks: 0          IO Block: 1024   symbolic link
Device: 5h/5d   Inode: 783097      Links: 1
Access: (0777/lrwxrwxrwx)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Context: u:r:cros_init:s0
Access: 2022-07-10 01:21:29.404407129 -0700
Modify: 2022-07-10 01:21:19.401406853 -0700
Change: 2022-07-10 01:21:19.401406853 -0700
 Birth: -

执行 /sbin/init 输出如下:

Usage: init [OPTION]...
Process management daemon.

Options:
  -q, --quiet                 reduce output to errors only
  -v, --verbose               increase output to include informational messages
      --help                  display this help and exit
      --version               output version information and exit

This daemon is normally executed by the kernel and given process id 1 to denote its special status.  When executed by a user process, it
will actually run /sbin/telinit.

Report bugs to <upstart-devel@lists.ubuntu.com>

可以看出 ChromeOS 的 init 进程为: upstart。经过搜索,可以找到:ChromeOS 的 boot 设计文档,该文档中确定了 ChromeOS 的 init 进程为 upstart。

知道了 init 是 upstart,我们就可以通过在 /etc/init 目录里面添加自定义的开启自启配置文件,即可做到在 ChromeOS 的所在的内核,开机自动运行一些进程/服务(下文有介绍)。

libc 库选型

执行 /lib64/libc.so.6 输出如下:

GNU C Library (Gentoo 2.32-r17 p8) stable release version 2.32.
Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.
There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A
PARTICULAR PURPOSE.
Compiled by GNU CC version 10.2.0.
libc ABIs: UNIQUE IFUNC ABSOLUTE
For bug reporting instructions, please see:
<http://crbug.com/new>.

可以看出 ChromeOS 采用的 libc 为 Linux 标准的 glibc,版本为 2.32。这篇文档介绍了 ChromeOS 编译 glibc 的 FAQ,印证了 ChromeOS 使用 libc 版本为 glibc。

不同的 libc 可能是相互不兼容,确认 ChromeOS 使用的是标准的 glibc,那么直接在 ChromeOS 所在内核运行程序的难度将会大大降低,因为 Linux 上主流的 C/C++ 编写的程序多数是首选兼容 glibc 的。

文件管理

在 ChromeOS 文件 APP 只能看到有限的一些目录,主要是我的文件目录。该目录 ChromeOS 所在内核文件系统的哪里呢?经过查找,发现位于 /home/chronos/user/MyFiles 路径下。

Linux 子系统分析

首先在 设置 -> 高级 -> 开发者 中开启 Linux 开发环境。

经过检索,可以发现 ChromeOS 开发了一个半虚拟化的软件 crosvm 来运行 Linux 子系统内核。

通过 ps aux | grep crosvm 可以看出运行了很多 crosvm 相关的进程。

下面介绍一下 Linux 子系统和 ChromeOS 文件共享的机制。

将 Chrome OS 的文件共享到 Linux 子系统中

  • 在 ChromeOS 的文件 APP 中,右击 我的文件 ,选择 与 Linux 共享
  • 此时即可在 Linux 子系统中,在 /mnt/chromeos/MyFiles 目录中看到,Downloads 等目录。该目录是有读写权限的。

读取 Linux 子系统 $HOME 目录

  • 在 ChromeOS 的文件 APP 中,可以看到:我的文件 > Linux 文件,通过这个目录可以访问 Linux 子系统中的 $HOME 目录。
  • 在 ChromeOS 的 shell 中,如何访问该目录呢?

    • 通过 mount | grep linux 查看,输出如下

      fuse:sshfs://rectcircle@penguin.termina.linux.test: on /media/fuse/crostini_ba1970ad840cb1d1a3344784b0d0cc65044919aa_termina_penguin type fuse.sshfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,nosymfollow,dirsync,user_id=1000,group_id=1001,default_permissions,allow_other)
    • 输出的第二行,可以该目录是通过 sshfs 的方式挂载到的了 ChromeOS 的 /media/fuse/crostini_ba1970ad840cb1d1a3344784b0d0cc65044919aa_termina_penguin 路径下。

    • 该目录是有完整的读写权限的。也就是说,也可以通过该目录来实现共享。

Android 运行环境分析

执行 ps aux | grep android 部分输出如下:

656362   19537  0.0  1.3 3280440 106868 ?      Sl   Jul09   0:00 com.android.bluetooth
665415   19543  0.0  1.6 3306188 135056 ?      Sl   Jul09   0:00 com.android.systemui
665412   19811  0.0  2.2 3340244 180320 ?      S<l  Jul09   0:01 com.android.documentsui
656428   19907  0.0  0.9 3254256 80592 ?       Sl   Jul09   0:00 com.android.se
665400   19978  0.0  1.0 3255944 85372 ?       Sl   Jul09   0:00 com.android.externalstorage
665370   19992  0.0  1.0 3265500 84240 ?       Sl   Jul09   0:00 com.android.printspooler
665366   20000  0.0  1.2 3263232 100612 ?      Sl   Jul09   0:00 com.google.android.deskclock
665394   20066  0.0  1.1 3255888 91116 ?       Sl   Jul09   0:00 android.process.media
665406   20143  0.0  1.1 3253692 92172 ?       Sl   Jul09   0:00 com.android.providers.calendar
665375   20319  0.0  1.5 1197284 124264 ?      Sl   Jul09   0:00 com.google.android.tts
665402   20507  0.0  0.9 3255064 79792 ?       Sl   Jul09   0:00 com.google.android.ext.services

可以看出 Android 的进程在 ChromeOS 内核中,是可以直接列出的,因此基本可以确定 ChromeOS 的安卓运行时是通过 Linux 容器技术 来运行的(和 Docker 容器所依赖的 Linux 容器技术一致,即 Namespace 和 CGroup)。即:目前 FydeOS 使用的安卓运行时是基于 ARC++ 的 Android 9 版本。

ChromeOS 已经转向的基于 VM 的 ARCVM 方案,其安全性更高,Android 部分和 ChromeOS 的耦合将变低,但是性能会有损失,本文将不多介绍,关于 FydeOS 考虑参见:社区

ARC 相关技术可以阅读博客:Chrome OS上的Android系统

下面介绍安卓运行时和 ChromeOS 文件共享的机制。

  • ChromeOS 文件 App,我的文件 -> 安卓文件,在安卓系统看来,位于 /storage/emulated/0/Android
  • Android 文件系统的 /storage/emulated/0/Download 实际上就是 ChromeOS 的 /home/chronos/user/MyFiles/Downloads
  • 通过 mount | grep android 可以看出 Android 文件系统根路径位于 ChromeOS 的 /opt/google/containers/android/rootfs/root
  • 通过 mount | grep android 可以看出 Android 文件系统的 /storage/emulated/0 位于 ChromeOS 的 /run/arc/sdcard/default/emulated/0

总结

既封闭又开放。

  • 封闭指的是:虽然基于 Linux 内核,但是没有暴露 Linux 内核 API,也没有提供专用的系统级 API。而是 GUI 应用完全基于 Web API 仅能有限的使用操作系统资源。这保证流畅性和稳定性。
  • 开放指的是:
    • 通过 Android App 可以运行 Android App: Android 运行时和 ChromeOS 共用内核,通过 Linux 容器化技术(无虚拟化损失),可以兼顾性能和一定的安全性。
    • 通过 Linux 子系统可以运行 Linux App(包括 GUI): Linux 子系统是面向开发者的,采用虚拟化技术,损失的一点性能,满足了对开发者对灵活性的要求(拥有完整的内核权限),同时保证了 ChromeOS 的稳定性和安全性。

在 ChromeOS 所在 Linux 环境运行 Linux 程序

可以用下图来总结下上文分析的 ChromeOS 整体架构(逻辑上,仅供参考)。

+----------------------------------------------------+------------------------------------+-----------------------------------------------------+
|                   Android App                      |     Web Page, Extension, PWA       |               Linux Process (GUI App)               |
+------------------------------+---------------------+------------------------------------+-----------------------+-----------------------------+
|                              |                     |              Chrome                |                       |                             |
+  ARC++ (namespace & cgroup)  |                     +------------------------------------+                       | crosvm (Guest Linux Kernel) |
|                              |                                 GUI FrameWork                                    |                             |
+------------------------------+----------------------------------------------------------------------------------+-----------------------------+
|                                                        Linux Kernel & Hardware Driver                                                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

某些时候,我们可能需要直接在 ChromeOS 所在的 Linux 环境运行一些 Linux 程序(注意:不是 Linux 子系统)。

在本例中,我们会在 ChromeOS 中安装以一个罗技 k380 的程序,该程序会在该蓝牙键盘连接到设备后,恢复 F (F1~F12) 键为标准功能( k380 这个蓝牙键盘,默认的 F 键是一些快捷键,比如 F12 是减小音量,这对于开发者非常难受)。

在 Windows 和 Mac 上,可以通过官方 Logi Option App 来配置。但是在 Linux 中,可以通过开源项目实现该效果,源码地址为: jergusg/k380-function-keys-conf。既然该开源项目可以在常规的 Linux 中运行,那么应该也可以在 ChromeOS 所在的 Linux 环境中运行。

编译

常规 Linux 开源项目编译环境一般都是主流的 Linux 发行版(Debian / Red Hat),因此对 jergusg/k380-function-keys-conf 的编译,需要在 ChromeOS 的 Linux 子系统中编译。

进入 Linux 子系统,执行如下命令,clone 代码,安装编译工具,编译安装到 Linux 子系统:

git clone https://github.com/jergusg/k380-function-keys-conf.git
cd k380-function-keys-conf
# 目前 Linux 子系统的版本为 Debian 11
sudo apt install build-essential
sudo make install

安装

观察 Makefile(cat Makefile)其中安装部分的内容如下:

CC = gcc
PREFIX = /usr/local
BINDIR = $(DESTDIR)$(PREFIX)/bin
UDEVDIR = $(DESTDIR)/etc/udev/rules.d

install: k380_conf
        install -d $(BINDIR)
        install k380_conf fn_on.sh $(BINDIR)
        install -d $(UDEVDIR)
        echo "ACTION==\"add\", KERNEL==\"hidraw[0-9]*\", RUN+=\"$(BINDIR)/fn_on.sh /dev/%k\"" > $(UDEVDIR)/80-k380.rules

可以看出,安装如下文件:

  • /usr/local/bin/k380_conf
  • /usr/local/bin/fn_on.sh
  • /etc/udev/rules.d/80-k380.rules

在 Linux 子系统的终端中,将这些文件复制到 Download 目录中:

sudo mv /usr/local/bin/k380_conf /usr/local/bin/fn_on.sh /etc/udev/rules.d/80-k380.rules /mnt/chromeos/MyFiles/Downloads
# 会输出 failed to preserve ownership 可以忽略

ctrl + shift + t 打开 ChromeOS 的终端,输入 shell,将刚刚复制的,位于 /home/chronos/user/MyFiles/Downloads 目录下的文件,复制到 ChromeOS 的目录中:

sudo mv /home/chronos/user/MyFiles/Downloads/k380_conf /usr/local/bin/k380_conf
sudo mv /home/chronos/user/MyFiles/Downloads/fn_on.sh /usr/local/bin/fn_on.sh
sudo mkdir -p /etc/udev/rules.d
sudo mv /home/chronos/user/MyFiles/Downloads/80-k380.rules /etc/udev/rules.d/80-k380.rules

运行

仍然在 ChromeOS 的终端中执行:

fn_on.sh

由于配置 /etc/udev/rules.d/80-k380.rules,k380 键盘通过连接后,将会自动执行 fn_on.sh 脚本,自动化的配置。

开机自启动

本例中,我们不需要配置开机自启,如果需要配置开机自启,只需要在:

  • 在 /etc/init 目录下添加配置文件。
  • 使用 initctl 命令启动服务。

更多参见:upstart 官方文档

总结

如果想在 ChromeOS 所在的 Linux 环境(注意:不是 Linux 子系统)中直接运行(或开机启动)一个程序,基本步骤如下:

  • 在 Linux 子系统 Clone 代码,并在 Linux 子系统中编译。
  • 将 Linux 子系统的产物 Copy 到共享目录,如 /mnt/chromeos/MyFiles/Downloads
  • 在 ChromeOS Shell 中,将产物从共享目录(如:/home/chronos/user/MyFiles/Downloads)复制到指定目录中。
  • (可选)配置开机自启,在 ChromeOS Shell 中:
    • 开机自启配置文件 /etc/init/xxx.conf
    • 通过 initctl 启动服务。

本部分介绍的是手动编译和安装软件到 ChromeOS 所在的 Linux 环境。但是开源届,有一个对 ChromeOS 所在的 Linux 环境进行包管理的命令行工具 craw。通过该工具可以直接在 ChromeOS 所在 Linux 环境安装各种软件包。