虛擬 A/B 版本總覽

虛擬 A/B 是 Android 的主要更新機制。虛擬 A/B 版本是建立在舊版 A/B 更新 (請參閱「A/B 系統更新」) 和非 A/B 版本 (已在 15 版淘汰) 之上，以減少更新的空間開銷。

虛擬 A/B 實際上沒有額外的動態分區插槽，請參閱「動態分區」。相反地，系統會將差異寫入快照，然後在確認啟動成功後，將差異合併至基礎分區。虛擬 A/B 會使用 Android 專屬的快照格式。請參閱壓縮快照的 COW 格式，可壓縮快照並盡量減少磁碟空間使用量。在完整 OTA 中，壓縮後的快照大小會減少約 45%，而增量 OTA 的快照大小會減少約 55%。

Android 12 提供虛擬 A/B 壓縮選項，可壓縮快照分割區。虛擬 A/B 測試提供下列功能：

  • 虛擬 A/B 更新與 A/B 更新一樣無縫 (更新會在裝置運作時完全在背景進行)。虛擬 A/B 更新可縮短裝置離線和無法使用的時間。
  • 虛擬 A/B 版本更新可回溯。如果新作業系統無法啟動，裝置會自動回復至先前的版本。
  • 虛擬 A/B 更新只會複製系統啟動載入程式使用的分區，因此只會使用最少的額外空間。其他可更新的分區則會快照。

背景與術語

本節將定義相關術語，並說明支援虛擬 A/B 測試的技術。在 OTA 安裝期間，新的作業系統資料會寫入實體分割區的新槽，或 Android 專屬的 COW 裝置。裝置重新啟動後，動態分區資料會透過 dm-user 和 snapuserd 守護程序，重新合併至基礎裝置。這個程序完全在使用者空間中進行。

裝置對應器

Device-mapper 是 Android 中經常使用的 Linux 虛擬區塊層。使用動態分區時，/system 等分區就是一疊分層裝置：

  • 堆疊底部是實體超級分區 (例如 /dev/block/by-name/super)。
  • 中間是 dm-linear 裝置，可指定超級分區中的哪些區塊形成指定的動態分區。這會在 A/B 裝置上顯示為 /dev/block/mapper/system_[a|b]，在非 A/B 裝置上則顯示為 /dev/block/mapper/system。
  • 頂端是 dm-verity 裝置，這是為已驗證的分區建立的裝置。這個裝置會驗證 dm-linear 裝置上的區塊是否已正確簽署。它會顯示為 /dev/block/mapper/system-verity，也是 /system 掛載點的來源。

圖 1 顯示 /system 掛載點下方的堆疊。

系統底下的分區堆疊

圖 1. 在 /system 掛接點下方建立堆疊

經過壓縮的快照

在 Android 12 以上版本中，由於 /data 分區的空間需求可能很高，因此您可以在建構中啟用壓縮快照，以因應 /data 分區的較高空間需求。

虛擬 A/B 壓縮快照是以 Android 12 以上版本提供的下列元件為建構基礎：

  • dm-user：類似 FUSE 的核心模組，可讓使用者空間實作區塊裝置。
  • snapuserd：實作新快照格式的使用者空間守護程序。

這些元件可啟用壓縮功能。如要實作壓縮快照功能，還需要進行其他必要變更，請參閱後續章節：壓縮快照的 COW 格式、dm-user 和 snapuserd。

壓縮快照的 COW 格式

在 Android 12 以上版本中，壓縮快照會使用 Android 專屬的 COW 格式。COW 格式包含 OTA 相關中繼資料，並具有包含 COW 作業和新作業系統資料的獨立緩衝區。與僅允許替換作業 (將快照中的區塊 Y 內容取代為基礎映像檔中的區塊 X) 的核心快照格式相比，Android 壓縮快照 COW 格式更具表達力，且支援下列作業：

  • 複製：應將基礎裝置中的區塊 X 替換為基礎裝置中的區塊 Y。
  • Replace：基礎裝置中的區塊 X 應替換為快照中的區塊 Y 內容。每個區塊都經過 gz 壓縮。
  • Zero：應將基礎裝置中的 X 區塊替換為全零。
  • XOR：COW 裝置會在區塊 X 和區塊 Y 之間儲存 XOR 壓縮位元組。(適用於 Android 13 以上版本)。

完整的 OTA 更新僅包含「取代」和「零」作業。增量 OTA 更新還可以執行複製作業。

磁碟上的完整快照版面配置如下所示：

母牛格式

圖 2. 磁碟上的 Android COW 格式

dm-user

dm-user 核心模組可讓 userspace 實作裝置對應器區塊裝置。dm-user 資料表項目會在 /dev/dm-user/<control-name> 下建立其他裝置。userspace 程序可以輪詢裝置，接收核心的讀取和寫入要求。每個要求都有一個關聯的緩衝區，可供使用者空間填入資料 (讀取) 或傳播資料 (寫入)。

dm-user 核心模組會為核心提供新的使用者可見介面，而這並非上游 kernel.org 程式碼庫的一部分。在此之前，Google 保留修改 Android 中的 dm-user 介面之權利。

snapuserd

snapuserd 到 dm-user 的使用者空間元件會實作虛擬 A/B 壓縮功能。Snapuserd 是負責寫入及讀取 Android COW 裝置的使用者空間守護程式。所有快照 I/O 都必須經過這項服務。在 OTA 安裝期間，snapuserd 會將新的作業系統資料寫入快照 (並進行壓縮)。這裡也會處理中繼資料的剖析作業，以及解開新區塊資料。

XOR 壓縮

對於搭載 Android 13 以上版本的裝置，預設啟用的 XOR 壓縮功能可讓使用者空間快照在舊區塊和新區塊之間儲存 XOR 壓縮位元組。在虛擬 A/B 更新中，如果只有區塊中的幾個位元組發生變更，XOR 壓縮儲存空間配置方案所需的空間會比預設儲存空間配置方案少，因為快照不會儲存完整的 4K 位元組。快照大小會縮減，是因為 XOR 資料含有許多零，且比原始區塊資料更容易壓縮。在 Pixel 裝置上，XOR 壓縮可將快照大小縮減 25% 至 40%。

如果裝置升級至 Android 13 以上版本，則必須啟用 XOR 壓縮功能。詳情請參閱「XOR 壓縮」。

快照合併

對於搭載 Android 13 以上版本的裝置，snapuserd 使用者空間元件會執行虛擬 A/B 壓縮中的快照和快照合併程序。如果裝置升級至 Android 13 以上版本，則必須啟用這項功能。詳情請參閱「使用者空間合併」。

以下說明虛擬 A/B 壓縮程序：

  1. 此架構會將 /system 分割區掛載至 dm-verity 裝置，而該裝置會堆疊在 dm-user 裝置上。也就是說，來自根目錄檔案系統的每個 I/O 都會路由至 dm-user。
  2. dm-user 會將 I/O 轉送至處理 I/O 要求的使用者空間 snapuserd 守護程式。
  3. 合併作業完成後，架構會在 dm-linear (system_base) 上方收合 dm-verity，並移除 dm-user。

虛擬 A/B 壓縮程序

圖 3. 虛擬 A/B 壓縮程序

快照合併程序可能會中斷。如果裝置在合併程序期間重新啟動，合併程序會在重新啟動後繼續。

初始轉場效果

使用壓縮快照啟動時，第一階段初始化程序必須啟動 snapuserd 來掛載分區。這會造成問題：當 sepolicy 載入及強制執行時，snapuserd 會放入錯誤的內容，其讀取要求會失敗，並遭到 selinux 拒絕。

為解決這個問題，snapuserd 會與 init 同步轉換，如下所示：

  1. 第一階段的 init 會從 RAM 磁碟啟動 snapuserd，並將開放式檔案描述元儲存至環境變數。
  2. 第一階段的 init 會將根檔案系統切換至系統分區，然後執行 init 的系統副本。
  3. init 的系統副本會將合併的 sepolicy 讀取至字串。
  4. Init 會在所有 ext4 支援的頁面上叫用 mlock()。接著，它會停用快照裝置的所有裝置對應表，並停止 snapuserd。此後，系統會禁止讀取分區，因為這會導致死結。
  5. 使用 snapuserd 的 RAM 磁碟副本的開放描述元，init 會以正確的 selinux 上下文重新啟動守護程式。系統會重新啟用快照裝置的裝置-mapper 資料表。
  6. 初始化會叫用 munlockall()，因此可以安全地再次執行 I/O。

空間使用情形

下表比較了使用 Pixel 作業系統和 OTA 大小的不同 OTA 機制所需的空間。

大小影響 非 A/B A/B 虛擬 A/B 虛擬 A/B (壓縮)
原始工廠映像檔 4.5GB 超級 (3.8GB 映像檔 + 700MB 保留空間)1 9 GB 超大 (保留 3.8 GB + 700 MB，適用於兩個插槽) 4.5GB 超級 (3.8G 映像檔 + 700M 保留空間) 4.5GB 超級 (3.8G 映像檔 + 700M 保留空間)
其他靜態區隔 /cache 無 無 無
OTA 期間的額外儲存空間 (套用 OTA 後返回的空間) /data 上的 1.4 GB 0 3.8 GB2 位於 /data 2.1 GB2 位於 /data
套用 OTA 所需的總儲存空間 5.9 GB3 (超級和資料) 9 GB (超大) 8.3 GB3 (超級和資料) 6.6 GB3 (超級和資料)

1 表示根據 Pixel 對應方式推測的版面配置。

2假設新系統映像檔的大小與原始映像檔相同。

3 空間需求會在重新啟動前暫時性增加。

Android 11 虛擬 A/B

虛擬 A/B 的 Android 11 使用核心 COW 格式寫入動態分區。由於核心 COW 格式不支援壓縮，因此這個功能最終已淘汰。

Android 12 虛擬 A/B

在 Android 12 中，系統支援 Android 專屬 COW 格式的壓縮方式。這個版本的 Virtual A/B 需要將 Android 專屬 COW 轉譯為核心 COW 格式。最終，Android 13 取代了這個功能，移除了對核心 COW 格式和 dm-snapshot 的依賴。

如要實作虛擬 A/B 版本，或使用壓縮快照功能，請參閱「實作虛擬 A/B 版本」