Android车载开发启示录｜基础篇-多用户的魔法

树獭非懒
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Android多用户功能作为 Android Automotive 的重要组成部分，为不同驾驶员和乘客提供了一个更加定制化、隐私保护的使用环境。本篇博客会详细探讨多用户功能，从基本概念到技术实现，了解Android多用户是怎么实现隔离与共享的平衡。

多用户存在的意义

Android 多用户的存在，它可以让多个用户使用同一台设备，同时保持彼此的数据、应用和设置分隔开来。比如，日常生活中的一些使用场景，比如家庭共享平板、学校中的共享设备、企业环境等。

在车载场景下，也有存在的意义：

在共享车辆、公司车队甚至家庭用车中，不同的驾驶员和乘客常常对车载系统有着不同的偏好。

例如，有人喜欢听音乐，有人更倾向于使用导航；有的人偏爱深色主题，有的人则喜欢简洁的界面。而多用户功能可以让每个用户拥有自己独立的账户，确保设置和数据不会互相影响，从而带来更加个性化和安全的体验。

多用户的支持下，Android Automotive 有以下几点优势：

  • 数据隔离：每个用户的数据（包括登录的账户、应用和设置）都是独立的，确保隐私不被泄露。
  • 个性化配置：不同用户可以拥有自己独特的界面、应用排序和快捷方式。
  • 安全性：通过用户权限管理和数据隔离，避免了敏感数据在用户之间的共享问题。

基础概念

1.UID和UserID的区别

（1）UID

UID（User Identifier） 是 Linux 系统中的用户标识符，Android 基于 Linux 内核运行，也使用 UID 来标识每个进程和应用。

Android 中的 UID 是一个唯一的整数标识符，分配给系统中的每个应用和服务。它不仅用于识别应用，还用于控制应用的权限和进程隔离。

Android 的 UID 分配模式：

  • 系统应用：UID 小于 10000 的一般为系统级进程和服务，比如 system 用户的 UID 是 1000。
  • 普通用户应用：应用安装时，会自动分配一个 10000 以上的 UID。每个用户安装的应用实例都拥有独立的 UID。
  • 多用户隔离：Android 将每个用户的应用分配不同的 UID 区间，确保同一个应用在不同用户之间具有独立的 UID，实现用户隔离。

（2）UserID

UserID （用户 ID）是 Android 中多用户功能的标识符，用于区分系统中的不同用户。

每个设备在出厂时的第一个用户（即主用户）拥有 UserID 0，之后创建的新用户则会依次分配新的 UserID，比如 UserID 10、11 等。

在多用户模式下，同一设备的不同用户可以安装相同的应用。为实现隔离，Android 使用不同的 UID 区间，并在每个用户的目录下保存应用数据。UserID 在系统服务中用于识别用户身份并提供用户隔离。

2.UID 与 UserID 的关联

在多用户环境下，每个用户和应用的 UID 是通过 UserID * 100000 + 应用的 UID 进行分配。例如：

  • UserID 0 的应用 A 可能拥有 UID 10001。
  • UserID 10 的应用 A 会分配到 UID 110001。

这样，即使同一应用在不同用户之间安装，也能通过不同的 UID 实现数据和权限的隔离。

多用户架构设计实现

1.多用户类型与角色

Android 系统的多用户功能主要通过区分不同的用户类型来实现，这些用户类型之间数据完全隔离，权限也有所差异。主要用户类型包括：

  • 主用户（Owner User）：通常是设备初始化时创建的第一个用户，拥有系统管理员权限，能够管理系统设置、安装或删除应用，并创建或删除其他用户。
  • 普通用户（User）：普通用户可以安装自己的应用和设置个性化的偏好，但无法进行系统级管理操作，如创建新用户或修改系统设置。
  • 访客用户（Guest User）：为临时用户而设计，在访客用户退出后，其数据会自动清除，适合短期共享设备的情况。
  • 受限用户（Restricted User）：通常用于限制特定功能的访问，适合在企业或教育环境中使用。

这些用户类型在 Android Automotive 上有不同的实现，特别是访客模式。每次切换驾驶员时，都可以选择访客模式或已有账户，以确保每位用户的偏好独立且安全。

2. UserManager 服务

UserManager 是 Android 中负责多用户管理的核心系统服务。它负责管理用户的创建、删除、切换以及权限分配

  • 创建和删除用户：在设备初始化或主用户操作下创建新的普通用户或访客用户。
  • 切换用户：通过 UserManager.switchUser(UserHandle userHandle) 切换当前活跃用户，确保不同用户的隔离。
  • 用户属性和权限管理：获取用户属性（如用户名称、类型等）以及分配权限。

UserManager 提供了丰富的 API，可以让开发者获取用户信息、管理用户权限和隔离不同用户的数据：

UserManager userManager = (UserManager) context.getSystemService(Context.USER_SERVICE); List<UserHandle> users = userManager.getUserProfiles();

UserManager 的实现主要依赖以下几个机制：

  • 系统服务的多用户适配：Android 中的很多系统服务（如通知服务、音频服务等）都进行了多用户适配。每个用户可以获得独立的服务实例，确保通知、音量等设置不会在不同用户之间相互影响。
  • 权限管理：UserManager 对不同用户分配不同的权限级别。例如，主用户可以管理系统设置和应用，而普通用户仅能使用应用和修改个性化设置。
  • 广播与 Intent 隔离：UserManager 还确保每个用户的广播和 Intent 隔离，用户之间的广播不会互相影响，这在应用间通信时尤为重要。

3. UID 隔离与用户空间

在 Android 的多用户系统中，每个用户都有一个独特的用户 ID（UID），并且每个应用在安装时也会获得一个应用特有的 UID。Android 利用 UID 实现了用户级和应用级的进程隔离：

  • 用户的 UID 区间：Android 为每个用户分配不同的 UID 区间。例如，系统中主用户（User 0）分配的 UID 区间为 10000-19999，其他用户会依次获得新的 UID 区间。这样，在底层的 Linux 操作系统中，不同用户的进程无法相互访问彼此的资源，因为 Linux 内核默认会阻止不同 UID 间的进程交互。
  • 应用的 UID 隔离：在多用户系统中，同一个应用的不同用户实例会拥有不同的 UID。例如，如果两个用户分别安装了同一应用，它们会被赋予不同的 UID，这样即使是同一应用的不同实例，它们之间的数据和进程也无法交互。

用户空间划分主要包括：

  • 用户分区：Android 将每个用户的数据存储在 /data/user/ 路径下，每个用户都有一个独立的文件夹（如 /data/user/0 对应主用户，/data/user/10 对应普通用户）。
  • 独立的 App 数据：每个应用的数据在不同用户之间独立存储。例如，/data/user/0/com.example.app 与 /data/user/10/com.example.app 是完全独立的，互不干扰。

通过这种 UID 和数据分区的隔离机制，即使是同一个应用的不同用户数据也能完全隔离开来。

5. 多用户切换机制

在多用户环境下，系统需要快速切换用户并加载对应的设置和数据。

尤其是在车辆启动或新驾驶员切换时，用户切换需要特别高效，这样可以保证用户拥有流畅的体验。Android 的用户切换流程包含以下几个步骤：

  1. 保存当前用户状态：在切换前保存当前用户的应用状态、正在运行的进程、屏幕设置等。
  2. 切换用户数据：挂载新用户的 /data/user 分区，加载该用户的应用数据和设置。
  3. 重启应用：系统会终止当前用户的应用并启动新用户的应用。
  4. 恢复状态：根据新用户的偏好设置恢复应用、通知等环境。

多用户下的四大组件通信和数据共享

获取当前用户userId的方式

UserHandle中提供myUserId()方法，但是被hide的，可以反射获取：（或者直接根据uid / 100000计算）

private fun readUserIdByReflect(): Int {
    var userId = 0
    try {
        val clz = UserHandle::class.java
        val myUserIdMethod = clz.getDeclaredMethod("myUserId")
        userId = myUserIdMethod.invoke(null) as Int
    } catch (e: Exception) {
    }
    return userId
}

跨用户启动Activity

Activity/Context提供了startActivityAsUser() 方法，可以传入对应用户的UserHandle来达到跨用户启动Activity的目的

ActivityManager 提供了 startActivityAsUser() 方法，可以在指定用户的上下文中启动 Activity。此方法需要系统权限，如 INTERACT_ACROSS_USERS 或 INTERACT_ACROSS_USERS_FULL，这些权限一般只授予系统应用。

Intent intent = new Intent();

intent.setComponent(new ComponentName("com.example.targetapp", "com.example.targetapp.TargetActivity")); 

// 获取 ActivityManager ActivityManager activityManager = (ActivityManager) context.getSystemService(Context.ACTIVITY_SERVICE);

// 获取目标用户的 UserHandle（假设用户 ID 为 10） UserHandle userHandle = UserHandle.of(10);

// 使用 ActivityManager 跨用户启动 Activity activityManager.startActivityAsUser(intent, userHandle);

可以通过 Context.createPackageContextAsUser()，可以创建一个特定用户的 Context，然后使用这个 Context 来启动该用户的 Activity。这种方法也需要较高权限，适用于系统应用。

// 创建目标用户的 Context（假设用户 ID 为 10）
Context userContext = context.createPackageContextAsUser("com.example.targetapp", 0, UserHandle.of(10));

// 通过用户 Context 启动 Activity
Intent intent = new Intent(userContext, TargetActivity.class);
userContext.startActivity(intent);

在开发调试时，可以使用 adb 命令模拟跨用户启动 Activity。例如，假设我们要在用户 ID 为 10 的用户会话中启动 Activity，可以使用以下命令：

adb shell am start --user 10 -n com.example.targetapp/.TargetActivity

跨用户启动Service

跨用户启动Service的操作和启动 Activity 一样。受限于系统权限和用户隔离机制。一般情况下，普通应用无法跨用户启动 Service，但系统应用或具有特定权限的应用可以通过特殊方法实现。

Context中提供了startServiceAsUser() 方法

// 创建启动服务的
Intent Intent intent = new Intent(); 
intent.setComponent(new ComponentName("com.example.targetapp", "com.example.targetapp.TargetService")); 

// 使用 Context 跨用户启动 Service（假设用户 ID 为 10）context.startServiceAsUser(intent, UserHandle.of(10));

可以使用 ActivityManager 提供的 bindServiceAsUser() 方法来跨用户绑定 Service。这种方法适合需要跨用户绑定 Service 以进行持续通信的场景。

Intent intent = new Intent();
intent.setComponent(new ComponentName("com.example.targetapp", "com.example.targetapp.TargetService"));

// 使用 bindServiceAsUser 绑定 Service
context.bindServiceAsUser(intent, serviceConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE, UserHandle.of(10));

跨用户发送广播

系统应用可以使用 sendBroadcastAsUser() 方法，指定广播的目标用户。这样可以在特定用户的上下文中发送广播。这个方法需要 INTERACT_ACROSS_USERS 或 INTERACT_ACROSS_USERS_FULL 权限。

Intent intent = new Intent("com.example.CUSTOM_BROADCAST");

// 目标用户的 UserHandle，例如用户 ID 为 10
UserHandle targetUserHandle = UserHandle.of(10);

// 发送广播到特定用户
context.sendBroadcastAsUser(intent, targetUserHandle);

sendBroadcastAsUser() 也支持发送有序广播。有序广播会按照优先级顺序在各接收器之间传递，且每个用户的实例会分别处理有序广播，这样可以实现对不同用户的广播控制。

Intent intent = new Intent("com.example.ORDERED_BROADCAST");
UserHandle targetUserHandle = UserHandle.of(10);

// 发送有序广播到特定用户
context.sendOrderedBroadcastAsUser(intent, targetUserHandle, null, null, 0, null, null);

跨用户共享数据Content Provider

系统没有提供类似getContentResolverAsUser的方法，但ContentResolver提供了跨用户query的能力。ContentProvider中提供了maybeAddUserId() 方法。但是被hide了，不能被直接调用。

从源码中可以发现被 query 的 Uri 中可以携带 userId ，所以通过 Uri 中的 userId，可以访问到不同用户下相同 Uri 的 ContentProvider。

// ContentProvider.java
/** @hide */
public static Uri maybeAddUserId(Uri uri, int userId) {
    if (uri == null) return null;
    if (userId != UserHandle.USER_CURRENT
            && ContentResolver.SCHEME_CONTENT.equals(uri.getScheme())) {
        if (!uriHasUserId(uri)) {
            //We don't add the user Id if there's already one
            Uri.Builder builder = uri.buildUpon();
            builder.encodedAuthority("" + userId + "@" + uri.getEncodedAuthority());
            return builder.build();
fe        }
    }
    return uri;
}

参考

深入理解Android系统多用户机制

blog.csdn.net/Jason_Lee15…

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