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06 | 操作系统进场

06 | 操作系统进场-极客时间

06 | 操作系统进场

2019-05-03 许式伟 来自北京
《许式伟的架构课》
课程介绍

讲述：丁伟

时长13:16大小12.18M

你好，我是七牛云许式伟。
在编程语言出现后，软件生产效率得到了大幅度的提升。随着越来越多软件的出现，自然而然就诞生了多个软件如何共处，也就是软件治理的需求。比如下面的这些需求场景。
多个软件如何同时运行（多任务的需求）？
多个软件如何共同使用计算机上的存储空间（内存管理、文件系统的需求）？
多个软件如何共同使用同一个外部设备（设备管理的需求）？
多个软件如何相互通讯，如何进行数据交换（进程间通讯、共享内存的需求）？
病毒、恶意软件如何治理（安全管理的需求）？
如果没有一个中间的协调方，软件与软件之间并不知道彼此的存在，你不难想象出，这种没有统一规则约束下的场面，会有多么凌乱。
于是，操作系统就出现了。对于软件而言，它像一个大法官，制定规则并据此约束大家的行为。

操作系统的启动过程

操作系统是怎么获得执行权的？
这是计算机主板 ROM 上的启动程序（BIOS）交给它的。
计算机加电启动后，中央处理器（CPU）会从一个固定的存储地址加载指令序列执行。通常，这个固定的存储地址指向计算机主板的 ROM 上的一段启动程序（BIOS）。这段启动程序通常包含以下这些内容。
存储设备的驱动程序，用以识别常规的外置存储设备，比如硬盘、光驱、U 盘。
基础外部设备的驱动程序，比如键盘、鼠标、显示器。
设备和启动配置的基础管理能力。
支持执行外置存储中引导区的机器代码程序。
跳转到外置存储引导区的固定地址，把执行权交给该地址上的引导程序。
引导区的引导程序有长度限制（关于这一点我在上一讲已经介绍过），只能做非常少的事情。在常规情况下，它只是简单地跳转到真正的操作系统的启动程序，但有时计算机上安装了多个操作系统，此时引导程序会提供菜单让你选择要运行的操作系统。
这样，操作系统就开始干活了。

操作系统的需求演进

那么，操作系统是做什么的？前面我们说的“软件治理”是否可以涵盖它完整的目标？
让我们从操作系统的发展历程说起。
最早期的计算机是大型机。这个时期的计算机笨重、昂贵，并且操作困难，主要使用人群是搞科研性质的科学家或其他高端人群。
虽然这个时期催生了 IBM 这样的硬件巨头，但大多数人根本就意识不到，这玩意儿对后世人们的生活能够产生如此翻天覆地的变化。
这个时期的计算机还是单任务的，以计算为主，软件为操作硬件服务。如果我们认为“软件治理”是操作系统的根源需求的话，那么可以认为这个时期还不存在操作系统。但的确会有一些辅助工具库来简化用户使用计算机的负担，我们可以把它看做操作系统的萌芽。
从这个意义来说，提供计算机的“基础编程接口”，降低软件开发的负担，是操作系统更为原始的需求。
此后，小型机和个人计算机（PC）的崛起，分别诞生了 UNIX 和 DOS 这两个影响深远的操作系统。 UNIX 就不用说了，它几乎算得上今天所有现代操作系统的鼻祖。
DOS 的历史非常有趣。首先是 IBM 没把操作系统当回事儿，把这个活儿包给了微软。然后是微软只花了 5 万美元向西雅图公司购买了 86-DOS 操作系统的版权，更名为 MS-DOS。
那么 86-DOS 是怎么来的？西雅图公司的一个 24 岁小伙叫蒂姆·帕特森（Tim Paterson），单枪匹马花了 4 个月时间写出来的。
可以看到，这个时期人们对操作系统并没有太深刻的认知，多数人只把它看做硬件的附属品。IBM 不把它当回事，西雅图公司也没把它当回事，几万就把它卖了。只有微软认认真真地把它当做生意做了起来（在此之前微软的生意是卖 BASIC 语言的解析器起家，所以微软一直对 BASIC 语言情有独钟，直到很久以后微软搞出了 C# 语言后，情况才有所改变）。
等到 IBM 意识到操作系统是个金蛋，改由自己做 PC-DOS 操作系统的时候，微软已经通过推动 PC 兼容机的发展，让操作系统不再依赖特定的硬件设备，微软也就因此脱离 IBM 的臂膀，自己一飞冲天了。
回到问题。要回答操作系统在做什么，我们可以从客户价值和商业价值两个维度来看。
客户价值来说，操作系统首先要解决的是软件治理的问题，大体可分为以下六个子系统：进程管理、存储管理、输入设备管理、输出设备管理、网络管理、安全管理等。
操作系统其次解决的是基础编程接口问题。这些编程接口一方面简化了软件开发，另一方面提供了多软件共同运行的环境，实现了软件治理。
商业价值来说，操作系统是基础的刚需软件。计算机离开了操作系统就是一堆废铜烂铁。随着个人计算机采购需求的急速增加，光靠软件 License 的费用就让操作系统厂商赚翻了。
虽然第一个广为人知的操作系统是 UNIX，但从商业上来说最成功的操作系统则是 DOS/Windows，成就了微软的霸主地位。
为什么是 DOS/Windows 赢得了市场，这无关技术优劣，关键在于两者的商业路线差异：UNIX 走的是企业市场，而 DOS/Windows 选择了更为巨大的市场：个人计算机（PC）市场。
操作系统也是核心的流量入口。占领了操作系统，就占有了用户，想推什么内容给用户都很容易。微软对这一点显然心知肚明。
这也是为什么当年网景推 Netscape 浏览器的时候，微软很紧张。因为浏览器是另一个软件治理的入口，本质上是操作系统之上的操作系统。如果软件都运行在浏览器上，那么本地操作系统就沦为和硬件一般无二的管道了。
虽然早期操作系统没有应用市场（AppStore），但是通过操作系统预装软件的方式向软件厂商收租，这是一直以来都有的盈利方式。国内盗版的番茄花园 Windows 发行版就是通过在 Windows 系统上预装软件来盈利。
当然预装软件只是一种可能性，流量变现的方式还有很多。苹果的 iOS 操作系统开启了新的玩法，它构建了新的商业闭环：账号（Account）、支付（Pay）、应用市场（AppStore）。
我们把这个商业模式叫收税模式。帐号（注意是互联网账号，不是过去用于权限管理的本地账号）是前提。没有帐号，就没有支付系统，也没有办法判断用户是否购买过某个软件。
应用市场实现了应用的分发，既解决了系统能力的无限扩展问题（客户价值），也解决了预装软件的软件个数总归有限的问题（商业价值）。支付则是收税模式的承载体，无论是下载应用收费，还是应用内购买内容收费，都可以通过这个关卡去收税。
无论是本地操作系统 iOS 和 Android，还是 Web 操作系统（浏览器）如微信小程序，都实现了“帐号 - 支付 - 应用市场”这样的商业闭环。这类操作系统，我们不妨把它叫做现代操作系统。

操作系统的边界在哪里？

架构的第一步是需求分析。上一讲我提到了在架构设计过程中，需求分析至少应该花费三分之一的精力。通过这一节我们对操作系统演进过程的回顾，你可能更容易体会到这一点。
当我们说要做一个操作系统的时候，实际上我们自己对这句话的理解也是非常模糊的。尤其是我们正准备去做的事情是一个新生事物时，我们对其理解往往更加粗浅。
在本专栏开篇词中我也提过，架构也关乎用户需求，作为架构师我们不只是要知道当前的用户需求是什么，我们还要预测需求未来可能的变化，预判什么会发生，而什么一定不会发生。
我们可以问一下自己：我是否能够预料到，有一天支付（Pay）系统会成为操作系统的核心子系统？如果不能，那么怎么才能做到？
操作系统的边界到底在哪里？
要回答这个问题，我们需要看清楚这样三个角色的关系：
硬件（个人计算机、手机或其他）；
操作系统；
浏览器。
首先我们来看操作系统与硬件的关系。如果操作系统厂商不做硬件会怎样？我们知道个人计算机（PC）市场就是如此。微软虽然占据了 PC 操作系统（DOS/Windows）绝大部分江山，但是它自身并不生产硬件。这里面，PC 兼容机的发展对 DOS/Windows 的发展有着至关重要的支撑意义。它让操作系统厂商有了独立的生存空间。
到了移动时代，Google 收购 Android 后，通过免费策略占领移动操作系统的大半江山，一定程度上复制了微软的过程，但实际上并没有那么理想。
首先，Android 是免费的，Google 并没有从中收取软件 License 费用，而是借助 Android 的市场占有率来推动 Google 的服务（例如搜索、Gmail 等等），通过 Google 服务来获取商业回报。
其次，iOS 操作系统引入的 “账号 - 支付 - 应用市场” 的收税模式，受益方是硬件（手机）厂商，而非操作系统厂商。其中最关键的一点，几乎所有手机厂商都不接受把支付（Pay）这个核心系统交给 Google。
最后，不止支付系统，一旦手机厂商长大立足 ，Google 服务也会被逐步替换。所以 Google 和 Android 手机厂商之间的联盟并不可靠，养肥的手机厂商会不断试探 Google 的底线，而 Google 也会尝试去收紧政策，双方在博弈中达到平衡。
之所以会这样，我觉得原因有这么几个：
其一，历史是不可复制的，人们对操作系统的重要性认知已经非常充分。所以大部分手机厂商，都不会放弃操作系统的核心子系统的主控权。Android 系统的开源策略无法完全达到预期的目标，这也是 Google 最终还是免不了要自己做手机的原因。
其二，手机是个性化产品，硬件上并没有 PC 那么标准化。所以个人计算机有兼容机，而手机并没有所谓的标准化硬件。
分析完操作系统和硬件的关系，我们再来看它和浏览器的关系。在 PC 时期，操作系统和浏览器看起来至少需求上是有差异化的：操作系统，是以管理本地软件和内容为主（对内）。浏览器，是以管理互联网内容为主（对外）。
但，这个边界必然会越来越模糊。
操作系统不涉足互联网内容？这是不可能的。应用市场（AppStore）其实就是典型的互联网内容；而另一方面，在浏览器的生态里也有一些特殊角色：网址导航、搜索引擎、Web 应用市场，它们共同构成了探索互联网世界的“地图”。
问题在于：
操作系统、浏览器和（互联网）搜索引擎的关系是什么；
移动时代的浏览器会是什么样的；它和操作系统的关系又如何相处？
欢迎把你对这几个问题的想法告诉我。

结语

让我们简单回顾下今天我所讲到的内容。
从客户需求来说，操作系统的核心价值在于：
实现软件治理，让多个软件和谐共处；
提供基础的编程接口，降低软件开发难度。
从商业价值来说，操作系统是刚性需求，核心的流量入口，兵家必争之地。所以，围绕它的核心能力，操作系统必然会不断演化出新的形态。
我们把引入了 “账号 - 支付 - 应用市场” 商业闭环的收税模式的操作系统，称为现代操作系统。
操作系统的边界到底在什么地方？我们通过分析硬件、操作系统、浏览器三者的关系，也做了定性的分析。这样的分析将有助于你对需求发展做出预判。
最后，你可以在留言区给我留言，分享你对于操作系统技术、商业的看法，让我们一起交流。
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提建议

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精选留言(100)

  • 郭小菜
    2019-05-03
    老师，请收下我的膝盖
    106
  • coder
    2019-05-05
    许老师，您好，虽然自己是科班出身，但是对于下面这个问题困扰了我很久： 1. 一般来说程序的运行需要OS的支撑，那么在BIOS之前，选择运行哪个操作系统那一段程序是怎么运行的？再问一句，编译器可以独立于操作系统运行吗？ 2. 可以用C语言去实现很多其他的语言，比如说python, go等，那在C语言之前，这么一直追寻下去，会衍生成鸡生蛋的问题。但是编程语言又具有自举的功能，那自举是怎么实现的？e.g. 目前版本的go核心实现中，很多是用go本身实现的，它是怎么做到自己编译自己的？
    展开

    作者回复: 1、程序运行不需要操作系统支持，有bios支持就可以（把控制权交给它）。编译器可以独立于操作系统存在，而且它应该先于操作系统产生。 2、语言诞生的过程是这样的：机器码 =》汇编 =〉C =》C写的汇编，C写的C（自举）。当然这个过程不需要每次新架构的cpu或操作系统都重新来一遍，因为人是聪明的，发明了交叉编译这样的东西，C =〉新平台的C，这样就一下子完成整个语言的进化了。

    共 7 条评论
    77
  • Jiayp
    2019-05-03
    这才是从需求出发，以前学操作系统，上来就讲有哪些操作系统，操作系统的实现，从来没有考虑过，操作系统到底要实现哪些需求
    共 1 条评论
    68
  • 晓凉
    2019-05-04
    隐隐感觉到架构的主要难点在于对需求的前瞻性判断，这要求的不仅仅是技术能力。目前几乎所有的架构课程，都是基于确定的需求来讲技术架构，例如秒杀系统怎么做高可用高并发。能听到许老师这么高视角讲架构，实在幸运。

    作者回复: 架构在于创造，如果你从事的事情总是重复别人，那这个公司又有何价值？即使有所参考，也应该有自己的精气神，这个精气神是需要架构师把它干出来的

    共 3 条评论
    34
  • 公号-技术夜未眠
    2019-05-04
    1 操作系统、浏览器和互联网搜索引擎的关系是什么？ 随着技术的更迭，Web应用程序已经成为主流的软件形态，而浏览器是运行web应用程序的容器（传统的二进制应用程序也已被支持）；因此，浏览器已然成为PC时代的访问入口，从分层的技术架构上来看，操作系统已成为浏览器的底层，而浏览器已成为操作系统的入口，用户甚至无法感知操作系统的存在，所以从未来的发展趋势来看浏览器完全可以取代操作系统。 搜索引擎是浏览器上杀手级的高频应用。在PC时代，已然成为流量的漩涡。 2 移动时代的浏览器会是什么样的？它和操作系统的关系又是如何？ 移动时代，浏览器就是操作系统上的一个普通App，其重要性较之PC时代已经下降不少；因为浏览器的部分作用已被各类垂直化的应用App所代替。App在移动时代较之浏览器一个突出优点就是用户体验更好。随着5G时代的来临，个人愚见是移动浏览器会焕发新一春。
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    共 4 条评论
    26
  • Enthusiasm
    2019-05-03
    关于操作系统，浏览器，搜索引擎，可以归结为平台产品。我并不认为每个架构师都有机会做出一款平台产品，而且，我认为平台产品还是类似于基础服务，并不能带来很高的收益，获得收益关键是如何形成一个商业闭环，让钱乖乖流进来。操作系统已然形成不了技术壁垒，也就起不到商业壁垒的目的。未来能形成商业壁垒的，我认为是产品差异化，物联网时代想方设法做出新产品的机会还是蛮多的。微信小程序想让所有程序都集成到微信里，我只想呵呵。微信直接开发个操作系统卖微信手机得了，互联网的流量思维，割韭菜，羊毛出在狗身上猪来买单的思维，我认为是一种浮躁。过去的3q大战，IE和网景大战，共享单车，打车补贴大战，谁真正称得上商业成功？百度成了莆田系的帮凶，谷歌当初要不及时悬崖勒马也晚节难保。踏踏实实做一个良心企业，这样的成功才称得上真正的成功。
    展开
    19
  • gbfa
    2019-05-06
    这种对需求的前瞻性探索挺重要，但同时感觉也是最难的，应该如何培养呢～

    作者回复: 很多时候是思维方式的转变。首先要尝试去做前瞻，预测错了并不可怕，但可以事后复盘到底是缺失了什么重要的信息让你判断出现什了偏差。

    18
  • 好好学习
    2019-05-04
    k8s正在接管集群操作系统的角色，服务治理是它根本停不下来
    16
  • Enthusiasm
    2019-05-03
    老师您的意思是让我们一上来就多考虑一下系统的“收费需求”或者“商业模式”。嗯，很好。总结一下各个公司的成功途径，就是先要满足大量刚需或者打破现有商业壁垒，然后靠技术、工艺和法律形成新的商业壁垒迅速崛起，最后依靠积累的用户基数和粘性，获得规模效应，开发新产品以获得更高的溢价等等。 做硬件和做软件要相结合，只做上游服务并不能形成良好的商业闭环，所以IoT+人工智能我认为很有发展前景。非常希望NAS存储能走进千家万户，360网盘停止服务，百度网盘的限速，内容失效，且网盘内容无法保证隐私性，我妈妈的手机内存很小，经常需要清理内存，如果每天回到家都能自动把照片视频备份到私有云盘就好了。这些让我觉得，每个家庭有一块属于自己的私有云盘，是将来的刚需。现在NAS用起来没有那么智能和方便，我认为IoT+人工智能可以去做出个像样的可扩展迭代的NAS品牌。 我想做的还有很多，平时想起一个就把它记在OneNote里，将来有天想创业了，刚好是个项目。只不过，现在要从技术上朝着架构师方向努力！
    展开
    16
  • 苟范儿
    2019-05-06
    老师现在主要提到的是终端（PC/Mobile）类的操作系统. 当前的云计算底层的系统，以及未来 IoT 边缘系统会有什么特殊之处么？

    作者回复: 挺好的问题。后面会在第三章服务端开发再次讨论操作系统，会探讨它的演进历程和方向。

    12
  • frostawn
    2019-05-09
    许老师，小白请教个很困惑的问题。 为什么pc可以有兼容机，让操作系统windows收费或者linux免费各占半壁江山，但是手机不能有兼容机呢，而说手机是个性化产品，不能标准化，他们再怎么个性，也脱离不了前面讲过的冯诺依曼体系吧。而且现在现实也是有安卓和ios两大阵营。所以并不是技术上没做到兼容，而是商业盈利模式的区别，ios可以利用支付闭环将流量变现，安卓拿不到支付系统的控制权无法做生意盈利。 请您指教。谢谢！
    展开

    作者回复: 和技术没关系，是人性的问题。手机是人体器官的延伸，是门面，用户不会接受白牌机的，所以手机不是技术上做不到兼容机，而是人性上不会接受白牌机。

    共 3 条评论
    11
  • Cordova
    2019-05-09
    根据老师的理论过程来看，个人觉得操作系统它是一个没有明确边界的，只有放在历史（时间）的维度上它才有边界的表现，其实也不需要去深究其边界、在pc时代互联网的出现的确让人感觉浏览器赋予了不同反响的历史使命，以后将发挥更大的价值，移动时代发现我们所需要的内容不仅仅可以在浏览器上才能获取到，在不同的内容平台也能获取到自己想要的内容，而现在正是如此、要说操作系统的下一次演进、我想只有两个方向：更具有便携性、个性化的硬件产品出现了，这会进一步催生… 历史好像就是这样的，但实际是软件反推动硬件（第二个方向）：信息数据格式和渲染出现了新的表现形式。浏览器就让他一直停在pc时代随着pc演进吧、app就让他跟着移动端的脚步继续前进吧。至于以后，微系统-多联网、也许是下一步吧、这又将催生出怎样的新生态～ 拭目以待！
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    作者回复: 挺好的思考

    共 2 条评论
    12
  • Eternal
    2019-07-20
    老师最后的思考题我有这样的思考：从资源的使用方式来看。1.当互联网还不发达的时候，用户在操作系统上只能通过客户端软件与外界交互，剩下的只能做本地操作，使用的资源少，资源的表现形式少，用户与外界交互少。2.当万维网出现，用户可以用浏览器这个载体使用到更多的资源，资源表现形式更丰富，交互也增多，这个时候浏览器适新形式下用户对资源的使用。3.当互联网发现一定阶段后，网民数量暴增，资源多得用户只通过人力就可以先到想要的资源是不可能的了，这个时候搜索引擎是给用户进入整个网络，使用巨量资源的新的当时，现在如果上网你不用搜索引擎你怎么查资料？所以总结，我认为是资源的数量，资源表现形式的变化，人与计算机，人与网络的交互方式更加多样导致操作系统演化出浏览器，当资源庞大后才有了搜索引擎。 其实还可以换个角度 1.全球人口的增大，全球经济的增长，导致网民数量增大，使用网络的需求指数级增大，催生了信息技术的发展。 2.人是社会群里动物，有天生的沟通交流的需求，互联网和移动互联网突破了大自然的屋里空间和时间空间的限制 3.当前人工智能又在改变更多的基础限制，正在突破人脑的智力极限
    展开
    7
  • Smallfly
    2019-06-06
    许老师，我今天重新回顾了一遍这篇文章，以需求为出发点的写法，给读者的印象更加深刻，也更好理解，非常赞。但是我有两个问题想请教： 1、 对于六大系统的划分，文件和内存被统一为存储管理，为什么不把输入输出合并为设备管理呢？后面也都只是放一篇文章讲的。 2、 如何理解 PC 兼容机？是指 PC 能运行 Windows 和 Linux 么？而像三星小米只能运行 Android，iPhone 只能运行 iOS，所以不是兼容机？
    展开

    作者回复: 1、这里的输入与输出设备，是指用户输入和面向用户交互的输出设备，不同于冯诺依曼结构中提到的输入输出设备（泛指所有设备，包括存储设备和网络设备）。输入与输出设备管理合并为一章并不是因为它的内容少，而是因为它不是本章的重点。 2、PC 兼容机是指白牌机，没有品牌或品牌几乎没有知名度。而且很多白牌机连操作系统都没有预装，硬件厂商没有意识到预装是一个巨大的市场。

    7
  • 涵
    2019-05-04
    大胆设想，未来对大众消费者来说会持有各种终端，仅是终端而已，专注于输入输出，绝大多数计算和存储能力由云服务完成。终端设备无需复杂操作系统。设备开启接入网络，可能会在云端有一个针对这种设备这个账号的操门户，用户通过这个门户实现与各种应用的交互。因此，可以预见，云端上对于用户设备门户服务的争夺会很关键。微信小程序就有这个意思。这个门户服务就像是用户终端设备的操作系统，但是部署在云端，对用户使用的各种服务进行管理，支持跨服务的数据交互，跨终端的数据交互，管理用户数据安全，账户安全。再往远想象，这个门户会成为人与数字世界连接的界面，个人的重要身份特征会存储其中，是人生命的一种延伸。
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    共 1 条评论
    6
  • 胡鹏
    2019-07-03
    老师: 大概两个月前听到这篇文章, 期间在做spark相关的需求, 从中了解到程序开发的时候, 很多情况下需要花大把的精力来考虑分布式的问题 操作系统的出校是为了治理软件: 分布式系统的出现, 是为了解决单个机器无法完成的超大存储或者运算. 现在确实已经出现了相应的软件, 比如spark就是分布式计算, 区块链就是分布式存储. 同是目前在学习k8s, 发现k8s也是为了治理分布式软件的. 但是目前却没有一款 操作系统 能够把分布式计算和分布式存储统一起来, 封装在底层, 从而使软件开发更多就需要关心业务, 而不用太多的考虑分布式问题 我认为 分布式操作系统 大有可为, 但是目前还没有发展到这个层面还是说很多人都考虑到了, 但是有什么技术限制之类的?
    展开

    作者回复: 你说的分布式操作系统，大概率未来是k8s的

    6
  • apk
    2019-05-08
    对于“PC无法摆脱操作系统控制但是手机厂商可以摆脱Google的控制形成自己的商业闭环”这一点不是明白？ Pad、一体机这些能不能也形成自己的商业闭环呢？

    作者回复: 历史阶段不同。PC的历史再演一遍，可能会是完全不同的结果。

    4
  • zjh
    2019-05-05
    感觉不论操作系统还是浏览器，一旦成熟就会变为基础设施层，人们就回默认它的存在，从而就会出现建立在其之上的应用来取代他们成为新的入口
    共 1 条评论
    4
  • crazier.huang
    2019-08-16
    操作系统软件服务的治理，那到底治理的是什么。像现有Spring的架构他事实上也提高了治理。但两者治理是截然不同的，那么治理最核心的概念又是什么

    作者回复: 不同领域的治理目标并不一样。操作系统的软件治理，最核心目标最基础的是软件之间和谐共存。比如Kubernetes，它也负责软件（服务）治理，最核心的目标就变了，变成软件在线上远行的稳定性和可维护性。

    3
  • Tom.G
    2019-06-19
    1.操作系统是用户入口，浏览器是互联网入口，搜索引擎是互联网流量入口 2.移动时代的浏览器可以是各种应用，通过应用承载互联网内容，互联网内容分类更细更专业
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