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Android包管理框架:APK的安装流程

关于作者

郭孝星,程序员,吉他手,主要从事Android平台基础架构方面的工作,欢迎交流技术方面的问题,可以去我的Github提issue或者发邮件至guoxiaoxingse@163.com与我交流。

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我们来思考一下Android系统是如何安装一个APK文件的,从直观的流程上,当我们点击一个APK文件或者从应用商店下载一个APK文件,会弹起一个安装对话框,点击安装就可以安装应用。

那么这里面的流程是什么样的呢?🤔

首先很容易想到的是,Android根据文件类型MimeType来判断是否弹起安装页面,就行点击一个视频会调起视频播放器一样。

Android系统常见的文件类型如下所示:

👉 MimeUtils.java

  • add("application/zip", "zip");
  • add("application/vnd.android.package-archive", "apk");
  • add("video/mp4", "mp4");
  • add("video/3gpp", "3gpp");
  • add("text/plain", "txt");
  • add("image/gif", "gif");
  • add("image/ico", "ico");
  • add("image/jpeg", "jpeg");
  • add("image/jpeg", "jpg");

这里面就有我们今天聊的APK文件,当点击APK文件时会调起安装界面,这个安装界面其实就是PackageInstallerActivity

//点击APK文件,弹起对话框,询问是否安装此应用。
File apkFile;
Intent intent = new Intent(Intent.ACTION_VIEW);
intent.setFlags(Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK);
intent.setDataAndType(Uri.fromFile(apkFile), "application/vnd.android.package-archive");
context.startActivity(intent);

PackageInstallerActivity显示的是个对话框,当点击确定安装以后,会启动真正的安装界面,这个界面就是InstallAppProgress,它也是一个Activity,会显示安装的进度,

整个APK的安装流程如下所示:

  1. 复制APK到/data/app目录下,解压并扫描安装包。
  2. 资源管理器解析APK里的资源文件。
  3. 解析AndroidManifest文件,并在/data/data/目录下创建对应的应用数据目录。
  4. 然后对dex文件进行优化,并保存在dalvik-cache目录下。
  5. 将AndroidManifest文件解析出的四大组件信息注册到PackageManagerService中。
  6. 安装完成后,发送广播。

总体说来就两件事情拷贝APK和解析APK,解析APK主要是解析APK的应用配置文件AndroidManifest.xml,以便获得它的安装信息。在安装的过程中还会这个应用分配Linux用 户ID和Linux用户组ID(以便它可以在系统中获取合适的运行权限)。

关于Linux用户ID与Linux用户组ID

Linux用户ID与Linux用户组ID的分配与管理是由Settings类来完成的。

Settings:该类用来管理应用程序的安装信息(APK包信息、Linux用户ID、Linux用户组ID等),Android系统在每次重启是都会将应用程序重新安装一遍,Settings就是保证在重新安装应用时可以恢复应用的信息。

在Android系统中,用户ID可以划分为以下层次:

  • 小于FIRST_APPLICATION_UID:特权用户ID,用户应用程序不能直接使用,但是可以以一种sharedUserId的方式共享使用,例如想要修改系统时间就设置android:sharedUserId = "android.uid.system"。
  • FIRST_APPLICATION_UID 至 FIRST_APPLICATION_UID + MAX_APPLICATION_UIDS:给用户应用程序使用,共有1000个。
  • 大于FIRST_APPLICATION_UID + MAX_APPLICATION_UIDS:非法的Linxu用户ID。

以上便是对APK安装流程的整体概述,有了整体的把握,我们接着来看实现细节。APK安装流程序列图如下所示:

👉 点击图片查看高清大图

嗯,看起来有点长😤,但只要我们掌握核心逻辑和原理,再长的函数调用链都是纸老虎。😎

整个序列图按照颜色划分为三个进程:

  • PackageInstaller进程:PackageInstaller事实上是一个应用,它负责APK安装以及卸载过程中与用户的交互流程。
  • SystemServer进程:该进程主要运行的是系统服务,APK的安装、卸载和查询都由PackageManagerService负责,它也是Android核心系统服务的一种,在SystemServer里初始化系统服务的时候被启动。
  • DefaultContainerService进程:DefaultContainerService也是一个单独的进程,它主要负责检查和复制设备上的文件,APK的复制就是由DefaultContainerService来完成的。

PackageInstaller和DefaultContainerService都比较简单,我们重点关注的是Android的包管理服务PackageManagerService。

一 APK解析流程

Android的应用程序是一个以".apk"为后缀名的归档文件,它在安装之前会先DefaultContainerService将自己复制到/data/app目录中去,拷贝完成以后 便开始解析APK。

这里提一下/data/app这个目录,Android不同的目录存放不同类型的应用,如下所示:

  • /system/framwork:保存的是资源型的应用程序,它们用来打包资源文件。
  • /system/app:保存系统自带的应用程序。
  • /data/app:保存用户安装的应用程序。
  • /data/app-private:保存受DRM保护的私有应用程序。
  • /vendor/app:保存设备厂商提供的应用程序。

APK文件里包含了一个配置文件AndroidManifest.xml,Android应用程序的解析过程就是解析这个xml文件的过程。

从上面的序列图我们可以看出,APK解析是从PackageManagerService的scanPackageLI开始的,而该方法内部又调用的是scanPackageDirtyLI()方法,我们来看一下这个方法的实现。

public class PackageManagerService extends IPackageManager.Stub {
    
       private PackageParser.Package scanPackageDirtyLI(PackageParser.Package pkg, int parseFlags,
               int scanFlags, long currentTime, UserHandle user) throws PackageManagerException {
           //...
           // writer
           synchronized (mPackages) {
               // 验证已注册的ContentProvider是否有其他同名,做冲突检测。
               if ((scanFlags & SCAN_NEW_INSTALL) != 0) {
                   final int N = pkg.providers.size();
                   int i;
                   for (i=0; i<N; i++) {
                       PackageParser.Provider p = pkg.providers.get(i);
                       if (p.info.authority != null) {
                           String names[] = p.info.authority.split(";");
                           for (int j = 0; j < names.length; j++) {
                               if (mProvidersByAuthority.containsKey(names[j])) {
                                   PackageParser.Provider other = mProvidersByAuthority.get(names[j]);
                                   final String otherPackageName =
                                           ((other != null && other.getComponentName() != null) ?
                                                   other.getComponentName().getPackageName() : "?");
                                   throw new PackageManagerException(
                                           INSTALL_FAILED_CONFLICTING_PROVIDER,
                                                   "Can't install because provider name " + names[j]
                                                   + " (in package " + pkg.applicationInfo.packageName
                                                   + ") is already used by " + otherPackageName);
                               }
                           }
                       }
                   }
               }
           }
         
           if (mPlatformPackage == pkg) {
              //...
           } else {
               // This is a normal package, need to make its data directory.
               dataPath = getDataPathForPackage(pkg.packageName, 0);
               if (dataPath.exists()) {
                   //...
               } else {
                   //invoke installer to do the actual installation
                   //这里创建了应用数据目录,用于存放用户数据
                   int ret = createDataDirsLI(pkgName, pkg.applicationInfo.uid,
                                              pkg.applicationInfo.seinfo);
                   //...
               }
             
           }
         
           // We also need to dexopt any apps that are dependent on this library.  Note that
           // if these fail, we should abort the install since installing the library will
           // result in some apps being broken.
           if (clientLibPkgs != null) {
               if ((scanFlags & SCAN_NO_DEX) == 0) {
                   for (int i = 0; i < clientLibPkgs.size(); i++) {
                       PackageParser.Package clientPkg = clientLibPkgs.get(i);
                       if (performDexOptLI(clientPkg, null /* instruction sets */, forceDex,
                               (scanFlags & SCAN_DEFER_DEX) != 0, false) == DEX_OPT_FAILED) {
                           throw new PackageManagerException(INSTALL_FAILED_DEXOPT,
                                   "scanPackageLI failed to dexopt clientLibPkgs");
                       }
                   }
               }
           }
         
           // writer
           synchronized (mPackages) {
               //...
               // 以下对四大组件进行注册
               int N = pkg.providers.size();
               StringBuilder r = null;
               int i;
               for (i=0; i<N; i++) {
                   PackageParser.Provider p = pkg.providers.get(i);
                   p.info.processName = fixProcessName(pkg.applicationInfo.processName,
                           p.info.processName, pkg.applicationInfo.uid);
                   //注册Content Provider
                   mProviders.addProvider(p);
                   //...
               }
               //...
           }
       }
       //...
   }
}

scanPackageDirtyLI是一个上千行的函数,它主要完成的工作如下所示:

  1. 调用PackageParser的parsePackage()方法解析AndroidMainfest.xml文件,主要包括四大组件、权限信息、用户ID,其他use-feature、shared-userId、use-library等 信息,并保存到PackageManagerService相应的成员变量中。
  2. 调用签名验证方法verifySignaturesLP()进行签名验证,验证失败的无法进行安装。
  3. 调用createDataDirsDirtyLI()方法创建应用目录/data/data/package,同时将APK中提取的DEX文件保存到/data/dalvik-cache中。
  4. 调用performDexOptLI()方法执行dexopt操作。

我们接着来看看APK里的信息是如何被解析出来的。

Apk的解析是PackageParser的parsePackage()函数来完成的,我们来看看它的实现。

public class PackageParser {
    
     public Package parsePackage(File packageFile, int flags) throws PackageParserException {
         if (packageFile.isDirectory()) {
             return parseClusterPackage(packageFile, flags);
         } else {
             return parseMonolithicPackage(packageFile, flags);
         }
     }
     
     private Package parseClusterPackage(File packageDir, int flags) throws PackageParserException {
             //...
             
             //初始化AssetManager
             final AssetManager assets = new AssetManager();
             try {
                 //...
                 //解析Base APk,解析AndroidManifest.xml
                 final Package pkg = parseBaseApk(baseApk, assets, flags);
                 if (pkg == null) {
                     throw new PackageParserException(INSTALL_PARSE_FAILED_NOT_APK,
                             "Failed to parse base APK: " + baseApk);
                 }
     
                 //如果splitName不为空,则循环解析Split Apk
                 if (!ArrayUtils.isEmpty(lite.splitNames)) {
                     final int num = lite.splitNames.length;
                     pkg.splitNames = lite.splitNames;
                     pkg.splitCodePaths = lite.splitCodePaths;
                     pkg.splitRevisionCodes = lite.splitRevisionCodes;
                     pkg.splitFlags = new int[num];
                     pkg.splitPrivateFlags = new int[num];
     
                     for (int i = 0; i < num; i++) {
                         //解析
                         parseSplitApk(pkg, i, assets, flags);
                     }
                 }
     
                 pkg.setCodePath(packageDir.getAbsolutePath());
                 pkg.setUse32bitAbi(lite.use32bitAbi);
                 return pkg;
             } finally {
                 IoUtils.closeQuietly(assets);
             }
         }
}

注:Split APK是Google为解决65535上限以及APK越来越大的问题而提出的一种方案,它可以将一个庞大的APK按照屏幕密度、ABI等形式拆分成多个独立的APK,这些APK共享相同的data、cache目录。 共享相同的进程,共享相同的包名。它们还可以使用各自的资源,并且继承了Base APK里的资源。更多细节可以查阅官方文档Build Multiple APKs

该方法调用parseBaseApk()去解析AndroidManifest.xml,AndroidManifest.xml也是xml文件,当然也使用XmlResourceParser来解析。这个解析相应标签并保存到PackageManagerService对应的成员变量中去。 此处就不再展开。

通过上面的讲解,我们理解了APK的计息流程,APK解包以后,里面有个DEX文件,我们前面也说过PackageManagerService的performPackageLI()方法去执行dexopt操作 ,我们接着来分析它是如何实现的。

二 DEX的dexopt流程

我们先来了解一下什么dexopt操作,dexopt操作实际上对DEX文件在执行前进行一些优化,但是不同的虚拟机操作有所不同。

  • Davlik:将dex文件优化生成odex文件,这个odex文件的后缀也是dex,保存在/data/dalvik-cache目录下。
  • ART:将dex文件翻译生成oat文件

从上面的序列图我们可以看出,Installer.java通过Socket方式请求守护进程installd完成dexopt操作。

public final class Installer {  
    public int dexopt(String apkPath, int uid, boolean isPublic) {  
        StringBuilder builder = new StringBuilder("dexopt");  
        builder.append(' ');  
        builder.append(apkPath);  
        builder.append(' ');  
        builder.append(uid);  
        builder.append(isPublic ? " 1" : " 0");  
        return execute(builder.toString());  
    }  
}

守护进程调用Command.c里的dexopt()方法执行dexopt操作,如果你对dexopt的C++层的实现感兴趣可以异步:

👉 Android ART运行时无缝替换Dalvik虚拟机的过程分析

APK安装完成以后会在桌面生成一个快捷图标,点击图标就可以启动应用了。