深入理解 Android 系统升级

前言

2013年7月至2015年6月在长虹担任Android系统研发工程师，主要负责长虹智能电视升级（OTA升级），研发平台是MST 628 和 MTK 5327等。

摘要

随着Android系统的快速发展，越来越多的智能终端设备搭载Android平台。Android系统升级的可以优化智能电视系统性能、更新系统内容。因此，Android系统升级在Android系统开发领域极其重要。如何保证Android系统升级的安全性、可靠性与可操作性。本文详细介绍了Android系统升级包的制作、Recovery模式的工作原理，TV终端升级包的下载、升级包的具体升级过程等。

一、 Android系统升级概述

Android系统升级的本质是对system、perm、data分区下的文件进行升级，按照升级包的差异来分可以分为整包升级与查分升级。整包升级首先将分区格式化，然后将升级包中的文件拷贝进去。差分升级则只升级文件的差异部分。如图（1.1）所示，系统升级主要包括升级包的制作与发布、终端升级包的下载以及Recovery模式下的具体升级几个过程。本文分九个部分讲述Android系统的系统升级。

第一部分是系统概述；
第二部分讲述Recovery模式，包括如何进入Recovery模式，进入Recovery模式后的操作以及Recovery模式的通信接口；
第三部分主要讲述升级包的制作；
第四部分讲述TV终端升级包的获取及升级策略；
第五部分讲述Android系统的三种启动模式；
第六部分讲述Android系统的模式服务；
第七部分讲述从reboot到Recovery；
第八部分讲述 Recovery服务的核心install_package函数；
第九部分讲述升级程序update_binary的执行过程。

图1-1 深入理解 Android 系统升级_第1张图片

二、Recovery模式

2.1 Recovery模式中的三个部分
Recovery的工作需要整个软件平台的配合，从通信架构上来看，主要有三个部分。
1） MainSystem：即正常启动模式（BCB中无命令），是用boot.img启动的系统，Android的正常工作模式。更新时，在这种模式中我们的上层操作就是使用OTA或则从SD卡中升级升级包。在重启进入Recovery模式之前，会向BCB中写入命令，以便在重启后告诉bootloader进入Recovery模式。
2） Recovery：系统进入Recovery模式后会装载Recovery分区，该分区包含recovery.img（同boot.img相同，包含了标准的内核和根文件系统）。进入该模式后主要是运行 Recovery服务（/sbin/recovery）来做相应的操作（重启、升级升级、擦除cache分区、擦除data分区等）。
3） Bootloader：除了正常的加载启动系统之外，还会通过读取MISC分区（BCB）获得来至Main system和Recovery的消息。
2.2 Recovery模式中的两个通信接口
在Recovery服务中上述的三个实体之间的通信是必不可少的，他们相互之间又有以下
两个通信接口。
通过CACHE分区中的三个文件：
1） Recovery通过/cache/recovery/目录下文件与Mainsystem进行通信，过程如下：
/cache/recovery/command：这个文件保存着Main system传给Recovery的命令行。 –update_package=root:path： Main system将这条命令写入时，代表系统需要升级，进入Recovery模式后，将该文件中的命令读取并写入BCB中，然后进行相应的更新升级包的操作。
–wipe_data：擦除用户数据。擦除data分区时必须要擦除cache分区。
–wipe_cache：擦除cache分区。
2）通过BCB（Bootloader Control Block）：
BCB是bootloader与Recovery的通信接口，也是Bootloader与Main system之间的通信接口。存储在flash中的MISC分区，占用三个page，其本身就是一个结构体，具体成员以及各成员含义如下：
struct bootloader_message{
char command[32];
char status[32];
char recovery[1024];
};
command成员：即当我们想要在重启进入Recovery模式时，会更新这个成员的值。另外在成功更新后结束Recovery时，会清除这个成员的值，防止重启时再次进入Recovery模式。
status：在完成相应的更新后，Bootloader会将执行结果写入到这个字段。
recovery：可被Main System写入，也可被Recovery服务程序写入。该文件内容格式为：
“recovery\n
\n
”
该文件存储的就是一个字符串，必须以recovery\n开头，否则这个字段的所有内容域会被忽略。“recovery\n”之后的部分，是/cache/recovery/command支持的命令。可以将其理解为Recovery操作过程中对命令操作的备份。Recovery对其操作的过程为：先读取BCB然后读取/cache/recovery/command，然后将二者重新写回BCB，这样在进入Main system之前，确保操作被执行。在操作之后进入Main system之前，Recovery又会清空BCB的command域和recovery域，这样确保重启后不再进入Recovery模式。
2.3 从Main System重启并进入Recovery模式
如图（2.1）所示为以上三个部分的通信过程

图（2.1）深入理解 Android 系统升级_第2张图片

首先从Main System开始，在Main System使用升级包进行升级时，系统会重启并进入Recovery模式。在系统重启之前，Main System定会向BCB中的command域写入boot-recovery(粉红色线)，用来告知Bootloader重启后进入recovery模式。这一步是必须的。至于Main System是否向recovery域写入值我们在源码中不能肯定这一点。即便如此，重启进入Recovery模式后Bootloader会从/cache/recovery/command中读取值并放入到BCB的recovery域。而Main System在重启之前肯定会向/cache/recovery/command中写入Recovery将要进行的操作命令。

3、升级包的制作

3.1 升级包的目录结构

以上是用命令make otapackage 制作的升级包的标准目录结构。

1）boot.img是更新boot分区所需要的文件。这个boot.img主要包括kernel+ramdisk。
2）system/目录的内容在升级后会放在系统的system分区。主要用来更新系统的一些应用或则应用会用到的一些库等等。
3）recovery/目录中的recovery-from-boot.p是boot.img和recovery.img的补丁(patch)，主要用来更新recovery分区，其中etc/目录下的install-recovery.sh是更新脚本。
4）update-binary是一个二进制文件，相当于一个脚本解释器，能够识别updater-script描述的操作。
5）updater-script：此文件是一个脚本文件，具体描述了更新过程。我们可以根据具体情况编写该脚本来适应我们的具体需求。
6） metadata文件是描述设备信息及环境变量的元数据。主要包括一些编译选项，签名公钥，时间戳以及设备型号等。
7）我们还可以在包中添加userdata目录，来更新系统中的用户数据部分。这部分内容更新后会存放在系统的/data目录下。
8）升级包的签名：升级更新包在制作完成后需要对其签名，否则在升级时会出现认证失败的错误提示。而且签名要使用和目标板一致的加密公钥。加密公钥及加密需要的三个文件在Android源码编译后生成的具体路径为：
out/host/linux-x86/framework/signapk.jar
build/target/product/security/testkey.x509.pem
build/target/product/security/testkey.pk8 。
命令make otapackage制作生成的升级包是已签过名的，如果自己做升级包时必须手动对其签名。以上命令在升级包所在的路径下执行，其中signapk.jar testkey.x509.pem以及testkey.pk8文件的引用使用绝对路径。升级是我们已经打好的包，update_signed.zip包是命令执行完生成的已经签过名的包。
9）MANIFEST.MF：这个manifest文件定义了与包的组成结构相关的数据。类似Android应用的mainfest.xml文件。
10）CERT.RSA：与签名文件相关联的签名程序块文件，它存储了用于签名JAR文件的公共签名。
11）CERT.SF：这是JAR文件的签名文件，其中前缀CERT代表签名者。

四、TV终端的升级包获取及升级策略

4.1 功能
TV终端升级包是由终端升级程序upgradesystem.apk控制的，如图（4.1）所示，该程序完成一下主要功能：
1）后台下载策略文件，依据策略文件判断是否需要升级，采用差分还是整包级；
2）断点续传下载需要的系统升级包，并进行checksum校验确保其下载的正确性；
3）文件校验功能，对下载的升级包进行校验，确保下载文件的正确性。
4） Recovery升级功能，需要recovery升级时，写入recovery升级标识。
5）写入cache/recovery/command命令，便于下次重启时升级；

深入理解 Android 系统升级_第3张图片

五、Android系统中三种启动模式

5.1 Android系统启动后可能进入的模式有以下几种
1) MAGIC KEY（组合键）：即用户在启动后通过按下组合键，进入不同的工作模式，具体有两种：
Vol+ + Power ：若用户在启动刚开始按了Vol+ + Power组合键，系统会直接进入Recovery模式。以这种方式进入Recovery模式时系统会进入一个简单的UI（使用了minui）界面，用来提示用户进一步操作。有如下几种操作选项：
“reboot system now”
“apply update from sdcard”
“wipe update from cache”
“wipe cache”
“wipe data”
2) 正常启动：若启动过程中用户没有按下任何组合键，bootloader会读取位于MISC分区的启动控制信息块BCB（Bootloader Control Block）。它是一个结构体，存放着启动命令command。根据不同的命令，系统又可以进入三种不同的启动模式。这个结构体的定义。
struct bootloader_message{
char command[32]; //存放不同的启动命令
char status[32]; //update-radio或update-hboot完成存放执行结果
char recovery[1024]; //存放/cache/recovery/command中的命令
};

command可能的值有两种， command==”boot-recovery”时，系统会进入Recovery模式。Recovery服务会具体根据/cache/recovery/command中的命令执行相应的操作（例如，升级升级或擦除cache，data等）。command为空时，即没有任何命令，系统会进入正常的启动，最后进入主系统（main system）。这种是最通常的启动流程。
Android系统不同的启动模式的进入是在不同的情形下触发的，从SD卡中升级升级时会进入Recovery模式是其中一种，其他的比如：系统崩溃，或则在命令行输入启动命令式也会进入Recovery或其他的启动模式。

六、Recovery模式服务

升级包来源有两种，一个是OTA在线下载，一个是手动拷贝到SD卡或者U盘中。不论是哪种方式获得升级包，在进入Recovery模式前，都未对这个zip包做处理。只是在重启之前将zip包的路径告诉了Recovery服务下面具体分析这种升级方式下，升级是怎样从上层一步步进入到Recovery模式的。
6.1、从updatesystem应用到Reboot
当我们依次选择工具箱–>支持–>系统升级–>在线升级后会弹出一个对话框，提示已有升级包是否现在更新
1) 如果用户选择立即更新，后台下载升级包升级，将升级包保存到/cache目录下。
2) 升级文件下载完成后，在Android下对升级包进行sha1正确行校验。校验通过后，调用了pm.reboot(“recovery”)函数，这个函数只将“recovery”参数传递过去了，之后将“boot-recovery”写入到了MISC分区的BCB数据块的command域中。这样在重启之后Bootloader才知道要进入Recovery模式。
至此，Main System就开始重启并进入Recovery模式。在这之前Main System做的最实质的就是两件事，一是将“boot-recovery”写入BCB的command域，二是将–update_package=/cache/升级”写入/cache/recovery/command文件中。下面的部分就开始重启并进入Recovery服务了。

6.2从reboot到Recovery服务
从Bootloader开始如果没有组合键按下，就从MISC分区读取BCB块的command域（在主系统时已经将“boot-recovery”写入）。然后就以Recovery模式开始启动。与正常启动不同的是Recovery模式下加载的镜像是recovery.img。这个镜像同boot.img类似，也包含了标准的内核和根文件系统。其后就与正常的启动系统类似，也是启动内核，然后启动文件系统。在进入文件系统后会执行/init，init的配置文件就是/init.rc。这个配置文件来自bootable/recovery/etc/init.rc。这个文件做了如下几件事情。
1）设置环境变量。
2）建立etc连接。
3）新建目录，备用。
4）挂载/tmp为内存文件系统tmpfs
5）启动recovery（/sbin/recovery）服务。
6）启动adbd服务(用于调试)。

七、从reboot到Recovery服务

7.1 Recovery服务的通用流程
从recovery.c的main函数开始：
1） ui_init()：Recovery服务使用了一个基于framebuffer的简单ui（miniui）系统。这个函数对其进行了简单的初始化。在Recovery服务的过程中主要用于显示一个背景图片和一个进度条。另外还启动了两个线程，一个用于处理进度条的显示，另一个用于响应用户的按键。
2） get_arg()：这个函数主要做了上图中get_arg()往右往下直到parse arg/v的工作。
get_bootloader_message()：主要工作是根据分区的文件格式类型（mtd或emmc）从MISC分区中读取BCB数据块到一个临时的变量中。然后开始判断Recovery服务是否有带命令行的参数（/sbin/recovery，根据现有的逻辑是没有的），若没有就从BCB中读取recovery域。如果读取失败则从/cache/recovery/command中读取然后。这样这个BCB的临时变量中的recovery域就被更新了。在将这个BCB的临时变量写回真实的BCB之前，又更新的这个BCB临时变量的command域为“boot-recovery”。这样做的目的是如果在升级失败（比如升级还未结束就断电了）时，系统在重启之后还会进入Recovery模式，直到升级完成。在这个BCB临时变量的各个域都更新完成后使用set_bootloader_message()写回到真正的BCB块中。
3) parserargc/argv：解析我们获得参数。注册所解析的命令（，在下面的操作中会根据这一步解析的值进行一步步的判断，然后进行相应的操作。
4) if(update_package)：判断update_package是否有值，若有就表示需要升级更新包，此时就会调用install_package()。在这一步中将要完成安装实际的升级包。这是最为复杂，也是升级升级包最为核心的部分。
5) if(wipe_data/wipe_cache)：这一步判断实际是两步，在源码中是先判断是否擦除data分区（用户数据部分）的，然后再判断是否擦除cache分区。
6) maybe_install_firmware_update()：如果升级包中包含/radio/hboot firmware的更新，则会调用这个函数。
7) prompt_and_wait()：这个函数是在一个判断中被调用的。其意义是如果安装失败，则等待用户的输入处理。
8) finish_recovery()：这是Recovery关闭并进入Main System的必经之路。其大体流程如下：

深入理解 Android 系统升级_第4张图片

将intent（字符串）的内容作为参数传进finish_recovery中。如果有intent需要告知Main System，则将其写入/cache/recovery/intent中。将内存文件系统中的Recovery服务的日志（/tmp/recovery.log）拷贝到cache（/cache/recovery/log）分区中，以便告知重启后的Main System发生过什么。擦除MISC分区中的BCB数据块的内容，以便系统重启后不在进入Recovery模式而是进入更新后的主系统。删除/cache/recovery/command文件。这一步也是很重要的，因为重启后Bootloader会自动检索这个文件，如果未删除的话又会进入Recovery模式。原理在上面已经讲的很清楚了。
9) reboot()：这是一个系统调用。在这一步Recovery完成其服务重启并进入Main System。这次重启和在主系统中重启进入Recovery模式调用的函数是一样的，但是其方向是不一样的。所以参数也就不一样。

八、 Recovery服务的核心install_package函数

  install_package()是升级升级特有的一部分，也是最核心的部分。在这一步才真正开始对升级包进行处理。下面就开始分析这一部分。如图（8.1）所示：

深入理解 Android 系统升级_第5张图片

下面顺着上面的流程图和源码来分析这一流程：
1）ensure_path_mount()：先判断所传的升级包路径所在的分区是否已经挂载。如果没有则先挂载。
2）load_keys()：加载公钥源文件，路径位于/res/keys。这个文件在Recovery镜像的根文件系统中。
3）verify_file()：对升级包升级包进行签名验证。
4）mzOpenZipArchive()：打开升级包，并将相关的信息拷贝到一个临时的ZipArchinve变量中。这一步并未对我们的升级包解压。
5）try_update_binary()：在这个函数中才是对我们的升级升级的地方。这个函数一开始先根据我们上一步获得的zip包信息，以及升级包的绝对路径将update_binary文件拷贝到内存文件系统的/tmp/update_binary中。以便后面使用。
6）pipe()：创建管道，用于下面的子进程和父进程之间的通信。
7）fork()：创建子进程。其中的子进程主要负责执行binary（execv(binary,args)，即执行我们的安装命令脚本），父进程负责接受子进程发送的命令去更新ui显示（显示当前的进度）。子父进程间通信依靠管道。
8）其中，在创建子进程后，父进程有两个作用。一是通过管道接受子进程发送的命令来更新UI显示。二是等待子进程退出并返回INSTALL SUCCESS。其中子进程在解析执行安装脚本的同时所发送的命令有以下几种：
execv(binary,args)的作用就是去执行binary程序，这个程序的实质就是去解析升级包中的updater-script脚本中的命令并执行。由此，Recovery服务就进入了实际安装升级包的过程。

九、升级程序update_binary的执行过程

子进程所执行的程序binary为升级包中的update-binary。Recovery服务在做这一部分工作的时候是先将包中update-binary拷贝到内存文件系统中的/tmp/update_binary，然后再执行的。
分析下这个程序的执行过程：
1）函数参数以及版本的检查。
2）获取管道并打开：在执行此程序的过程中向该管道写入命令，用于通知其父进程根据命令去更新UI显示。
3）读取updater-script脚本：从升级包中将updater-script脚本读到一块动态内存中，供后面执行。
4）Configure edify’s functions：注册脚本中的语句处理函数，即识别脚本中命令的函数。主要有以下几类
RegisterBuiltins()：注册程序中控制流程的语句，如ifelse、assert、abort、stdout等。
RegisterInstallFunctions()：实际安装过程中安装所需的功能函数，比如mount、format、set_progress、set_perm等。
RegisterDeviceExtensions()：与设备相关的额外添加項，在源码中并没有任何实现。
FinishRegistration()：结束注册。
5）Parsethe script：调用yy*库函数解析脚本，并将解析后的内容存放到一个Expr类型的python类中。主要函数是yy_scan_string()和yyparse()。
6）执行脚本：核心函数是Evaluate（），它会调用其他的callback函数，而这些callback函数又会去调用Evaluate去解析不同的脚本片段，从而实现一个简单的脚本解释器。
7）错误信息提示：最后就是根据Evaluate（）执行后的返回值，给出一些打印信息。

前言

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