Google继Project Treble后的大动作：Android(安卓)Q系统组件更新机制APEX

一直以来，与 iOS 相比，Android在性能、安全、功耗、碎片化（兼容性）问题上一直被诟病。知耻而后勇，知弱而图强。自 Android 4.0以来，Google一直致力于解决性能（Project Butter/OpenGLRenderer/RenderThread/ART）、安全（SELinux/FDE/FBE/VerifiedBoot）、功耗问题（Project Volta/Doze/App Standby/Background Execution Limits）。到了Android8.0，提出了Treble架构，致力于解决碎片化问题，在Android发展史上留下浓重的一笔。

到了P版本，Android似乎停止了演进，在架构上没有出现可圈可点的变化。然而并没有，Google正在酝酿下一个版本（Q）的大招——APEX。

APEX与Treble有着千丝万缕的关系，它们同为解决碎片化（兼容性）问题而生。Treble使得用户快速地更新系统版本。简单来说，Android系统由厂商代码（QCOM/MTK）以及AOSP代码两部分组成。厂商代码主要是硬件相关的，AOSP则代表Android系统版本。在没有Treble之前，这两部分代码是耦合在一起的，导致升级AOSP代码的同时，也需要同步升级厂商代码。

由于这两部分代码是不同的公司维护的，同时升级是一件不容易的事情，需要花费大量的精力，导致Android的最新版本迟迟不能推送到用户手上。

Treble通过HIDL和VNDK两个技术实现了厂商代码和AOSP代码的解耦。解耦后，就可以实现各自独立升级，极大地降低手机厂商升级Android版本的难度。对用户来说，甚至可以不用等待手机厂商最新的定制版Android系统，而直接刷入最新的原生Android系统。

Treble似乎很完美，但是仔细观察，升级流程还是太重了。上一个版本的某一个系统模块出现了问题（安全、兼容性等），需要等到下一个OTA版本才能解决。通过OTA升级版本是一个很重的流程，而且它是以整个Android系统为目标进行升级的。因此，如果只是针对特定的模块，通过OTA的方式来解决显然是不合适的，杀鸡焉用牛刀！

APEX呼之欲出，它的目标比Treble更进一步，要能够独立升级特定的系统模块，就像独立升级APK一样。事实上，APEX文件与APK文件的结构基本上是一样的，而且都是zip压缩格式。

APEX包内部包含两个配置文件AndroidManifest.xml和manifest.json，两者的内容是一样的。

AndroidManifest.xml

manifest.json

从配置文件的内容可以看到，APEX模块具有包名和版本号。目前从公开的Android Q代码可以看到，系统中存在以下这些APEX模块：

com.android.runtime: ART and bionic runtime (binaries and libraries)
com.android.tzdata: TimeZone and ICU data (libraries and configuration data)
com.android.resolv: Library used by Android to resolve network related requests (libraries)
com.android.conscrypt: A Java Security Provider (Java framework)

这些APEX文件保存在/system/apex或者/data/apex目录中。其中，保存在/data/apex目录中的APEX文件就是动态更新下载的，用来更新原来的APEX模块。

APEX包的主角是image.img文件，这是一个EXT2格式的Image文件：

它的内容由content和vbmeta两部分组成：

vbmeta包含content的签名信息。APEX模块激活后，content的内容受到dm-verity完整性保护，防止持久化攻击。dm-verity就是通过vbmeta的信息对content的内容进行完整性保护的。这与system分区受到的完整性保护机制是一致的。

下面我们主要介绍content中的内容。其中，manifest.json是配置文件，和APEX包根目录下的manifest.json内容是一样的。file1和file2是要更新的系统文件。

file_contexts文件用来指定file1和file2文件的SELinux上下文：

fs_config文件用来指定file1和file2文件的UID/GID：

如果APEX模块包含bin文件，那么可以在Image文件中指定ld.config.txt文件，用来描述该bin文件的LinkerNamespace。LinkerNamespace也是Treble引进的技术，用来隔离VNDK中不同Linker Namespace中的共享库，以确保具有相同库名称和不同符号的库不会发生冲突。

ld.config.txt的部分内容如下所示：

其中，第1行和第6行表示，当执行/apex/com.android.apex.text/bin目录下的bin文件时，将/apex/com.android.apex.test/${LIB}增加到它的动态库搜索路径中去。这样更新后的bin可以使用自带的so库代替原系统中的so库。

APEX模块是由系统服务ApexService管理的，它主要提供的功能有：

stagePackage：将APEX文件拷贝到/data/apex目录，并且命名为@.apex的形式
activatePackage：将APEX文件中的image.img挂载到/apex/@
deactivatePackage：取消/apex/@的挂载，并删除文件夹

在系统正常运行期间，系统将APEX文件拷贝到/data/apex目录下。等到下次开机时，ApexService就会自动通过activatePackage激活APEX模块，实现替换系统原有的APEX模块的功能。

以com.android.apex.test为例，APEX模块的激活过程如下所示：

Step 1：从/data/apex/com.android.apex.text@1.apex中提取image.img文件。

Step 2：为image.img文件创建一个Loop Device。

Step 3：使用预置在系统中的/system/etc/security/apex/apex.key检验image.img的vbmeata签名。

Step 4：为Step 2中的Loop Device创建Verity Deivce，以便可以通过dm-verity保护image.img内容的完整性，防止持久化攻击。

Step 5：将VerityDeivce挂载在/apex/com.android.apex.test@1中。

Step 6：为/apex/com.android.apex.test@1创建符号链接/apex/com.android.apex.test。

从这个APEX模块的激活流程可以看到，一方面APEX模块受到dm-verity完整性保护，另一方面APEX模块通过版本号管理。其中，/apex/总是链接到最新版本的APEX模块。

APEX模块激活之后，它是如何替换系统中原来的模块的呢？被替换的模块可能是：

配置文件（com.android.tzdata）
ELF可执行文件（com.android.runtime）
SO库文件（com.android.runtime/com.android.resolv）
JAR库文件（com.android.conscrypt）

不同类型的文件使用的替换方式是不一样的，我们分别介绍。

首先是配置文件，以com.android.tzdata为例，TimeZone信息是由libc负责读取的，它在读取的过程中，会优先检查/apex/com.android.tzdata下是否存在tzdata。如果存在，就会优先使用它：

*https://android.googlesource.com/platform/bionic/+/master/libc/tzcode/bionic.cpp

其次是ELF可执行文件，它所在的目录会被添加PATH环境变量中，以com.android.runtime为例，/apex/com.android.runtime/bin目录将会添加到PATH环境变量中：

*https://android.googlesource.com/platform/bionic/+/master/libc/include/paths.h

SO库文件和JAR库文件与ELF可执行文件类型，分别会被添加到各自的搜索路径中。

其中，将APEX模块中的SO库文件添加到搜索路径是在system/etc/ld.config.txt中配置的，以com.android.runtime为例：

*https://android.googlesource.com/platform/system/core/+/master/rootdir/etc/ld.config.txt

JAR库文件会被添加到BOOTCLASSPATH环境变量中，以com.android.conscrypt为例：

*https://android.googlesource.com/platform/build/+/master/target/product/base_system.mk

以上就是Android Q系统组件更新机制APEX。通过APEX，可以像更新APK一样更新系统组件，以快速解决Android系统的碎片化（兼容性）问题。我们也可以将APEX看作是Android系统的热更新机制。不过，从目前的热更新方式来看，只有预先指定的模块才可以进行热更新，不可以进行任意文件的更新。这是一个比较大的限制，不知道Google是否会考虑更灵活的方式，做到任意文件都可以进行热更新（使用Magisk的Magic Mount技术，或者overlayfs技术）。

转载自微信公众号：OPPO新技术

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/9crfHyAiNUoLa6di9aQA3g

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