android apk安装原理分析

参考了网上的资料和源码，肤浅分析了下，不够深入。

Android APK安装原理分析

一、概述
APK是Android Package的缩写，即Android安装包。
APK安装可以通过以下四种方式：
1. 系统应用安装，开机时完成系统应用的检查，没安装就安装，安装就跳过，无安装界面。
2. 网络下载应用安装，通过market应用完成，无安装界面。
3. ADB工具安装，无安装界面
4. 通过SD卡来安装apk，有安装界面，由packageinstaller.apk应用处理安装及卸载过程的界面。

应用安装涉及到如下几个目录：
system/app 系统自带的应用程序，无法删除
data/app 用户程序安装的目录，有删除权限
data/data 存放应用程序的数据
Data/dalvik-cache 将apk中的dex文件安装到dalvik-cache目录下
(dex文件是dalvik虚拟机的可执行文件,其大小约为原始apk文件大小的四分之一)

二、系统应用安装
PackageManagerService处理各种应用的安装，卸载，管理等工作，系统启动时由systemServer开启此服务。
@ frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java
...
Slog.i(TAG, "Package Manager");
pm = PackageManagerService.main(context, factoryTest != SystemServer.FACTORY_TEST_OFF);
...

@ frameworks/base/services/java/com/android/server/PackageManagerService.java
public static final IPackageManager main(Context context, boolean factoryTest) {
PackageManagerService m = new PackageManagerService(context, factoryTest);
ServiceManager.addService("package", m); // 将PackageManagerService添加到ServiceManager中。
return m;
}

上面new一个PackageManagerService出来，当然首先调用的函数是他的构造函数了，那么系统应用都是在这个函数中完成安装的。

public PackageManagerService(Context context, boolean factoryTest) {
...
addBootEvent(new String("Android:PackageManagerService_Start"));
mNoDexOpt = "eng".equals(SystemProperties.get("ro.build.type"));
...
Installer installer = new Installer();
// 这个Installer类其实是利用socket和installd(c语言)通讯来实现安装，关于installd的实现另外分析。
if (installer.ping() && Process.supportsProcesses()) {
mInstaller = installer;
} else {
mInstaller = null;
}
...
File dataDir = Environment.getDataDirectory();
mAppDataDir = new File(dataDir, "data"); // /data/data
mSecureAppDataDir = new File(dataDir, "secure/data"); // /data/secure/data
mDrmAppPrivateInstallDir = new File(dataDir, "app-private"); // /data/app-private

...
long startTime = SystemClock.uptimeMillis();
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_START"));
...
int scanMode = SCAN_MONITOR | SCAN_NO_PATHS;
if (mNoDexOpt) {
Slog.w(TAG, "Running ENG build: no pre-dexopt!");
scanMode |= SCAN_NO_DEX;
}
...
mFrameworkDir = new File(Environment.getRootDirectory(), "framework"); // /system/framework
mDalvikCacheDir = new File(dataDir, "dalvik-cache"); // /data/dalvik-cache

// 对apk中的DEX文件进行安装时优化，优化之后的ODEX文件存放在/data/dalvik-cache。

...
// 类PackageManagerService的内部类AppDirObserver实现了监听某个目录的功能，当把某个apk或者jar包放入被监听的目录，
将会被自动安装。
mFrameworkInstallObserver = new AppDirObserver(mFrameworkDir.getPath(), OBSERVER_EVENTS, true);
// 新建一个目录监听的对象
mFrameworkInstallObserver.startWatching(); // 开始监听这个目录
scanDirLI(mFrameworkDir, PackageParser.PARSE_IS_SYSTEM | PackageParser.PARSE_IS_SYSTEM_DIR,
scanMode | SCAN_NO_DEX, 0); // 扫描安装“system\framework”目录下的jar包。
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_done:" + mFrameworkDir.getPath().toString()));

// 扫描安装“system\app”目录下的各个系统应用。
mSystemAppDir = new File(Environment.getRootDirectory(), "app");
mSystemInstallObserver = new AppDirObserver(mSystemAppDir.getPath(), OBSERVER_EVENTS, true);
mSystemInstallObserver.startWatching();
scanDirLI(mSystemAppDir, PackageParser.PARSE_IS_SYSTEM
| PackageParser.PARSE_IS_SYSTEM_DIR, scanMode, 0);
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_done:" + mSystemAppDir.getPath().toString()));

// 扫描安装"/vendor/app"下的各应用, 源码和上面类似
...
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_done:" + mVendorAppDir.getPath().toString()));

// Prune删除 any system packages that no longer exist.
...

mAppInstallDir = new File(dataDir, "app");
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_data_start"));
mAppInstallObserver = new AppDirObserver(mAppInstallDir.getPath(), OBSERVER_EVENTS, false);
mAppInstallObserver.startWatching();
scanDirLI(mAppInstallDir, 0, scanMode, 0); // 扫描安装/data/app下面的应用。
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_data_done:" + mAppInstallDir.getPath().toString()));

// 扫描安装" data\app-private"目录，即安装DRM保护的APK文件。
mDrmAppInstallObserver = new AppDirObserver(mDrmAppPrivateInstallDir.getPath(), OBSERVER_EVENTS, false);
mDrmAppInstallObserver.startWatching();
scanDirLI(mDrmAppPrivateInstallDir, PackageParser.PARSE_FORWARD_LOCK, scanMode, 0);
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_data_done:" + mDrmAppPrivateInstallDir.getPath().toString()));
...
addBootEvent(new String("Android:PMS_scan_END"));
Slog.i(TAG, "Time to scan packages: " + ((SystemClock.uptimeMillis()-startTime)/1000f) + " seconds");

...
}
以上可以看出，主要的工作是由函数scanDirLI()来完成的。
private void scanDirLI(File dir, int flags, int scanMode, long currentTime) {
String[] files = dir.list();
if (files == null) {
Log.d(TAG, "No files in app dir " + dir);
return;
}

if (false) {
Log.d(TAG, "Scanning app dir " + dir);
}

int i;
for (i=0; i<files.length; i++) {
File file = new File(dir, files[i]);// 构造apk的全路径名字
if (!isPackageFilename(files[i])) {// 检查是否是以.apk结尾的文件，不是就跳过。
// Ignore entries which are not apk's
continue;
}
//安装apk文件，安装包解析器
PackageParser.Package pkg = scanPackageLI(file, flags|PackageParser.PARSE_MUST_BE_APK, scanMode, currentTime);
// Don't mess around with apps in system partition.
if (pkg == null && (flags & PackageParser.PARSE_IS_SYSTEM) == 0 &&
mLastScanError == PackageManager.INSTALL_FAILED_INVALID_APK) {
// Delete the apk
Slog.w(TAG, "Cleaning up failed install of " + file);
file.delete();
}
}
}
scanPackageLI函数扫描一个package，同时返回一个新解析出来的包。
private PackageParser.Package scanPackageLI(File scanFile,
int parseFlags, int scanMode, long currentTime) {
...
final PackageParser.Package pkg = pp.parsePackage(scanFile,
scanPath, mMetrics, parseFlags);
...
codePath = pkg.mScanPath;
// Set application objects path explicitly.
setApplicationInfoPaths(pkg, codePath, resPath);
// 通过解析安装包parsePackage获取到安装包的信息结构。
return scanPackageLI(pkg, parseFlags, scanMode | SCAN_UPDATE_SIGNATURE, currentTime);
}
private static void setApplicationInfoPaths(PackageParser.Package pkg, String destCodePath,
String destResPath) {
pkg.mPath = pkg.mScanPath = destCodePath;
pkg.applicationInfo.sourceDir = destCodePath;
pkg.applicationInfo.publicSourceDir = destResPath;
}
private PackageParser.Package scanPackageLI(PackageParser.Package pkg,
int parseFlags, int scanMode, long currentTime) {
File scanFile = new File(pkg.mScanPath);

// Protect for GMS2.2 NetworkLocation.apk will cause system can't boot normally
// on Android 2.3 above
if(pkg.packageName.equalsIgnoreCase("com.google.android.location")
&& (mSdkVersion >= 9) && (pkg.applicationInfo.targetSdkVersion <=){
Slog.w(TAG, "Target SDK version: " + mSdkVersion);
Slog.w(TAG, "Application SDK version: " + pkg.applicationInfo.targetSdkVersion);
Slog.w(TAG, "App SDK version is incompatible with Target SDK version, install failed.");
return null;
}

...
// Initialize package source and resource directories
...
// Check all shared libraries and map to their actual file path.
...
// Check if we are renaming from an original package name.
...

...
...

//最后会通过下面这个函数来实现真正的安装。
File dataPath;
if (mPlatformPackage == pkg) {
...
} else {
// This is a normal package, need to make its data directory.
boolean useEncryptedFSDir = useEncryptedFilesystemForPackage(pkg);
dataPath = getDataPathForPackage(pkg);
if (dataPath.exists()) {
...
mInstaller.install(pkgName, useEncryptedFSDir, pkg.applicationInfo.uid, pkg.applicationInfo.uid);
...
} else {
...
int ret = mInstaller.install(pkgName, useEncryptedFSDir, pkg.applicationInfo.uid,
pkg.applicationInfo.uid);
...
}
...
}
Installer类的实现位于文件： frameworks/base/services/java/com/android/server/Installer.java
该类实现的只是一个接口，使用socket来和c代码实现的installd进行通信，实际真正完成安装任务的installd服务
其源码位于：frameworks/base/cmds/installd
这部分在另外一篇文章中分析。

三、从Market上下载应用
Google Market应用需要使用gmail账户登录才可以使用，选择某一应用后，开始下载安装包，此过程中，在手机通知栏有进度条提示，下载完成后，会自动调用Packagemanager的接口安装，调用接口如下：

public void installPackage(final Uri packageURI, final IPackageInstallObserver observer, final int flags)
final Uri packageURI：文件下载完成后保存的路径
final IPackageInstallObserver observer：返回的安装结果
final int flags：安装的参数，从market上下载的应用，安装参数为-r (replace)

@ frameworks/base/services/java/com/android/server/PackageManagerService.java
/* Called when a downloaded package installation has been confirmed by the user */
public void installPackage(final Uri packageURI, final IPackageInstallObserver observer, final int flags) {
installPackage(packageURI, observer, flags, null);
}

/* Called when a downloaded package installation has been confirmed by the user */
public void installPackage(final Uri packageURI, final IPackageInstallObserver observer, final int flags,
final String installerPackageName) {
mContext.enforceCallingOrSelfPermission(android.Manifest.permission.INSTALL_PACKAGES, null);

Message msg = mHandler.obtainMessage(INIT_COPY);
msg.obj = new InstallParams(packageURI, observer, flags,
installerPackageName);
mHandler.sendMessage(msg); // 安装过程非常耗时，所以使用了android的handler消息机制。
}
首先,参数封装成INIT_COPY message, 发到handlerThread，handlerThread收到message后, 将参数排队到mPendingInstalls中.
随后,MCS_BOUND流程将会处理这个队列, MCS_BOUND的整个安装流程借助了几个InstallParams和InstallArgs完成其中的参数和安装结果的传递，最终会调用processPendingInstall(), 进而调用到install过程的核心 installPackageLI()。
handleMessage()
--> doHandleMessage()
--> params.startCopy()
--> handleReturnCode()
--> processPendingInstall(mArgs, mRet)
--> installPackageLI(args, true, res);考虑了是否是新安装还是覆盖安装的情况。
private void installPackageLI(InstallArgs args,
boolean newInstall, PackageInstalledInfo res) {

...
boolean onSd = ((pFlags & PackageManager.INSTALL_EXTERNAL) != 0);
boolean replace = false;
...
res.returnCode = PackageManager.INSTALL_SUCCEEDED;
...
// Retrieve PackageSettings and parse package
...
// Get rid of all references to package scan path via parser.
...
if (replace) {
replacePackageLI(pkg, parseFlags, scanMode,
installerPackageName, res); // 覆盖安装
} else {
installNewPackageLI(pkg, parseFlags, scanMode,
installerPackageName,res); // 新安装
}
...
}
不管是新安装还是覆盖安装都会调用到函数scanPackageLI()中去，这个之后的流程就和系统应用一样了。

三、ADB安装apk
可以用3种方式来使用adb安装apk，直接push，adb install， abd shell pm。
直接push到system或者data的app目录，系统有实现自动监测这些app目录，只要有apk拷贝进来，会自动安装。
而后两种实现基本相同，adb instll的函数入口是frameworks/base/cmds/pm/src/com/android/commands/pm/pm.java,
adb shell pm实际上执行的一个linux命令，该命令没有源码，只有ELF文件位于目录frameworks/base/cmds/pm，编译的时候拷贝到system/bin目录下。见Android.mk文件：
include $(CLEAR_VARS)
ALL_PREBUILT += $(TARGET_OUT)/bin/pm
$(TARGET_OUT)/bin/pm : $(LOCAL_PATH)/pm | $(ACP)
$(transform-prebuilt-to-target)

分析pm.java的源码可以看出，pm.java中的各个函数的功能都是请求服务PackageManagerService中的接口来完成的。
public void run(String[] args) {
mPm = IPackageManager.Stub.asInterface(ServiceManager.getService("package"));
...
if ("install".equals(op)) {
runInstall();
return;
}
...
}
private void runInstall() {
int installFlags = 0;
String installerPackageName = null;

String opt;
while ((opt=nextOption()) != null) {
if (opt.equals("-l")) {
installFlags |= PackageManager.INSTALL_FORWARD_LOCK;
} else if (opt.equals("-r")) { // 指定覆盖安装
installFlags |= PackageManager.INSTALL_REPLACE_EXISTING;
} else if (opt.equals("-i")) {
installerPackageName = nextOptionData();
if (installerPackageName == null) {
System.err.println("Error: no value specified for -i");
showUsage();
return;
}
} else if (opt.equals("-t")) {
installFlags |= PackageManager.INSTALL_ALLOW_TEST;
} else if (opt.equals("-s")) {
// 指定安装至外部存储中，SD卡
installFlags |= PackageManager.INSTALL_EXTERNAL;
} else if (opt.equals("-f")) {
// 指定安装到内部flash
installFlags |= PackageManager.INSTALL_INTERNAL;
} else {
System.err.println("Error: Unknown option: " + opt);
showUsage();
return;
}
}

String apkFilePath = nextArg();
System.err.println("\tpkg: " + apkFilePath);
if (apkFilePath == null) {
System.err.println("Error: no package specified");
showUsage();
return;
}

PackageInstallObserver obs = new PackageInstallObserver();
try {
mPm.installPackage(Uri.fromFile(new File(apkFilePath)), obs, installFlags, installerPackageName);
// 调用了和从Market下载的应用安装相同的接口
...
} catch (RemoteException e) {
System.err.println(e.toString());
System.err.println(PM_NOT_RUNNING_ERR);
}
}

另外除了在pm后面跟上-s或者-f来指定apk安装位置之外，还可以使用pm的另外一个选项来指定：
adb shell pm setInstallLocation 0/1/2
0 [auto]: Let system decide the best location
1 [internal]: Install on internal device storage
2 [external]: Install on external media
而adb shell pm getInstallLocation可以得到当前的apk安装位置。
这是在命令行这样设置，然后再用adb install安装，或者直接在adb shell pm -r -s install来安装。
其实上面的设置如果要在代码中使用的话，可以在pm.java中找到可用接口runSetInstallLocation(),他实际上是调用了服务
PackageManagerService的接口：
public boolean setInstallLocation(int loc) {
mContext.enforceCallingOrSelfPermission(
android.Manifest.permission.WRITE_SECURE_SETTINGS, null);
if (getInstallLocation() == loc) {
return true;
}
if (loc == PackageHelper.APP_INSTALL_AUTO ||
loc == PackageHelper.APP_INSTALL_INTERNAL ||
loc == PackageHelper.APP_INSTALL_EXTERNAL) {
android.provider.Settings.System.putInt(mContext.getContentResolver(),
android.provider.Settings.Secure.DEFAULT_INSTALL_LOCATION, loc);
return true;
}
return false;
}

为了使apk可以使用app2sd工具来转移，那么在写代码的时候，需要有下面信息存在：
1. 首先让你的程序支持SD卡上安装必须具备设置API Level至少为8，即androidmanifest.xml的中android:minSdkVersion至少为8这样你的APK最终运行时兼容的固件只有2.2了，同时在androidmanifest.xml文件的根节点中必须加入android:installLocation这个属性，类似代码如下:
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
android:installLocation="preferExternal"
... >

2. android:installLocation的值主要有preferExternal、auto和internalOnly这三个选项，通常我们设置为preferExternal可以优先推荐应用安装到SD卡上，当然最终用户可以选择为内部的ROM存储上，如果外部存储已满，Android内部也会安装到内部存储上，auto将会根据存储空间自适应，当然还有一些应用可能会有特殊的目的，他们一般必须安装在内部存储才能可靠运行，设置为internalOnly比较合适，主要体现在：
Services 服务
Alarm Services 闹铃提醒服务
Input Method Engines 输入法引擎
Live Wallpapers 活动壁纸
Live Folders 活动文件夹
App Widgets Widget
Account Managers 账户管理
Sync Adapters 同步适配器
Device Administrators 设备管理器

那么哪些应用适合安装在SD卡中呢? Android开发网建议一些占用资源比较大的游戏，比如大于3MB的单个文件，不需要长期驻留内存的应用，不具备提醒和实时监控的应用一般放到SD卡上比较合适，不过目前想让你的应用装到SD卡上，必须设置API Level至少为8以上，同时显示注明android:installLocation。

四、安装sd卡上的apk
把APK安装包保存在SD卡中，从手机里访问SD卡中的APK安装包，点击就可以启动安装界面，系统应用Packageinstaller.apk处理这种方式下的安装及卸载。

PackageInstallerActivity负责解析包，判断是否是可用的Apk文件
创建临时安装文件/data/data/com.android.packageinstaller/files/ApiDemos.apk
并启动安装确认界面startInstallConfirm，列出解析得到的该应用基本信息。如果手机上已安装有同名应用，则需要用户确认是否要替换安装。
确认安装后，启动InstallAppProgress，调用安装接口完成安装。
pm.installPackage(mPackageURI, observer, installFlags);

五、其他
data/system/packages.xml文件中，保存了手机上所有已安装应用的基本信息，如安装路径，申请的permission等信息。

参考网址：
http://topic.csdn.net/u/20110410/23/43571cfa-87b2-4e36-880c-1fa499ba32b0.html
PackageInstaller 原理简述
http://www.dayoo.com/roll/201009/25/10000307_103589200.htm
在Android 2.2上设置程序默认安装SD卡
http://www.cnblogs.com/wisekingokok/archive/2011/08/26/2154505.html
让Android应用程序支持安装到SD卡（APP2SD）
http://www.61ic.com/Mobile/Android/201106/35012.html
Android APK安装到SD卡
http://www.ylmf.net/android/tips/2011012421766.html
Android软件从手机内存转移到存储卡
http://www.cnblogs.com/youxilua/archive/2011/11/25/2263825.html
android Handler 机制研究学习笔记

file list:
1 Pm.java (frameworks\base\cmds\pm\src\com\android\commands\pm):2
2 PackageManagerService.java (frameworks\base\services\java\com\android\server)
3 Pm.java (frameworks\base\cmds\pm\src\com\android\commands\pm)
4 PackageManager.java (frameworks\base\core\java\android\content\pm)
5 Search Results
6 Handler.java (frameworks\base\core\java\android\os)
7 MountService.java (frameworks\base\services\java\com\android\server)
8 Message.java (frameworks\base\core\java\android\os)
9 HandlerThread.java (frameworks\base\core\java\android\os)
0 ServiceConnection.java (frameworks\base\core\java\android\content)
A Process.java (frameworks\base\core\java\android\os)
B Context.java (frameworks\base\core\java\android\content)
C InstallAppProgress.java (packages\apps\packageinstaller\src\com\android\packageinstaller)
D Installer.java (frameworks\base\services\java\com\android\server)
E Installer.java (frameworks\base\services\java\com\android\server):2
F LocalSocket.java (frameworks\base\core\java\android\net)
G LocalSocketImpl.java (frameworks\base\core\java\android\net)
H LocalSocketAddress.java (frameworks\base\core\java\android\net)
I PackageParser.java (frameworks\base\core\java\android\content\pm)
J System.java (libcore\luni\src\main\java\java\lang)
K Environment.java (frameworks\base\core\java\android\os)
L File.java (libcore\luni\src\main\java\java\io)
M ServiceManager.java (frameworks\base\core\java\android\os)
N ServiceManager.java (frameworks\base\tools\layoutlib\bridge\src\android\os)
O SystemServer.java (frameworks\base\services\java\com\android\server)
P ActivityManagerService.java (frameworks\base\services\java\com\android\server\am)
Q PackageHelper.java (frameworks\base\core\java\com\android\internal\content)
R PackageManagerTests.java (frameworks\base\core\tests\coretests\src\android\content\pm)
S Settings.java (frameworks\base\core\java\android\provider)
T ApplicationSettings.java (packages\apps\settings\src\com\android\settings)
U DatabaseHelper.java (frameworks\base\packages\settingsprovider\src\com\android\providers\settings)
V PackageManagerHostTestUtils.java (frameworks\base\core\tests\hosttests\src\android\content\pm)
W FileObserver.java (frameworks\base\core\java\android\os)

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