APK文件结构和安装过程

APK文件结构
Android应用是用Java编写的，利用Android SDK编译代码，并且把所有的数据和资源文件打包成一个APK (Android Package）文件，这是一个后缀名为.apk的压缩文件，APK文件中包含了一个Android应用程序的所有内容，是Android平台用于安装应用程序的文件。APK就是一个zip压缩包，解开这个APK包我们可以看到以下的结构：

Figure 1 APK文件结构
1) assets目录：用于存放需要打包到APK中的静态文件，和res的不同点在于，assets目录支持任意深度的子目录，用户可以根据自己的需求任意部署文件夹架构，而且res目录下的文件会在.R文件中生成对应的资源ID，assets不会自动生成对应的ID，访问的时候需要AssetManager类。
2) lib目录：这里存放应用程序依赖的native库文件，一般是用C/C++编写，这里的lib库可能包含4中不同类型，根据CPU型号的不同，大体可以分为ARM，ARM-v7a，MIPS，X86，分别对应着ARM架构，ARM-V7架构，MIPS架构和X86架构，这些so库在APK包中的构成如下图Figure2：

Figure 2 lib目录结构
其中，不同的CPU架构对应着不同的目录，每个目录中可以放很多对应版本的so库，且这个目录的结构固定，用户只能按照这个目录存放自己的so库。目前市场上使用的移动终端大多是基于ARM或者ARM-V7a架构的，X86和MIPS架构的移动智能终端比较少，所以有些应用程序lib目录下只包含armeabi目录或者armeabi-v7a目录，也就是说，这四个目录要根据CPU的架构来选，而市面上ARM架构的手机占大多数，所以一般的APK只包含ARM和ARM-V7a的so。
3) res目录：res是resource的缩写，这个目录存放资源文件，存在这个文件夹下的所有文件都会映射到Android工程的.R文件中，生成对应的ID，访问的时候直接使用资源ID即R.id.filename，res文件夹下可以包含多个文件夹，其中anim存放动画文件；drawable目录存放图像资源；layout目录存放布局文件；values目录存放一些特征值，colors.xml存放color颜色值，dimens.xml定义尺寸值，string.xml定义字符串的值，styles.xml定义样式对象；xml文件夹存放任意xml文件，在运行时可以通过Resources.getXML()读取；raw是可以直接复制到设备中的任意文件，他们无需编译。
4) META-INF目录：保存应用的签名信息，签名信息可以验证APK文件的完整性。AndroidSDK在打包APK时会计算APK包中所有文件的完整性，并且把这些完整性保存到META-INF文件夹下，应用程序在安装的时候首先会根据META-INF文件夹校验APK的完整性，这样就可以保证APK中的每一个文件都不能被篡改。以此来确保APK应用程序不被恶意修改或者病毒感染，有利于确保Android应用的完整性和系统的安全性。META-INF目录下包含的文件有CERT.RSA，CERT.DSA，CERT.SF和MANIFEST.MF，其中CERT.RSA是开发者利用私钥对APK进行签名的签名文件，CERT.SF，MANIFEST.MF记录了文件中文件的SHA-1哈希值。
5) AndroidManifest.xml：是Android应用程序的配置文件，是一个用来描述Android应用“整体资讯”的设定文件，简单来说，相当于Android应用向Android系统“自我介绍”的配置文件，Android系统可以根据这个“自我介绍”完整地了解APK应用程序的资讯，每个Android应用程序都必须包含一个AndroidManifest.xml文件，且它的名字是固定的，不能修改。我们在开发Android应用程序的时候，一般都把代码中的每一个Activity，Service，Provider和Receiver在AndroidManifest.xml中注册，只有这样系统才能启动对应的组件，另外这个文件还包含一些权限声明以及使用的SDK版本信息等等。程序打包时，会把AndroidManifest.xml进行简单的编译，便于Android系统识别，编译之后的格式是AXML格式，如下图Figure3所示：

Figure 3 AXML格式
axml头：其中的axml头是固定标识axml文件的，其值固定时0x00080003。
axml文件长度：标识axml文件的大小。
StringDataSegment：xml文件中所有字符串类型保存在此。
ResourceIdSegment：xml文件中声明的资源文件ID保存于此。
XmlContentSegment：是xml的内容段，按照xml文件中的结构依次排开，保存xml的数据内容。
6) classes.dex：
传统的Java程序，首先先把Java文件编译成class文件，字节码都保存在了class文件中，Java虚拟机可以通过解释执行这些class文件。而Dalvik虚拟机是在Java虚拟机进行了优化，执行的是Dalvik字节码，而这些Dalvik字节码是由Java字节码转换而来，一般情况下，Android应用在打包时通过AndroidSDK中的dx工具将Java字节码转换为Dalvik字节码。dx工具可以对多个class文件进行合并，重组，优化，可以达到减小体积，缩短运行时间的目的。dx工具的转换过程如图所示：

Figure 4 dx工具把.class文件转换成dex文件
如图Figure 4，dx工具把每个.class文件的每个区域的内容进行去重，重组，优化重排后生成dex文件，生成的dex文件可以在Dalvik虚拟机执行，且速度比较快。
7) resources.arsc：用来记录资源文件和资源ID之间的映射关系，用来根据资源ID寻找资源。Android的开发是分模块的，res目录专门用来存放资源文件，当在代码中需要调用资源文件时，只需要调用findviewbyId()就可以得到资源文件，每当在res文件夹下放一个文件，aapt就会自动生成对应的ID保存在.R文件，我们调用这个ID就可以，但是只有这个ID还不够，.R文件只是保证编译程序不报错，实际上在程序运行时，系统要根据ID去寻找对应的资源路径，而resources.arsc文件就是用来记录这些ID和资源文件位置对应关系的文件。
APK安装过程
Adroid的应用安装涉及到如下几个目录：
/data/app：存放用户安装的APK的目录，安装时，把APK拷贝于此。
/data/data：应用安装完成后，在/data/data目录下自动生成和APK包名（packagename）一样的文件夹，用于存放应用程序的数据。
/data/dalvik-cache：存放APK的odex文件，便于应用启动时直接执行。
具体安装过程如下：
首先，复制APK安装包到/data/app下，然后校验APK的签名是否正确，检查APK的结构是否正常，进而解压并且校验APK中的dex文件，确定dex文件没有被损坏后，再把dex优化成odex，使得应用程序启动时间加快，同时在/data/data目录下建立于APK包名相同的文件夹，如果APK中有lib库，系统会判断这些so库的名字，查看是否以lib开头，是否以.so结尾，再根据CPU的架构解压对应的so库到/data/data/packagename/lib下。
APK安装的时候会把DEX文件解压并且优化位odex，odex的格式如Figure 5图所示：

Figure 5 odex文件格式
odex在原来的dex文件头添加了一些数据，在文件尾部添加了程序运行时需要的依赖库和辅助数据，使得程序运行速度更快。