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。

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