Android APK安装与卸载机制

本文主要介绍Android系统如何实现APK安装、卸载、更新等操作。主要内容包括以下内容：

1. 安装和卸载APK的方法有哪些，每种方法实现的原理是什么？
2. APK安装和卸载过程中，系统数据发生了哪些变化？
3. Android App端常用的Package Manager使用方法简介。

注：本文是在本人阅读、<深入理解Android卷II>、以及网络中关于Android安装方式的基础上完成的。本人的主要工作在于阅读相关部分的Android源代码，并制作相应代码调用的时序图；尝试将所阅读的文章中的安装方法付诸实施。

1. APK安装卸载方法及原理浅析

1.1 APK安装方式

常见的APK安装方式有以下几种：

安装方式	触发时机	面向的用户类型
系统自带和厂商预装	系统首次启动	System Designer
adb命令安装	使用adb push命令	Programmer
adb命令安装	使用adb (shell pm) install命令	Programmer
网络下载应用安装	下载完成之后安装	User
第三方应用安装(PackageInstaller.apk等）	通过SdCard中的APK安装	User

1.2 APK安装、卸载原理浅析

Android系统中，APK安装、卸载的原理，与Windows系统软件安装(具体原理参考软件安装原理、MSI文件简介)的基本原理类似。

• APK安装可以归结为以下几个过程：
  1. 将APK文件复制到指定的目录下；
  2. 解压APK，拷贝文件，创建应用的数据目录；
  3. 把dex文件(Dalvik字节码)保存到dalvik-cache目录；
  4. 解析APK的AndroidManifest.xml文件，将其中声明的组件等信息保存在PMS中；更新PMS中相应的数据结构。
  5. 其他操作；
• APK卸载：将APK文件、data/data/pacakgeName/、dalvik-cache目录中相应的文件删除;并更新PMS中相应的数据结构。

1.3 APK几种安装方式异同点

1. 系统自带的应用以及厂商预装的应用等，在手机首次启动时，会通过扫描/system/app/、/system/framework/、/vendor/app/等目录下面的APK文件，完成安装；如果是Android的原生系统，或者cm等系统，则没有/vendor/app/目录。
2. 通过adb push命令可以将APK文件推送到/system/app/、/system/framework/、/vendor/app/、/data/app/等目录下面，然后再次启动手机设备，便可以完成安装过程。具体命令如下：

   adb root
    adb push flyflow-release.apk /system/app
    adb reboot

   使用该方式安装APK，具有以下特点：
   • 使用这种方式安装APK时，要求手机被完全root，可以通过PC端获取root权限。
   • 如果将APK文件推送到/system/app/、/system/framework/、/vendor/app/目录下，该App便成为系统预装App，没有root权限不能卸载该应用。
   • 使用该种方式安装的APK，于系统自带的App以及厂商预装的App安装方式一样，也是通过PMS扫描相应的文件夹完成。
3. 使用adb install命令安装APK。常用的命令如下：

   adb install flyflow-release.apk

   adb shell pm install flyflow-release.apk

   这两种命令最终都会调用Android端的/bin/pm的install命令完成安装。

4. 网络应用下载安装APK之后，会调用PackageManager的installPackage(*)方法完成安装工作；该方法最终会调用PackageManagerService中的installPackage来完成APK安装。可通过以下形式实现验证： a) 将APK文件实现放入sdcard中； b) 设计一个Android InstallDemo，包含一个按钮，点击按钮便会调用installPackage方法进行安装。其中installPackage安装的文件为步骤a中的APK； 注意事项有：

   • 该实验在安装的过程中，要求InstallDemo工程具有INSTALL_PACKAGES权限。

5. 使用PackageInstaller.apk进行安装时，其启动PackageInstallerActivity来完成安装包解析；在解析完成并得到用户的安装确认之后，启动 InstallAppProgress并调用安装接口pm.installPackage进行安装。（该方式未进行深入调研，道听途说）

2. PMS安装APK的过程解析

本节详细介绍APK的几种安装方式，主要包括开机扫描安装、adb install命令安装等。

2.1 扫描安装过程解析

Android设备在启动的过程中，会扫描本地安装的所有的App。整个扫描过程可以通过以下流程图来说明： 扫描安装过程分析如下：

1. 在PackageManagerService构造函数中，扫描各个APK目录之前会创建一个Settings对象mSettings。其中Settings类负责读取系统的配置信息，主要解析的文件有packages.xml、packages-stopped.xml等文件。会将解析的信息分别存入mPackages、mRenamedPackages、mDisableSysPackages等数据结构中。重要的函数调用有:

   mRestoredSettings = mSettings.readLPw(this, sUserManager.getUsers(false),mSdkVersion, mOnlyCore);

2. 开机启动时会以此扫描目录：/system/app、/system/framework、 /vendor/app、/data/app等。具体调用有： 
3. 扫描每个APK目录的核心代码如下：
   

   // scanDirLI(**)
   for (File file : files) {
     final boolean isPackage = (isApkFile(file) || file.isDirectory())
             && !PackageInstallerService.isStageName(file.getName());
     if (!isPackage) { // Ignore entries which are not packages
          continue;
      }
      try {
          scanPackageLI(file, parseFlags | PackageParser.PARSE_MUST_BE_APK,
                  scanFlags, currentTime, null);
      } catch (PackageManagerException e) {
          // exception process
          .....
   }
   

4. scanPackageLI(File scanFile,...)该函数负责完成APK的扫描工作，APK的扫描工作具体有PackageParser.parsePackage(*)完成。在扫描过程中，会解析AndroidManifiest.xml文件等信息，并将扫描结果存放在PackageParser.Package对象中。
5. 在完成包的信息解析之后需要完成包信息同步工作,主要因为：scanPackageLI扫描到的APK可能是已经更名的包、disable的包、需要升级的包、已经安装并且签名冲突的包、被非系统级包替代系统包的情况，需要对这些情况一一处理，保证信息的正确性。
6. 如果Package需要Rename或者Update则会进行签名比较，以防止签名不一致的情况；
7. 最终会调用scanPackageLI（PackageParser.Package,....)函数完成实际的Package安装或更新操作。
8. 在扫描过程中，Package的Rename、Update、Install操作都是由scanPackage(PackageParser,int,int,long,UserHandler)来完成.该函数会调用scanPackageDirtyLI(...)完成具体的操作。scanPackageDirtyLI函数在后续章节会分析。

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2.2 adb命令安装过程解析

Android adb的实现原理见adb原理与adb常用命令。在Console中输入adb的命令，最终会使用android /platform/system/core/adb/commandline.c 进行命令解析。

2.2.1 adb install命令

adb命令的intall命令在commandline.c中对应的实现函数为install_app(....),该函数的代码有如下调用：

if (!(err = do_sync_push(filename, to, 1 /* verify APK */))) {
        /* file in place; tell the Package Manager to install it */
        argv[argc - 1] = to;      
        /* destination name, not source location */
        pm_command(transport, serial, argc, argv);
        delete_file(transport, serial, to);
}

pm_command(...)函数实现如下：

static int pm_command(transport_type transport, char* serial,
                      int argc, char** argv)
{
    char buf[4096];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "shell:pm");
    while(argc-- > 0) {
        char *quoted;
        quoted = dupAndQuote (*argv++);
        strncat(buf, " ", sizeof(buf)-1);
        strncat(buf, quoted, sizeof(buf)-1);
        free(quoted);
    }
    send_shellcommand(transport, serial, buf);
    return 0;
}

pm_command通过最终通过send_shellcommand(...)将数据发送到手机端的adbd守护进程中；adbd在收到PC的Console发来的数据之后，会启动一个Shell，然后执行pm。

2.2.2 adb shell pm命令

Android设备端pm命令位于/system/bin目录下，其是一个脚本，具体内容如下：

#!/system/bin/sh
base=/system
export CLASSPATH=$base/framework/pm.jar
exec app_process $base/bin com.android.commands.pm.Pm "$@"

1. 从上面脚本可以看出，pm命令通过app_process执行pm.jar包的main函数;
2. Android系统中常用的monkey、pm、am等脚本都是使用该方式来运行;
3. pm.jar对应的类为com.android.commands.pm.Pm，具体的安装函数由runInstall来实现。该函数解析剩余的install命令参数，并最终调用以下代码完成安装：

// Populate verificationURI, optionally present
 final String verificationFilePath = nextArg();
 if (verificationFilePath != null) {
     System.err.println("\tver: " + verificationFilePath);
     verificationURI = Uri.fromFile(new File(verificationFilePath));
 } else {
     verificationURI = null;
 }

 LocalPackageInstallObserver obs = new LocalPackageInstallObserver();
 try {
     VerificationParams verificationParams = new VerificationParams(verificationURI,originatingURI, 
        referrerURI, VerificationParams.NO_UID, null);
     // 调用PMS完成安装
       mPm.installPackageAsUser(apkFilePath, obs.getBinder(), installFlags,
             installerPackageName, verificationParams, abi, userId);
      // 安装结果后续处理
    ....
 } catch (RemoteException e) {
     System.err.println(e.toString());
     System.err.println(PM_NOT_RUNNING_ERR);
     return 1;
 }

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2.3 PMS中相关代码分析

adb安装命令最终调用PMS中的installPackageAsUser函数进行APK安装。整个过程的时序图如下图所示： 安装APK的过程中具有以下特征：

• installPackageAsUser函数检查客户端进程是否具有安装Package的权限，其中Shell和root进程都是具有该权限的。
• installPackageAsUser函数会向PackageHandler发送一个INIT_COPY的消息，由PackageHandler来完成APK安装；
• PackageHandler会调用InstallParms中的handleStartCopy()和handleReturnCode函数完成相应的操作。
• 在handleStartCopy函数里完成的事情有：
  • 根据adb install的参数，判断安装位置；
  • 调用DeviceStorageMonitorService判断是否有足够的空间完成APK安装，并给出APK推荐的安装路径；
  • 创建一个安装参数(如果安装在内部存储空间时，该参数是一个FileInstallArgs对象）以便后续安装使用；
  • 调用InstallArgs的copyApk函数将APK从临时目录复制到指定的目录中；
• 通过adb命令安装APK时，最终也是调用scanPackageDirLI函数完成APK安装。
• 在该过程中，会判断是新安装一个APK还是覆盖更新安装APK。针对不同的情况会进行特殊的处理。
• 在安装完成之后，processPendingInstall函数会想PackageHandler发送一个POST_INSTALL消息。然后在该消息的处理中，会根据APK的安装情况，发送相应的广播信息。

3. APK安装核心函数ScanPackageDirtyLI函数分析

从上述过程可以看出，不论是开机扫描安装APK，还是通过adb命令安装APK，最终都会调用scanPackageDirtyLI函数进行APK安装。该函数的流程图如下图所示：  该函数完成的主要工作有：

• 初始化Package的数据目录和资源目录；
• 如果需要则更新已有的Package的共享代码库；
• 如果安装时传递了签名信息，则验证签名信息的合法性；
• 验证新安装的APK中的Provider是否与系统中现有的Provider有冲突，并进行相应的处理；
• 如果新安装APK需要使用其他Package的权限，则进行相应处理；
• 调用createDataDirsLI()安装APK；
• 设置本地lib路径；
• 安装成功之后将Package信息更新到PMS和Setting相应的数据结构中；
• 设置APK安装时间；
• 设置APK的Provider信息，将Provider添加到相应的数据结构中；
• 设置权限组和权限信息；
• 该函数的主要工作便是将安装的APK的信息添加到PMS中，比如讲Provider、Activity、Service、Receiver等组件信息添加到相应的数据结构中，以便其他函数能够查询到。
• 在该函数中还对framework-res.apk进行特殊的信息处理。framework-res.apk中主要包含以下信息：
  • 几个常用的Activity：ChooserActivity、ShutdownActivity、RingtonePckerActivity；
  • framework-res.apk与PMS联系紧密，其中PMS中的mPlatformPackage成员存储该Package信息；mAndroidApplicatioin保存该Package的ApplicationInfo信息；mResolveActivity表示ChooserActivity信息的ActivityInfo;mResolveInfo存储系统解析的Intent后得到的结果信息。

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3.2 createDataDirsLI分析

上个小节已经说明，scanPackageDirLI函数会调用createDataDirsLI的函数来完成安装。该函数主要做了两件事情：

• 调用mInstaller.install()函数完成APK安装;
• 调用mInstaller.createUserData()函数创建用户信息。 其中mInstaller是在PMS.main()函数中传递进来的Installer对象。该函数代码如下：

  private int createDataDirsLI(String packageName, int uid, String seinfo) {
        int[] users = sUserManager.getUserIds();
        int res = mInstaller.install(packageName, uid, uid, seinfo);
        if (res < 0) {
            return res;
        }
        for (int user : users) {
            if (user != 0) {
                res = mInstaller.createUserData(packageName,
                        UserHandle.getUid(user, uid), user, seinfo);
                if (res < 0) {
                    return res;
                }
            }
        }
        return res;
  }

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3.3 Installer介绍

通过Installer类中install函数代码如下：

public int install(String name, int uid, int gid, String seinfo) {
    StringBuilder builder = new StringBuilder("install");
    builder.append(' ');
    builder.append(name);
    builder.append(' ');
    builder.append(uid);
    builder.append(' ');
    builder.append(gid);
    builder.append(' ');
    builder.append(seinfo != null ? seinfo : "!");
    return mInstaller.execute(builder.toString());
}

分析得出以下结论： 1. Installer.install()函数和createUserData()进行完成了命令组装工作，在组装完命令之后，将命令传递给InstallerConnection处理。 通过分析InstallerConnection.java得到以下结论： 1. InstallerConnection连接一个名为Installd的服务 2. Install具体的命令有Installd完成。 其中InstallerConnnection.connect()函数代码如下：

private boolean connect() {
        if (mSocket != null) {
            return true;
        }
        Slog.i(TAG, "connecting...");
        try {
            mSocket = new LocalSocket();
            LocalSocketAddress address = new LocalSocketAddress("installd",
                    LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED);
            mSocket.connect(address);
            mIn = mSocket.getInputStream();
            mOut = mSocket.getOutputStream();
        } catch (IOException ex) {
            disconnect();
            return false;
        }
        return true;
}

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3.4 Installed介绍

Installd是一个native进程，该进程启动一个socket，然后处理来之Installer的命令。Installd的实现原理可以参考博文Android安装服务installd源码分析。 installd源码位于frameworks/base/cmds/installd目录下，其中install操作对应的源代码在frameworks/base/cmds/installd/commands.c中，具体代码如下：

int install(const char *pkgname, uid_t uid, gid_t gid)
{
    char pkgdir[PKG_PATH_MAX];//程序目录路径最长为256
    char libdir[PKG_PATH_MAX];//程序lib路径最长为256
    //权限判断
    if ((uid < AID_SYSTEM) || (gid < AID_SYSTEM)) {
        ALOGE("invalid uid/gid: %d %d\n", uid, gid);
        return -1;
    }
    //组合应用程序安装目录pkgdir=/data/data/应用程序包名
    if (create_pkg_path(pkgdir, pkgname, PKG_DIR_POSTFIX, 0)) {
        ALOGE("cannot create package path\n");
        return -1;
    }
    //组合应用程序库目录libdir=/data/data/应用程序包名/lib
    if (create_pkg_path(libdir, pkgname, PKG_LIB_POSTFIX, 0)) {
        ALOGE("cannot create package lib path\n");
        return -1;
    }
    //创建目录pkgdir=/data/data/应用程序包名
    if (mkdir(pkgdir, 0751) < 0) {
        ALOGE("cannot create dir '%s': %s\n", pkgdir, strerror(errno));
        return -errno;
    }
    //修改/data/data/应用程序包名目录的权限
    if (chmod(pkgdir, 0751) < 0) {
        ALOGE("cannot chmod dir '%s': %s\n", pkgdir, strerror(errno));
        unlink(pkgdir);
        return -errno;
    }
    //创建目录libdir=/data/data/应用程序包名/lib
    if (mkdir(libdir, 0755) < 0) {
        ALOGE("cannot create dir '%s': %s\n", libdir, strerror(errno));
        unlink(pkgdir);
        return -errno;
    }
    //修改/data/data/应用程序包名/lib目录的权限
    if (chmod(libdir, 0755) < 0) {
        ALOGE("cannot chmod dir '%s': %s\n", libdir, strerror(errno));
        unlink(libdir);
        unlink(pkgdir);
        return -errno;
    }
    //修改/data/data/应用程序包名目录的所有权限
    if (chown(libdir, AID_SYSTEM, AID_SYSTEM) < 0) {
        ALOGE("cannot chown dir '%s': %s\n", libdir, strerror(errno));
        unlink(libdir);
        unlink(pkgdir);
        return -errno;
    }
    //修改/data/data/应用程序包名/lib目录的所有权限
    if (chown(pkgdir, uid, gid) < 0) {
        ALOGE("cannot chown dir '%s': %s\n", pkgdir, strerror(errno));
        unlink(libdir);
        unlink(pkgdir);
        return -errno;
    }
    return 0;
}

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4. APK的卸载

从Installd的实现中，我们可以看到unInstall操作其实就是删除相应的数据文件和资源文件。unInstall的具体实现如下:

int uninstall(const char *pkgname, uid_t persona)
{
    char pkgdir[PKG_PATH_MAX];
    if (create_pkg_path(pkgdir, pkgname, PKG_DIR_POSTFIX, persona))
        return -1;
    /* delete contents AND directory, no exceptions */
    return delete_dir_contents(pkgdir, 1, NULL);
}

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5. 待完成的任务

1. PackageInstaller.apk等第三方App如何实现APK安装；
2. 如何重命名一个APK，以及更换APK的ICON；
3. 通过adb push命令将APK安装包推送到/system/app能否实时触发APK安装；
4. APK安装完成之后，是否能立即查询到该APK信息；卸载完成之后，是否可立即判断当前的包已经被卸载；
5. 制作Demo完成APK安装，使用命令完成APK安装；
6. 如何通过APK安装/卸载的广播进行相关编程；

6.小结

1. adb的实现机制
2. Content Provider命名、自定义Permission命名等需要保证全局唯一；
3. 安装、卸载完成会发送广播；
4. Pm、monkey、Am脚本的实现机制；
5. 可以通过adb push或者直接将APK放入到/system/app、/vendor/app完成预置操作；
6. 如果遇到安装失败的情况，终极方案直接删除相应的文件，并重启手机；
7. 一台PC最多同时连接16个device/emulator；
8. /data/data//该文件的权限为751； /data/data//lib该目录的权限为755，说明每个App的lib是所有用户可读可运行的。

7.参考文献

1. <深入理解Android卷II>
3. In Depth: Android Package Manager and Package Installer
4. APK安装过程及原理详解
5. Android应用程序安装过程源代码分析
6. Android内核开发：浅析APK的安装过程
7. android APK应用安装过程以及默认安装路径
8. Android应用安装过程及原理
9. ADB原理与adb常用命令