Android的APK安装过程 JVM Dalvik和ART等虚拟机区别以及DEX文件ODEX文件OAT文件区别

APK

apk全称是AndroidPackage，也就是Android安装包；APK的本质是一个zip压缩包，如果将后缀名改成.zip，就可以解压，APK 文件与 Zip 文件最大的一个不同是 APK 包含签名信息，用于保证安装包安全不被修改，解压后的目录有：

• res文件夹：用于存放Android资源文件的目录，里面有drawable图片资源，布局文件等，这里面的文件都是被编译过的（图片除外）
• assets目录：用于存放需要打包到APK中的静态文件，文件没有进行编译
• META-INF目录：即Metadata infomation元数据（又称中介数据、中继数据，用于描述数据的数据）信息目录，里面有MANIFEST.MF：摘要文件，列出了apk的所有文件，以及这些文件内容所对应的base64-encoded SHA1 哈希值，用于验证apk文件的完整性，判断apk是否被篡改；CERT.SF：摘要签名文件，它列出了MANIFEST.MF这个文件中每条信息的hash值，用于验证摘要文件是否被篡改；CERT.RSA：该文件保存了解密用的公钥，以及加密算法等信息等
• AndroidManifest.xml：Android的应用配置文件，描述了应用的总体信息，需要使用的用户权限以及组件等等，已被编译
• resources.arsc：资源配置文件，用于记录资源文件与资源id之间的映射关系，res/values中的信息大部分被编译在此处
• lib目录：Android依赖的Native库的目录，其中会根据不同的cpu架构分为多个子目录
• classes.dex：能用于dalvik执行的字节码，由多个.class的Java字节码文件组合而成

JVM Dalvik ART区别

虽然说Android是基于Java的，Java使用JVM，但是Google为了更好的适应手机的特性（其实就是当时手机的硬件资源很有限，直接使用JVM，效果差），在JVM的基础上优化出了Dalvik/ART虚拟机（由此引发了多年的官司，不过最终跟Oracle打赢官司的希望还是很渺茫的）

• JVM加载的是.class文件，Dalvik虚拟机加载的是.dex文件

• JVM基于栈，DVM基于寄存器：
  JAVA虚拟机基于栈结构，程序在运行时虚拟机需要频繁的从栈上读写数据，这个过程需要很多其它的指令分派与内存訪问次数，会耗费非常多CPU时间。
  Dalvik虚拟机基于寄存器架构。数据的訪问通过寄存器间直接传递，这种訪问方式比基于栈方式要快非常多

  以下面这段代码为例：

  public class Hello {
      public int calc(int a, int b) {
          return (a + b) * (a - b);
      }
  
      public static void main(String[] args) {
          Hello h = new Hello();
          System.out.print(h.calc(5, 3));
      }
  }
  

  将其编译成class文件后，通过javap -c Hello.class > hello.txt 反编译后打开hello.txt文件查看相关字节码

  public int calc(int, int);
  Code:
       0: iload_1 //将第二个int型本地变量推送至栈顶
       1: iload_2 // 将第三个int型本地变量推送至栈顶
       2: iadd // 将栈顶两int型数值相加并将结果推送至栈顶
       3: iload_1 // 将第二个int型本地变量推送至栈顶
       4: iload_2 // 将第三个int型本地变量推送至栈顶
       5: isub // 将栈顶两int型数值相减并将结果推送至栈顶
       6: imul // 将栈顶两int型数值相乘并将结果推送至栈顶
       7: ireturn // 从当前方法返回int值
  

  相同代码，编译成dex文件，再反编译，查看字节码

           0000: add-int  v0, v3, v4
           0002: sub-int  v1, v3, v4
           0004: mul-int/2addr  v0, v1
           0005: return  v0
  

  可以看到代码指令只有一半，运行的效率自然就要高很多了，执行流程如图
  

• 再来看看Android4.4新增加的ART，想了解它，首先了解JIT（Just In Time。即时编译技术）和AOT(Ahead Of Time，预编译技术)两种编译技术：
  JIT以JVM为例，javac把程序源代码编译成class字节码，JVM通过逐条解释字节码将其翻译成相应的机器指令，逐条读入，逐条解释翻译，运行速度必定比C/C++编译后的可运行二进制字节码程序慢，为了提高运行速度，就引入了JIT技术。JIT会在运行时分析应用程序的代码，识别哪些方法能够归类为热方法，这些方法会被JIT编译器编译成相应的汇编代码，然后存储到代码缓存中。以后调用这些方法时就不用解释运行了，能够直接使用代码缓存中已编译好的汇编代码，这能显著提升应用程序的运行效率（安卓Dalvik虚拟机在2.2中添加了JIT）

  相对的AOT就是指C/C++这类语言，编译器在编译时直接将程序源代码编译成目标机器码，运行时直接运行机器码。

  Dalvik虚拟机运行的是dex字节码，而ART虚拟机运行的是本地机器码

  Dalvik运行的是dex字节码，依靠JIT编译器去解释运行；运行时动态地将运行频率非常高的dex字节码翻译成本地机器码，然后再运行，可是将dex字节码翻译成本地机器码是发生在应用程序的运行过程中，而且应用程序每一次运行的时候，都要做一次这个翻译工作，因此即使使用了JIT，Dalvik虚拟机的整体性能还是不能与直接运行本地机器码的ART虚拟机相比

  在ART下，Android 应用在安装后，会进行一次预编译，将应用安装包中的dex字节码转换成机器码存储在本地（系统只能运行二进制程序），这样，应用在运行时，可以直接执行这些二进制程序，移除了运行时的解释运行，效率更高，启动更快，不过这样做导致了安装后应用所占的空间更大，安装时间更长

ART的运行原理：

• 在Android系统启动过程中创建的Zygote进程利用ART运行时导出的Java虚拟机接口创建ART虚拟机。

• APK在安装的时候，打包在里面的classes.dex文件会被工具dex2oat翻译成本地机器指令，最终得到一个ELF格式的oat文件。

• APK运行时，上述生成的oat文件会被加载到内存中，并且ART虚拟机可以通过里面的

  1.oatdata和oatexec段找到任意一个类的方法对应的本地机器指令来执行。
  2.oat文件中的oatdata包含用来生成本地机器指令的dex文件内容
  3.oat文件中的oatexec包含有生成的本地机器指令。

ART优点：

1. 系统性能的显著提升
2. 应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时
3. 更长的电池续航能力

ART缺点：

1. 更大的存储空间占用，可能会增加10%-20%
2. 更长的应用安装时间

DEX文件

对于android应用程序，本质上使用的是java开发，使用标准的java编译器编译出Class文件，和普通的java开发不同的地方是把class文件再重新打包成dex类型的文件，这种重新打包会对Class文件内部的各种函数表、变量表等进行优化，最终产生了dex文件

ODEX文件

odex文件是dalvik虚拟机对解压出来的class.dex文件做一定程度的优化，文件大小会减少，存放在/data/dalvik-cache目录下，这样做可以加快软件的启动速度，预先提取，减少对RAM的占用

不过，这个优化过程会根据不同设备上Dalvik虚拟机的版本、Framework库的不同等因素而不同。在一台设备上被优化过的ODEX文件，拷贝到另一台设备上不一定能够运行。

ODEX 文件比 DEX 文件更难反编译，这也在一定程度上提高了安全性，因此在一些系统预装或系统级应用大多采用了 ODEX 优化。

一般 ODEX 不直接运行，在 Dalvik 运行 ODEX 时，需要通过Just-In-Time(JIT)编译器进行优化，提高运行效率。JIT 是一种在运行时同步将字节码转化成机器码的编译器，Dalvik 直接运行转化后的机器码

ODEX的内容有odex文件头-dex文件-依赖库-辅助数据，odex文件在原来的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，使得程序运行速度加快。

OAT文件

OAT 文件是 ART 运行的文件，是一种二进制可运行文件，包含 DEX 文件和编译出的本地机器指令文件，其文件格式类似于网络数据报文，包含文件头和文件体，文件头的 oatdata、oatexec 和 oatlastword 字段分别描述 DEX 文件位置和本地机器指令的起止位置。因为 OAT 文件包含 DEX 文件，因此比 ODEX 文件占用空间更大

由于其在安装时打包在里面的classes.dex文件会被工具dex2oat翻译成本地机器指令，最终得到一个ELF格式的OAT文件，ART 加载 OAT 文件后不需要经过处理就可以直接运行，它没有了从字节码装换成机器码的过程，因此运行速度更快。

APK安装过程

一个APK放到手机上执行安装会涉及到如下几个目录

• /data/app：存放用户安装的apk，安装时会把apk复制到这里
• /data/data：应用安装完成后，会在该目录下生成与apk包名一样的文件夹，用于存放应用数据
• /data/dalvik-cache：存放apk的odex文件，便于应用启动时直接执行

首先，系统会把apk复制到/data/app下，然后通过META-INF下的文件校验apk的签名是否正确，检查apk的结构是否正常，进而解压并校验dex文件。如果dex文件没有被破坏，则会把dex文件优化为odex文件，使得程序的启动时间加快，同时，在/data/data目录下建立与apk包名相同的文件夹。如果apk中有Native库，lib目录的话，系统会判断so库的名字是否正确，并根据系统cpu架构解压对应的so库到/data/data/packagename/lib下。