插件化-Apk编译过程概述

2017-01-14 10:03:30来源:http://www.jianshu.com/p/80af7eb1c4f3作者:龙在唐朝人点击

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插件化-Apk编译过程概述
0x00

大致的看了一下目前插件化的开源实现,或多或少都会对Apk的编译过程做出改动,因此尝试分析了一下Apk的打包过程。一个Apk文件实际上就是一个zip压缩包,我们把一个Apk解压后,里面的内容类似下图。




里面每个文件是什么含义,我们待会再看。那么,如何生成一个Apk文件呢?通常情况下,我们使用一些构建工具来编译我们的工程,例如古老的Ant,maven,我们正在使用的gradle,以及更加黑科技的buck等,但是,这些构建工具并不直接作用于编译过程,打开sdk中的build-tools目录,如下




这些就是google为我们提供的工具,通过它们,我们得以将代码编译成Apk,构建工具只是这些的工具的封装。


0x01 HelloWorld

下面我们来尝试手动编译一个最简单的Apk。开始之前,先简单介绍一下我们要使用的工具。


aapt[Android Asset Packaging Tool]这个工具主要帮助我们处理资源文件,以及创建,更新,查看一个Apk文件。
dx,这个工具帮助我们把.class文件转换成一个dex文件,dex[Dalvik Executable]文件就是Dalvik虚拟机的可执行文件,这个文件的具体格式稍后会做简单的介绍。
zipalign,这个工具用来优化我们生成的apk文件,它将资源文件进行4字节对齐,当资源文件映射进内存时,对齐到4字节边界可以加快资源文件的访问速度。

还有两个我们使用的工具并没有出现这里,而是存在于JDK中。


javac,很常用的工具,用来将java源码文件编译成字节码文件
keytool,创建签名的工具
jarsigner,用来对生成的apk进行签名的工具

下面我们来开始编译helloWorld,首先我们编写了一个最简单的Apk。




这个工程只有一个Activity,并且不依赖任何库。


Step 1: 生成R.java文件


R.java是我们访问资源的必需品,R文件是一个普通的类,其中根据资源的类型有不同的静态内部类,每个静态内部类中的静态常量分别定义一条资源标示符,这个类并不是我们编写的而是由aapt工具生成的。
在工程的根目录,执行:


aapt package /   #打包资源文件
-f / #强制覆盖已有文件
-m / #使R文件在-J参数指定的位置生成
-S res / #资源目录
-J gen / #R.java的位置
-I $ANDROID_HOME/platforms/android-23/android.jar / #base-package
-M AndroidManifest.xml #清单文件的路径

Step 2: 编译代码


生成后的文件存放在gen目录下,有了R.java 我们就可以使用javac来编译我们的代码了,继续执行:


javac -classpath /                          #添加依赖包,多个jar包用:分割
$ANDROID_HOME/platforms/android-23/android.jar / #sdk-23
-source 1.7 -target 1.7 / #指明源码版本和字节码版本
-d ./build / #编译后的class文件的路径
./java/com/haizhi/oa/buildtest/*.java / #源码1,这是我们写的Activity
./gen/com/haizhi/oa/buildtest/R.java #源码2,R.java

Step 3: 编译为dex文件


在上一步中,我们将代码编译成了字节码,但是dalvik并不能直接执行字节码,需要进一步的将class文件编译成dex文件,这个过程是通过dx这个工具实现的,在build目录下,我们继续执行:


dx --dex --output=classes.dex .   #指定输出为classes.dex 输入为当前目录

至此,我们已经获得了生成一个Apk需要的所有东西。


Step 4: 打包所有的资源文件


在工程的根目录,执行:


aapt package /
-f /
-S res /
-I $ANDROID_HOME/platforms/android-23/android.jar /
-M AndroidManifest.xml /
-F test.apk.u #生成apk文件

此时,我们已经获得了一个apk文件,下面我们要对它签名,首先需要使用keytool工具生成一个签名文件,这个步骤可以自行百度。


Step 5: 将classes.dex文件加入apk中


aapt add -f test.apk.u classes.dex

Step 6: 签名,对齐
在工程的根目录,执行:


签名:
jarsigner -storepass **密*码** -keystore ../chenlong.keystore test.apk.u chenlong

对齐:
zipalign 4 test.apk.u test.apk

经过上述5个步骤,我们生成了一个apk,下面安装到模拟器上执行一下,如图:




以上,就是一个最简单的Apk的编译过程,其中Apk最重要的两个部分,资源和代码被编译成了resources.arsc+res以及dex文件。res是实际的资源,resources.arsc则是一个索引,AssetManager通过这个索引获取资源的实际内容,这其中的过程比较复杂,暂时还没有太多的分析,至于dex文件,倒是可以啰嗦两句。


我们知道,java源码文件编译后生成了字节码文件,然后被jvm执行,字节码文件中有一个非常重要的区域是常量池,编译的过程中,字节码文件并不会保存方法和字段的最终内存布局信息,也就是说,方法和字段并不像C/C++那样被编译成地址,jvm在加载Class文件的时候,需要从常量池获取对应的符号引用,再在类创建时或运行时解析并翻译到具体的内存地址中【参考:深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践】。一个字节码文件中,除了方法体中的内容被编译为字节码指令外,大部分的信息都保存在常量池中,通过索引来访问,包括类的名称,类的字段,类的继承关系,类中方法的定义等。


那么,dex文件和class文件有什么区别呢?


首先,dalvik虚拟机的字节码指令是16位,而jvm是8位,因此,java 字节码被转换成dex 字节码;其次,dex文件将多个class文件合并成一个,合并了这些class文件的常量池,并作出了其他的优化,让dex文件执行的更快,更节省内存。对于dex文件的详细格式,可以参考 dex-format,我尝试了一下直接阅读dex文件,讲真,不是很好读。。下图是我们刚刚编译出的dex文件的16进制格式,加了一些简单的标注和分块,一共3012个字节。




0x02 进阶-编译一个带依赖的工程

在实际的编码过程中,我们往往会去依赖一些子工程,子工程有两种,一种是java工程,一种是Android Lib工程。java工程中不包含资源文件,编译后的输出是jar包,而Android Lib工程包含资源文件,编译后的输出为aar文件。


对于jar包,我们只需要在编译apk的java代码时,将jar包加入classpath,然后在编译dex文件时,将jar包一起编译进去就可以了,但是对于aar文件,就稍微有点复杂了。


首先,我们还是创建一个工程,如图:




这个工程依赖了design包,v7包中的appcompat,同时,上述这些包又依赖了v4包,,recyclerview,support-vector-drawable,animated-vector-drawable,support-annotations。


上述这些依赖都是Android Lib工程,因此我们需要处理依赖包中的资源。首先,我们需要这些依赖的aar文件作为输入,到哪里去找aar文件呢?最初,我在sdk下找到了这些依赖的jar包和相应的资源目录,但是,当我尝试编译的时候,总是提示我找不到资源,我很苦恼,后来在高旭大神的指点下,我看了一下gradle的实现方式,发现gradle并不使用jar包+资源来重新编译这些依赖库而是直接使用了google提供的这些依赖库的aar文件,于是我尝试将编译好的aar文件解包,再使用解包后的资源和jar包进行编译。


Step 1: 生成R.java文件


aapt package -f -m --auto-add-overlay /
-S res /
-S /Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/appcompat-v7/23.3.0/aarEx/res /
-S /Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/recyclerview-v7/23.3.0/aarEx/res /
-S /Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/design/23.3.0/aarEx/res /
-J gen /
--extra-packages android.support.v7.appcompat:android.support.v7.recyclerview:android.support.design /
-I $ANDROID_HOME/platforms/android-23/android.jar -M ./AndroidManifest.xml

其中,--auto-add-overlay 参数用来加载多个资源目录,按照从左向右的顺序,如果后面的资源重复则跳过,如果不重复则新增。
--extra-packages用来对不同的资源目录生成包名不同的R文件,多个包名通过:分割。


Step 2: 编译代码


javac -classpath $ANDROID_HOME/extras/android/support/v7/appcompat/libs/android-support-v4.jar:/
$ANDORID_HOME/extras/android/support/annotations/android-support-annotations.jar:/
$ANDROID_HOME/platforms/android-23/android.jar:/
$ANDROID_HOME/extras/android/support/design/libs/android-support-design.jar:/
$ANDROID_HOME/extras/android/support/v7/appcompat/libs/android-support-v7-appcompat.jar:/
$ANDROID_HOME/extras/android/support/v7/recyclerview/libs/android-support-v7-recyclerview.jar /
-source 1.7 -target 1.7 /
-d ./build /
./java/com/haizhi/oa/buildtest/*.java /
./gen/com/haizhi/oa/buildtest/R.java /
./gen/android/support/design/R.java /
./gen/android/support/v7/appcompat/R.java /
./gen/android/support/v7/recyclerview/R.java

Step 3: 编译dex文件


dx --dex --output=classes.dex . /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/support-v4/23.3.0/aarEx/classes.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/support-v4/23.3.0/aarEx/libs/internal_impl-23.3.0.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/design/23.3.0/aarEx/classes.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/appcompat-v7/23.3.0/aarEx/classes.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/recyclerview-v7/23.3.0/aarEx/classes.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/support-vector-drawable/23.3.0/aarEx/classes.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/animated-vector-drawable/23.3.0/aarEx/classes.jar /
/Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/support-annotations/23.3.0/support-annotations-23.3.0.jar

Step 4: 生成apk文件


aapt package -f -m --auto-add-overlay /
-S res /
-S /Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/appcompat-v7/23.3.0/aarEx/res /
-S /Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/recyclerview-v7/23.3.0/aarEx/res /
-S /Users/chenlong/sdk/extras/android/m2repository/com/android/support/design/23.3.0/aarEx/res /
-I $ANDROID_HOME/platforms/android-23/android.jar -M ./AndroidManifest.xml /
-F test.apk.u

Step 5: 将classes.dex文件加入apk中


aapt add -f test.apk.u classes.dex

后面的签名、对齐操作和之前一样


最后,我们在模拟器上运行一下打包后的apk文件,如图:




0x03 总结

编译流程的简单分析就是这些,在上述流程中我们可以看到,主要过程是资源处理和dex文件生成上,其中对资源的处理是插件化的一个难点,我的分析并不是很全面,比如对于多个资源目录合并的过程,aapt自身提供的机制和gradle的实现就不太一样,gradle在最终调用aapt之前已经将资源合并,传入aapt的只有一个合并后的资源目录,可以参考gradle 资源合并机制,后续我会针对资源文件的处理做单独的分析。


上述内容如有错误,恳请指正,我会继续分析插件化的相关技术实现,敬请期待。


原文:插件化-Apk编译过程概述




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