Android APK组成编译打包流程详解

Android APK（Android Package）是 Android 应用的安装包文件，其组成和打包流程涉及多个步骤和文件结构。以下是详细的说明：

一、APK 的组成

APK 是一个 ZIP 格式的压缩包，包含应用运行所需的所有文件。解压后主要包含以下内容：

1. classes.dex

   • 由 Java/Kotlin 代码编译后的 Dalvik/ART 字节码文件。

   • 如果方法数超过 65536，会生成多个 classes2.dex、classes3.dex 等（需启用 MultiDex）。

2. resources.arsc

   • 编译后的二进制资源索引表，包含字符串、布局、颜色等资源的映射关系，用于快速查找资源。

3. AndroidManifest.xml

   • 应用的配置文件（二进制格式），声明包名、权限、组件（Activity/Service 等）、最低 SDK 版本等。

4. res/ 目录

   • 存放编译后的资源文件（图片、布局 XML、动画等），原始 XML 会被编译为二进制格式以优化读取效率。

5. assets/ 目录

   • 存放原始资源文件（如字体、配置文件），通过 AssetManager 直接访问，不参与资源 ID 生成。

6. lib/ 目录

   • 存放原生库（.so 文件），按 CPU 架构分目录（如 armeabi-v7a, arm64-v8a, x86）。

7. META-INF/ 目录

   • 包含应用签名信息（MANIFEST.MF, CERT.SF, CERT.RSA），用于验证 APK 完整性。

8. kotlin/ 目录

   • 如果使用 Kotlin，会包含 Kotlin 标准库的相关文件。

9. 其他文件

   • 如 ProGuard/R8 生成的映射文件（mapping.txt）、AAPT2 生成的资源映射等。

二、APK 打包流程

Android 应用的构建流程通过 Gradle 和 Android 构建工具链（如 AAPT2、D8、R8 等）完成，主要步骤如下：

1. 资源处理

• 工具：AAPT2 (Android Asset Packaging Tool)

  • 编译 res/ 下的资源文件（XML、图片等），生成 resources.arsc 和二进制 XML。

  • 生成 R.java 文件，为每个资源分配唯一 ID。

2. 代码编译

• Java/Kotlin 编译

  • 将 Java/Kotlin 源代码编译为 .class 文件（javac 或 kotlinc）。

• DEX 转换

  • 使用 D8 或 R8 工具 将 .class 文件转换为 Android 虚拟机所需的 .dex 文件，优化字节码并可能启用代码混淆（通过 R8）。

3. 资源与代码合并

• 工具：Android Gradle Plugin

  • 合并所有模块的资源文件，处理资源冲突。

  • 将 classes.dex、resources.arsc、lib/、assets/ 等文件打包到临时 APK 中。

4. 原生库处理

• 将 JNI 库（.so 文件）按 CPU 架构分类，并打包到 APK 的 lib/ 目录。

5. APK 签名

• 工具：apksigner 或 jarsigner

  • 使用开发者密钥对 APK 进行签名，确保应用来源可信且未被篡改。

  • 生成 META-INF/ 目录下的签名文件。

6. APK 对齐优化

• 工具：zipalign

  • 对 APK 中的未压缩文件进行内存对齐（4 字节边界），提升运行时加载效率。

  • zipalign 主要工作是将apk包进行对齐处理。使apk包中的所有资源文件，起始偏移为4字节的整数倍，这样通过mmap内存映射访问apk时的速度会更快。

三、详细构建流程图

源代码 (Java/Kotlin)  --> 编译 --> .class 文件 --> D8/R8 --> classes.dex
资源文件 (res/, assets/) --> AAPT2 --> resources.arsc + 二进制 XML
原生库 (JNI) --> 按架构分类打包到 lib/
合并所有文件 --> 未签名 APK --> 签名 --> 签名后的 APK --> zipalign 对齐 --> 最终 APK

四、构建工具链演进

• AAPT → AAPT2：支持增量资源编译，提升构建速度。

• DX → D8：更快的 DEX 编译，更好的字节码优化。

• ProGuard → R8：将代码压缩（Shrinking）、优化（Optimization）、混淆（Obfuscation）与 DEX 编译合并为一步。

五、优化与扩展

• Android App Bundle (AAB)：Google 推出的动态分发格式，按设备配置生成优化后的 APK。

• Split APKs：根据屏幕密度、ABI 等拆分 APK，减少用户下载体积。

• 资源混淆：通过工具（如 AndResGuard）对资源文件名进行混淆，进一步缩减 APK 体积。

六、虚拟机演进

虚拟机是一个可以运行 class , odex , oat 可执行文件的运行环境 ;

常见的虚拟机有 Java 虚拟机、Dalvik 虚拟机 、 ART 虚拟机 ;

Java 虚拟机 : 运行的 class 字节码文件 , 运行程序时解码 class 文件中的内容 ; 基于栈架构 , 需要频繁在栈上读写数据 , 造成较多的指令分派 , 更多的内存访问次数 , 比较耗费 CPU 时间 ;

编译时 : Java 源码 , 使用 javac 编译器 , 编译成 class 字节码文件 ; 运行时 : 类加载器通过 Java 类库验证字节码 , 验证通过会后进入 Java 虚拟机 , 进入 Java 解释器 或 即时编译器 , 然后进入运行时系统 , 之后进入操作系统 , 然后调用硬件 ;

Dalvik 虚拟机 : 基于 JIT 机制 ( 即时编译技术 ) 

Android 5.0 以下使用的虚拟机是 Dalvik 虚拟机 , 该虚拟机的可执行文件是 dex 文件 , 该文件比 class 字节码文件更小 ; JIT ( Just In Time ) 即时编译技术 , 对应 Dalvik 虚拟机 ; 基于寄存器架构 , 通过寄存器间接访问数据 , 该方式比基于栈架构速度更快 ;

ART 虚拟机 :

Android 5.0 以上使用的虚拟机是 ART 虚拟机 ; AOT ( Ahhead Of Time ) 预编译技术 , 对应 ART 虚拟机 ; Java 虚拟机 / Dalvik 虚拟机 / ART 虚拟机 都向上层提供了 3 个接口JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs JNI_CreateJavaVM JNI_GetCreatedJavaVMS ; 虚拟机之间可实现无缝衔接 ;

Dalvik 虚拟机 与 ART 虚拟机区别 : 虚拟机中有个 persist.sys.dvlvik.vm.lib 字段 , 如果该字段存储的是 libdvm.so , 该虚拟机是 Dalvik 虚拟机 ; 如果该字段存储的是 ;ibart.so , 该虚拟机是 ART 虚拟机 ;

Dalvik 虚拟机 与 ART 虚拟机可执行文件 :

Dalvik 虚拟机加载 dex 文件加载时不是直接加载 dex 文件 , 加载执行的是 odex 文件 , odex 文件是通过 dexopt 工具对 dex 进行优化生成的 ;

ART 虚拟机加载 dex 文件时加载的是 oat 文件 , oat 文件时通过 dex2oat 工具对 dex 文件进行优化生成的 ;

通过理解 APK 的组成和打包流程，开发者可以更好地优化应用性能、调试构建问题，并掌握高级构建技术（如模块化、动态交付）。

参考：

1. 深入详解Apk编译打包流程

2. APK 打包流程 ( 文件结构 | 打包流程 | 安装流程 | 安卓虚拟机 )

3. Android 打包流程