Android Art分析2

dex2oat

/system/bin/dex2oat 對應的源碼文件位於/art/dex2oat/dex2oat.cc。main 函數代碼如下：

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1. int main(int argc, char** argv) {    2.  return  art::dex2oat(argc, argv);   3. }

直接調用 art 命名空間下的 dex2oat 函數，該函數有點長，去除註釋差不多有 500 行，但是
有很大以部分代碼都是在解析參數，我們只關注前面提到的幾個參數，所以下面貼的代碼有
所省略，而且鑑於代碼略長，會分成幾部分來分析。

參數解析

與參數解析相關的代碼如下，大家可以參考下源碼，因爲函數開頭聲明瞭很多變量，爲
了避免篇幅過長，此處略去不表。基本後面所有遇到的變量都是在函數開頭聲明的，而且這
些變量的值最終都是從傳遞過來的參數中獲取的。

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1. static int dex2oat(int argc, char** argv) {   2. ......   3.  #if defined(ART_USE_PORTABLE_COMPILER)   4. CompilerBackend compiler_backend = kPortable;   5.  #else   6. CompilerBackend compiler_backend = kQuick;    7.  #endif   8.  #if defined(__arm__)   9. InstructionSet instruction_set = kThumb2;    10.  #elif defined(__i386__)   11. InstructionSet instruction_set = kX86;   12.  #elif defined(__mips__)   13. InstructionSet instruction_set = kMips;   14.  #else   15.  #error "Unsupported architecture"   16.  #endif   17. ......   18.  for  (int i = 0; i < argc; i++) {   19. const StringPiece option(argv[i]);   20. ......   21.  else  if  (option.starts_with( "--zip-fd=" )) {   22. const char* zip_fd_str = option.substr(strlen( "--zip-fd=" )).data();   23.  if  (!ParseInt(zip_fd_str, &zip_fd)) {   24. Usage( "Failed to parse --zip-fd argument '%s' as an integer" , zip_fd_str);   25. }   26. }  else  if  (option.starts_with( "--zip-location=" )) {   27. zip_location = option.substr(strlen( "--zip-location=" )).data();   28. }   29. ......   30. }  else  if  (option.starts_with( "--oat-fd=" )) {   31. const char* oat_fd_str = option.substr(strlen( "--oat-fd=" )).data();   32.  if  (!ParseInt(oat_fd_str, &oat_fd)) {   33. Usage( "Failed to parse --oat-fd argument '%s' as an integer" , oat_fd_str);   34. }   35. }   36. ......   37. }  else  if  (option.starts_with( "--oat-location=" )) {   38. oat_location = option.substr(strlen( "--oat-location=" )).data();   39. }   40. ......   41. }   42.  if  (oat_filename.empty() && oat_fd == -1) {   43. Usage( "Output must be supplied with either --oat-file or --oat-fd" );   44. }   45.  if  (!oat_filename.empty() && oat_fd != -1) {   46. Usage( "--oat-file should not be used with --oat-fd" );   47. }   48. ......   49.  if  (oat_fd != -1 && !image_filename.empty()) {   50. Usage( "--oat-fd should not be used with --image" );   51. }   52.  if  (host_prefix.get() == NULL) {   53. const char* android_product_out = getenv( "ANDROID_PRODUCT_OUT" );   54.  if  (android_product_out != NULL) {   55. host_prefix.reset(new std::string(android_product_out));   56. }   57. }   58.  if  (android_root.empty()) {   59. const char* android_root_env_var = getenv( "ANDROID_ROOT" );   60.  if  (android_root_env_var == NULL) {   61. Usage( "--android-root unspecified and ANDROID_ROOT not set" );   62. }   63. android_root += android_root_env_var;   64. }   65. bool image = (!image_filename.empty());   66.  if  (!image && boot_image_filename.empty()) {   67.  if  (host_prefix.get() == NULL) {   68. boot_image_filename += GetAndroidRoot();   69. }  else  {   70. boot_image_filename += *host_prefix.get();   71. boot_image_filename +=  "/system" ;   72. }   73. boot_image_filename +=  "/framework/boot.art" ;   74. }   75. std::string boot_image_option;   76.  if  (!boot_image_filename.empty()) {   77. boot_image_option +=  "-Ximage:" ;   78. boot_image_option += boot_image_filename;   79. }   80. ......   81.  if  (dex_locations.empty()) {   82.  for  (size_t i = 0; i < dex_filenames.size(); i++) {   83. dex_locations.push_back(dex_filenames[i]);   84. }   85. }  else  if  (dex_locations.size() != dex_filenames.size()) {   86. Usage( "--dex-location arguments do not match --dex-file arguments" );   87. }   88. ......    89. }

3-7 行根據 ART_USE_PORTABLE_COMPILER 宏的值來確定 ART Compiler Driver 的工作方式，關
於 ART Compiler Driver 後續會涉及到；8-16 行根據設備的平臺架構來確定指令集，包括 ARM，
i386 以及 Mips；21-25 行解析--zip-fd 參數並轉換爲整型值賦值給 zip_fd；26-39 行分別解析
獲得 zip_location，oat_fd 以及 oat_location。獲得參數信息後，會對一些參數進行判斷，例如
45-46 行會判斷--oat-file 以及--oat-fd 參數是否同時被賦值，對於一些不正確的參數組合，會
調用 Usage 函數打印 dex2oat 的使用方法並退出。

之後會根據一些參數情況進行其他參數的賦值操作，52 行判斷 host_prefix 是否爲空，
由於沒有使用--host-prefix 參數，因此進入 if 分支語句，獲取 ANDROID_PRODUCT_OUT 環境變
量並重新賦值給 host_prefix 變量，ANDROID_PRODUCT_OUT 環境變量應該是在 PC 機上進行
Android 源碼編譯時設置的，一般爲<ANDROID BASEDIR>/out/target/product/generic/，所以在
Android 手機設備上不存在此環境變量，host_prefix 值還是爲 NULL，這個沒有編譯調試，分
析結論不一定正確。不過可以編寫 Android 程序，在 Java 層通過 System.getenv (「ANDROID
_PRODUCT_OUT」)來測試，會發現沒有這個環境變量(System.getenv()可以獲取所有的環境變
量)！至於 System. getenv(String)函數是否與上述的 getenv 函數最終調用的是同一個函數，大
家可以跟蹤源碼，System.getenv 調用過程是：System.getenv -> Libcore.os.getenv-> Posix.getenv，
Posix.getenv(libcore/luni/src/main/java/libcore/io/Posix.java)調用的是 Native 函數，而這個 Native
函數的註冊暫時沒有找到(囧)。

58-64 行獲取 ANDROID_ROOT 環境變量，該值爲/system，也就是 Android 系統下的 system
目錄路徑；65 行由於 image_filename 爲空，因此布爾值 image 爲 false，則會進入 66 行的 if
分支，66 行由於 host_prefix 爲 NULL， boot_image_filename 值爲「/system」(GetAndroidRoot
函數源碼在/art/runtime/utils.cc 文件中，仍然調用 getenv(「ANDROID_ROOT」)，不過會增加
/system 目錄是否存在的判斷)，執行 73 行，最終 boot_iamge_filename 值爲「/system/framework
/boot.art」，但是在 Nexus4 上/system/framework 目錄下並不存在 boot.art 文件，反而在/data
/dalvik-cache 目錄下存在 [email][email protected]@boot.art[/email] 以及 [email][email protected]@boot.oat[/email] 文件
(Android4.4 系統應該都是這樣)；76 行，經過上述操作，boot_image_filename 不爲空，因此進
入 if 分支語句，boot_image_option 最終值爲「-Ximage:/system/framework/boot.art」；81 行
dex_locations 爲空，進入 if 分支，由於 dex_filenames 仍然爲空，所以不會執行 for 循環。

經過上述分析，總結一些變量的值：
● 

host_prefix: NULL

android_root: /system

boot_image_filename: /system/framework/boot.art

boot_image_option: -Ximage:/system/framework/boot.art

dex_locations: 空


創建 OAT 文件指針

在完成參數解析判斷後，會創建一個指向 oat_location 的文件指針，暫時沒有真正的寫
入 OAT 格式的文件數據。代碼如下：

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1. UniquePtr<File> oat_file;   2. bool create_file = !oat_unstripped.empty();   3.  if  (create_file) {   4. oat_file.reset(OS::CreateEmptyFile(oat_unstripped.c_str()));   5.  if  (oat_location.empty()) {   6. oat_location = oat_filename;   7. }   8. }  else  {   9. oat_file.reset(new File(oat_fd, oat_location));   10. oat_file->DisableAutoClose();   11. }   12.  if  (oat_file.get() == NULL) {   13. PLOG(ERROR) <<  "Failed to create oat file: "  << oat_location;   14.  return  EXIT_FAILURE;   15. }   16.  if  (create_file && fchmod(oat_file->Fd(), 0644) != 0) {   17. PLOG(ERROR) <<  "Failed to make oat file world readable: "  << oat_location;   18.  return  EXIT_FAILURE;   19. }

第 1 行聲明 File 指針變量 oat_file；第 2 行因爲 oat_unstripped 爲空，故 create_file 布爾值爲 flase；
第 3 行判斷 create_file 值，進入 else 分支；9 行根據 oat_fd 以及 oat_location 創建 File 實例並
賦值給 oat_file；第 10 行調用 DisableAutoClose 函數禁止文件自動關閉；12-18 行會進行一些
判斷操作。上述代碼僅僅是創建了一個 File 實例，還沒有真正寫入任何數據。

dex2oat 準備工作

接着會完成一些 DEX 到 OAT 文件格式的轉換工作，代碼如下，對於部分分支語句由於
在本次分析中不會執行已忽略。

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1. ......   2. Runtime::Options options;   3. options.push_back(std::make_pair( "compiler" , reinterpret_cast<void*>(NULL)));   4. std::vector<const DexFile*> boot_class_path;   5.  if  (boot_image_option.empty()) {    6. ......   7. }  else  {   8. options.push_back(std::make_pair(boot_image_option.c_str(),      reinterpret_cast<void*>(NULL)));   9. }   10. ......

第 2 行聲明 Runtime::Options 類型的變量 options，而 Runtime::Options 實際上是一個包含
pair(http://www.cplusplus.com/reference/utility/pair/)的 vector，定義在/art/runtime/runtime.h 頭
文件中，如下，pair 中的兩個數據一個是字符串，另一個爲指針，類似於 HashMap 之類的結
構：

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1. class Runtime {   2. public:   3. typedef std::vector<std::pair<std::string, const void*> > Options;   4. ......   5. }

第 3 行在 options 變量中添加一個 pair 數據；第 4 行聲明包含 DexFile 的 vector 變量 boot_class_
path，類 DexFile 的定義在/art/runtime/dex_file.h 頭文件中，其實就是 Dalvik 上關於 dex 文件
結構的定義；第 5 行由於 boot_image_option 不爲空，因此執行 else 分支語句，跳到第 8 行，
繼續在 options 中增加一個 pair 數據，boot_image_option 值爲-Ximage:/system/framework
/boot.art。所以最終 options 中包含「compiler」和「-Ximage:/system/framework/boot.art」兩
項。

提取 classes.dex 文件

在完成一系列的準備工作後，就要開始進入比較繁重的 OAT 文件創建和轉換工作了。
部分代碼如下：

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1. Dex2Oat* p_dex2oat;   2.  if  (!Dex2Oat::Create(&p_dex2oat, options, compiler_backend, instruction_set,   thread_count)) {   3. LOG(ERROR) <<  "Failed to create dex2oat" ;   4.  return  EXIT_FAILURE;   5. }   6. UniquePtr<Dex2Oat> dex2oat(p_dex2oat);   7. Thread* self = Thread::Current();   8. self->TransitionFromRunnableToSuspended(kNative);   9. WellKnownClasses::Init(self->GetJniEnv());   10. ......   11. std::vector<const DexFile*> dex_files;   12.  if  (boot_image_option.empty()) {   13. dex_files = Runtime::Current()->GetClassLinker()->GetBootClassPath();   14. }  else  {   15.  if  (dex_filenames.empty()) {   16. UniquePtr<ZipArchive> zip_archive(ZipArchive::OpenFromFd(zip_fd));   17.  if  (zip_archive.get() == NULL) {   18. LOG(ERROR) <<  "Failed to open zip from file descriptor for "  << zip_location;   19.  return  EXIT_FAILURE;   20. }   21. const DexFile* dex_file = DexFile::Open(*zip_archive.get(), zip_location);   22.  if  (dex_file == NULL) {   23. ......   24.  return  EXIT_FAILURE;   25. }   26. dex_files.push_back(dex_file);   27. }  else  {   28. ......   29. }   30.  for  (const auto& dex_file : dex_files) {   31.  if  (!dex_file->EnableWrite()) {   32. ......   33. }   34. }   35. }

第 1 行聲明指向 Dex2Oat 的指針，類 Dex2Oat 定義在/art/dex2oat/dex2oat.cc 文件中；第 2 行
調用 Dex2Oat 的靜態方法 Create，其中 options 參數已經在「dex2oat 準備工作」部分分析了，
compiler_backend 在沒有指定--compiler-backend 參數的情況下，會根據 ART_USE_PORTABLE
_COMPILER 宏定義的情況取值，若該宏定義了則爲 kPortable，否則爲 kQuick；instruction_set
根據源碼編譯指定的目標平臺會使用相應的指令集，目前大部分 Android 設備使用的 ARM，
因此 instruction_set 值爲 kThumb2。thread_count 值在默認情況下通過 sysconf
(_SC_NPROCESSORS_CONF)獲取，也就是 CPU 的個數。Dex2Oat::Create 函數代碼如下：

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1. static bool Create(Dex2Oat** p_dex2oat,Runtime::Options& options,   2. CompilerBackend compiler_backend, InstructionSet instruction_set,   3. size_t thread_count)   4. SHARED_TRYLOCK_FUNCTION( true , Locks::mutator_lock_) {   5.  if  (!CreateRuntime(options, instruction_set)) {   6. *p_dex2oat = NULL;   7.  return  false ;   8. }   9. *p_dex2oat = new Dex2Oat(Runtime::Current(), compiler_backend, instruction_set,   thread_count);   10.  return  true ;    11. }

第 5 行調用 CreateRuntime 函數獲取 Runtime(/art/runtime/runtime.cc)類的實例，並進行相關的
設置，Runtime 使用單例模式，所以獲取 Runtime 實例之前會先獲取鎖，如第 4 行所示，關
於 Runtime 類實例的獲取比較簡單，不再詳述，是典型的單例設計模式；第 9 行創建 Dex2Oat
類的實例，Dex2Oat 的構造函數比較簡單，只是一些類成員的賦值操作，如下代碼所示，除
了傳入的一些參數外，還記錄了實例化的時間保存在 start_ns_成員變量中。

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1. explicit Dex2Oat(Runtime* runtime,   2. CompilerBackend compiler_backend,   3. InstructionSet instruction_set,   4. size_t thread_count)   5. : compiler_backend_(compiler_backend),   6. instruction_set_(instruction_set),   7. runtime_(runtime),   8. thread_count_(thread_count),   9. start_ns_(NanoTime()) {    10. }

繼續回到 dex2oat 函數，第 6 行將 p_dex2oat 重新賦值給 dex2oat 變量；第 7 行調用
Thread::Current 得到當前線程，Thread 類定義在/art/runtime/thread.h 頭文件中；第 8 行將線程
狀態從 Runnable 切換到 Suspend，釋放掉之前在調用 Dex2Oat::Create 中獲取的鎖，
TransitionFromRunnableToSuspend 函數定義在/art/runtime/thread-inl.h 頭文件中，是個內聯函
數；第 9 行調用 WellKnownClasses::Init 函數完成一些 JNI 類、函數以及字段的初始化操作，
主要是從 JNI 運行環境中查找一些類、函數等信息並返回，self->GetJniEnv()可以獲得線程關
聯的 JNI 環境，Init 函數代碼位於/art/runtime/well_known_classes.cc，可自行進行分析；11 行
聲明名爲 dex_files 的 vector 變量；12 行由於 boot_image_option 非空，因此進入 else 分支；
15 行 dex_filenames 爲空，進入 if 分支，16 行調用 ZipArchive::OpenFromFd 函數創建 ZipArchive
類實例，主要完成 zip 文件到內存結構的映射。個人覺得此處 zip 文件的操作對後續的分析
有一定的影響，因此會在此展開分析 ZipArchive 類(/art/runtime/zip_archive.h 和/art/runtime/
zip_archive.cc)。OpenFromFd 的函數代碼如下：

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1. ZipArchive* ZipArchive::OpenFromFd(int fd) {   2. ......   3. UniquePtr<ZipArchive> zip_archive(new ZipArchive(fd));   4. ......   5.  if  (!zip_archive->MapCentralDirectory()) {   6. zip_archive->Close();   7.  return  NULL;   8. }   9.  if  (!zip_archive->Parse()) {   10. zip_archive->Close();   11.  return  NULL;   12. }   13.  return  zip_archive.release();    14. }

第 3 行初始化 ZipArchive 實例並賦值給 zip_archive 變量，ZipArchive 類的構造函數比較簡單，
如下所示，只是簡單的成員變量初始化：

1	1. explicit ZipArchive(int fd) : fd_(fd), num_entries_(0), dir_offset_(0) {}

第 5 行調用 MapCentralDirectory 完成 Central Directory Header 的查找以及將所有 Central
Directory Header 內容映射到內存(關於 ZIP 文件的格式可以參考本文開頭關於 ZIP 文件結構的
介紹)，該函數部分代碼如下(爲避免篇幅過長，已刪除各種與文件合法性檢查相關的代碼)：

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1. bool ZipArchive::MapCentralDirectory() {   2. off64_t file_length = lseek64(fd_, 0, SEEK_END);   3. ......   4. size_t read_amount = kMaxEOCDSearch;   5.  if  (file_length < off64_t(read_amount)) {   6. read_amount = file_length;   7. }   8. UniquePtr<uint8_t[]> scan_buf(new uint8_t[read_amount]);   9. ......   10.  if  (lseek64(fd_, 0, SEEK_SET) != 0) {   11.  return  false ;   12. }   13. ssize_t actual = TEMP_FAILURE_RETRY( read (fd_, scan_buf.get(), sizeof(int32_t)));   14. ......   15. unsigned int header = Le32ToHost(scan_buf.get());   16.  if  (header != kLFHSignature) {   17.  return  false ;   18. }   19. off64_t search_start = file_length - read_amount;   20.  if  (lseek64(fd_, search_start, SEEK_SET) != search_start) {   21.  return  false ;   22. }   23. actual = TEMP_FAILURE_RETRY( read (fd_, scan_buf.get(), read_amount));   24. ......   25. int i;   26.  for  (i = read_amount - kEOCDLen; i >= 0; i--) {   27.  if  (scan_buf.get()[i] == 0x50 && Le32ToHost(&(scan_buf.get())[i]) ==     kEOCDSignature) {   28.  break ;   29. }   30. }   31. ......   32. off64_t eocd_offset = search_start + i;   33. const byte* eocd_ptr = scan_buf.get() + i;   34. DCHECK(eocd_offset < file_length);   35. uint16_t disk_number = Le16ToHost(eocd_ptr + kEOCDDiskNumber);   36. uint16_t disk_with_central_dir = Le16ToHost(eocd_ptr + kEOCDDiskNumberForCD);   37. uint16_t num_entries = Le16ToHost(eocd_ptr + kEOCDNumEntries);   38. uint16_t total_num_entries = Le16ToHost(eocd_ptr + kEOCDTotalNumEntries);   39. uint32_t dir_size = Le32ToHost(eocd_ptr + kEOCDSize);   40. uint32_t dir_offset = Le32ToHost(eocd_ptr + kEOCDFileOffset);   41. uint16_t comment_size = Le16ToHost(eocd_ptr + kEOCDCommentSize);   42. ......   43. dir_map_.reset(MemMap::MapFile(dir_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd_,   dir_offset));   44. ......   45. num_entries_ = num_entries;   46. dir_offset_ = dir_offset;   47.  return  true ;    48. }

第 1 行通過 lseek64 函數將文件描述符定位到 ZIP 文件結尾處得到文件的長度；第 3 行將
kMaxEOCDSearch 賦值給 read_amount，kMaxEOCDSearch = (kMaxCommentLen + kEOCDLen) =
65535 + 22，也就是 End of Central Directory 的最大長度，因爲 Zip file comment 最大長度爲 64KB，
故 kMaxEOCDSearch 最大長度爲 65535+22；第 5 行判斷若整個 ZIP 文件的長度小於
read_amount，則將 read_amount 重新設置爲 file_length 的值；第 8 行聲明 scan_buf 指針用來
存儲讀取的文件內容；第 10 行將文件描述符定位到 ZIP 文件的開頭，因爲在獲取文件長度
時將其定位到了文件結尾處，現在要重新進行定位；13 行從文件開始處連續讀取
sizeof(int32_t)字節的內容到 scan_buf 中；15-18 行判斷文件開頭 4 個字節是否爲 0x04034b50，
也就是 Local File Header 的 Signature，若不是說明該 ZIP 文件格式不正確；19 行計算
search_start 值，也就是後續 End of Central Directory 搜索的起始地址(相對於文件開頭)；20 行
將文件描述符定位到 search_start 處；23 行讀取 search_start 之後的所有內容到 scan_buf；26-30
行開始搜索 End of Central Directory 的位置，搜索結果可以參考圖 11，圖中 End of Central
Directory Record 沒有包含 Zip file comment。注意爲了方便描述，Zip file comment 長度設定爲
10Bytes，另外一點要注意的是在 for 循環中比較 Signature 時是從 scan_buf 的末尾往前掃的；
32 行給 eocd_offset 賦值，從圖 11 中可知 End of Central Directory Record 的偏移量爲 search_start
+ 65535 - 10，也就是 search_start + i 的值；33 行獲得指向 EOCD 起始地址的指針；35-41 行
完成 EOCD 中字段值的獲取，可以參考 ZIP 文件結構中的介紹，其中 dir_size 表示所有 Central

圖 11 End of Central Directory 搜索示意圖

Directory Header 的大小，dir_offset 表示第一個 Central Directory Header 相對文件開始處的偏移
地址；43 行將所有 Central Directory Header 的內容映射到內存；45-46 行給相應的成員變量
賦值，保存解析到的 Central Directory Header 的個數及偏移量。

繼續回到 OpenFromFd 函數，第 9 行調用 Parse 函數將 Central Directory Header 保存到名
爲 dir_entries_的 SafeMap 類(/art/runtime/safe_map.h)中，其中 Key 爲 StringPiece 實例(StringPiece
類定義在/art/runtime /base/stringpiece.h 頭文件中)，Value 爲對應 Central Directory Header 映射
到內存中的起始地址。Parse 函數比較簡單，不再贅述。

分析完 ZipArchive::OpenFromFd 後，繼續回到 dex2oat 中，21 行調用 DexFile::Open 函數，
該函數定義在/art/runtime/dex_file.cc 源文件中，注意有兩個 DexFile::Open 函數，一個是 const