理解 Android Build 系统

copy from: https://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-android-build/

 

 

前言

Android Build 系统是 Android 源码的一部分。关于如何获取 Android 源码,请参照 Android Source 官方网站:

http://source.android.com/source/downloading.html

Android Build 系统用来编译 Android 系统,Android SDK 以及相关文档。该系统主要由 Make 文件,Shell 脚本以及 Python 脚本组成,其中最主要的是 Make 文件。

众所周知,Android 是一个开源的操作系统。Android 的源码中包含了大量的开源项目以及许多的模块。不同产商的不同设备对于 Android 系统的定制都是不一样的。

如何将这些项目和模块的编译统一管理起来,如何能够在不同的操作系统上进行编译,如何在编译时能够支持面向不同的硬件设备,不同的编译类型,且还要提供面向各个产商的定制扩展,是非常有难度的。

但 Android Build 系统很好的解决了这些问题,这里面有很多值得我们开发人员学习的地方。

对于 Android 平台开发人员来说,本文可以帮助你熟悉你每天接触到的构建环境。

对于其他开发人员来说,本文可以作为一个 GNU Make 的使用案例,学习这些成功案例,可以提升我们的开发经验。

概述

Build 系统中最主要的处理逻辑都在 Make 文件中,而其他的脚本文件只是起到一些辅助作用,由于篇幅所限,本文只探讨 Make 文件中的内容。

整个 Build 系统中的 Make 文件可以分为三类:

第一类是 Build 系统核心文件,此类文件定义了整个 Build 系统的框架,而其他所有 Make 文件都是在这个框架的基础上编写出来的。

图 1 是 Android 源码树的目录结构,Build 系统核心文件全部位于 /build/core(本文所提到的所有路径都是以 Android 源码树作为背景的,“/”指的是源码树的根目录,与文件系统无关)目录下。

图 1. Android 源码树的目录结构

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第二类是针对某个产品(一个产品可能是某个型号的手机或者平板电脑)的 Make 文件,这些文件通常位于 device 目录下,该目录下又以公司名以及产品名分为两级目录,图 2 是 device 目录下子目录的结构。对于一个产品的定义通常需要一组文件,这些文件共同构成了对于这个产品的定义。例如,/device/sony/it26 目录下的文件共同构成了对于 Sony LT26 型号手机的定义。

图 2. device 目录下子目录的结构

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第三类是针对某个模块(关于模块后文会详细讨论)的 Make 文件。整个系统中,包含了大量的模块,每个模块都有一个专门的 Make 文件,这类文件的名称统一为“Android.mk”,该文件中定义了如何编译当前模块。Build 系统会在整个源码树中扫描名称为“Android.mk”的文件并根据其中的内容执行模块的编译。

编译 Android 系统

执行编译

Android 系统的编译环境目前只支持 Ubuntu 以及 Mac OS 两种操作系统。关于编译环境的构建方法请参见以下路径:http://source.android.com/source/initializing.html

在完成编译环境的准备工作以及获取到完整的 Android 源码之后,想要编译出整个 Android 系统非常的容易:

打开控制台之后转到 Android 源码的根目录,然后执行如清单 1 所示的三条命令即可("$"是命令提示符,不是命令的一部分。):

完整的编译时间依赖于编译主机的配置,在笔者的 Macbook Pro(OS X 10.8.2, i7 2G CPU,8G RAM, 120G SSD)上使用 8 个 Job 同时编译共需要一个半小时左右的时间。

清单 1. 编译 Android 系统
1 2 3 $ source build/envsetup.sh $ lunch full-eng $ make -j8

这三行命令的说明如下:

第一行命令“source build/envsetup.sh”引入了 build/envsetup.sh脚本。该脚本的作用是初始化编译环境,并引入一些辅助的 Shell 函数,这其中就包括第二步使用 lunch 函数。

除此之外,该文件中还定义了其他一些常用的函数,它们如表 1 所示:

表 1. build/envsetup.sh 中定义的常用函数

第二行命令“lunch full-eng”是调用 lunch 函数,并指定参数为“full-eng”。lunch 函数的参数用来指定此次编译的目标设备以及编译类型。在这里,这两个值分别是“full”和“eng”。“full”是 Android 源码中已经定义好的一种产品,是为模拟器而设置的。而编译类型会影响最终系统中包含的模块,关于编译类型将在表 7 中详细讲解。

如果调用 lunch 函数的时候没有指定参数,那么该函数将输出列表以供选择,该列表类似图 3 中的内容(列表的内容会根据当前 Build 系统中包含的产品配置而不同,具体参见后文“添加新的产品”),此时可以通过输入编号或者名称进行选择。

图 3. lunch 函数的输出

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第三行命令“make -j8”才真正开始执行编译。make 的参数“-j”指定了同时编译的 Job 数量,这是个整数,该值通常是编译主机 CPU 支持的并发线程总数的 1 倍或 2 倍(例如:在一个 4 核,每个核支持两个线程的 CPU 上,可以使用 make -j8 或 make -j16)。在调用 make 命令时,如果没有指定任何目标,则将使用默认的名称为“droid”目标,该目标会编译出完整的 Android 系统镜像。

Build 结果的目录结构

所有的编译产物都将位于 /out 目录下,该目录下主要有以下几个子目录:

  • /out/host/:该目录下包含了针对主机的 Android 开发工具的产物。即 SDK 中的各种工具,例如:emulator,adb,aapt 等。
  • /out/target/common/:该目录下包含了针对设备的共通的编译产物,主要是 Java 应用代码和 Java 库。
  • /out/target/product/<product_name>/:包含了针对特定设备的编译结果以及平台相关的 C/C++ 库和二进制文件。其中,<product_name>是具体目标设备的名称。
  • /out/dist/:包含了为多种分发而准备的包,通过“make disttarget”将文件拷贝到该目录,默认的编译目标不会产生该目录。

Build 生成的镜像文件

Build 的产物中最重要的是三个镜像文件,它们都位于 /out/target/product/<product_name>/ 目录下。

这三个文件是:

  • system.img:包含了 Android OS 的系统文件,库,可执行文件以及预置的应用程序,将被挂载为根分区。
  • ramdisk.img:在启动时将被 Linux 内核挂载为只读分区,它包含了 /init 文件和一些配置文件。它用来挂载其他系统镜像并启动 init 进程。
  • userdata.img:将被挂载为 /data,包含了应用程序相关的数据以及和用户相关的数据。

Make 文件说明

整个 Build 系统的入口文件是源码树根目录下名称为“Makefile”的文件,当在源代码根目录上调用 make 命令时,make 命令首先将读取该文件。

Makefile 文件的内容只有一行:“include build/core/main.mk”。该行代码的作用很明显:包含 build/core/main.mk 文件。在 main.mk 文件中又会包含其他的文件,其他文件中又会包含更多的文件,这样就引入了整个 Build 系统。

这些 Make 文件间的包含关系是相当复杂的,图 3 描述了这种关系,该图中黄色标记的文件(且除了 $开头的文件)都位于 build/core/ 目录下。

图 4. 主要的 Make 文件及其包含关系

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表 2 总结了图 4 中提到的这些文件的作用:

表 2. 主要的 Make 文件的说明

Android 源码中包含了许多的模块,模块的类型有很多种,例如:Java 库,C/C++ 库,APK 应用,以及可执行文件等 。并且,Java 或者 C/C++ 库还可以分为静态的或者动态的,库或可执行文件既可能是针对设备(本文的“设备”指的是 Android 系统将被安装的设备,例如某个型号的手机或平板)的也可能是针对主机(本文的“主机”指的是开发 Android 系统的机器,例如装有 Ubuntu 操作系统的 PC 机或装有 MacOS 的 iMac 或 Macbook)的。不同类型的模块的编译步骤和方法是不一样,为了能够一致且方便的执行各种类型模块的编译,在 config.mk 中定义了许多的常量,这其中的每个常量描述了一种类型模块的编译方式,这些常量有:

  • BUILD_HOST_STATIC_LIBRARY
  • BUILD_HOST_SHARED_LIBRARY
  • BUILD_STATIC_LIBRARY
  • BUILD_SHARED_LIBRARY
  • BUILD_EXECUTABLE
  • BUILD_HOST_EXECUTABLE
  • BUILD_PACKAGE
  • BUILD_PREBUILT
  • BUILD_MULTI_PREBUILT
  • BUILD_HOST_PREBUILT
  • BUILD_JAVA_LIBRARY
  • BUILD_STATIC_JAVA_LIBRARY
  • BUILD_HOST_JAVA_LIBRARY

通过名称大概就可以猜出每个变量所对应的模块类型。(在模块的 Android.mk 文件中,只要包含进这里对应的常量便可以执行相应类型模块的编译。对于 Android.mk 文件的编写请参见后文:“添加新的模块”。)

这些常量的值都是另外一个 Make 文件的路径,详细的编译方式都是在对应的 Make 文件中定义的。这些常量和 Make 文件的是一一对应的,对应规则也很简单:常量的名称是 Make 文件的文件名除去后缀全部改为大写然后加上“BUILD_”作为前缀。例如常量 BUILD_HOST_PREBUILT 的值对应的文件就是 host_prebuilt.mk。

这些 Make 文件的说明如表 3 所示:

表 3. 各种模块的编译方式的定义文件

不同类型的模块的编译过程会有一些相同的步骤,例如:编译一个 Java 库和编译一个 APK 文件都需要定义如何编译 Java 文件。因此,表 3 中的这些 Make 文件的定义中会包含一些共同的代码逻辑。为了减少代码冗余,需要将共同的代码复用起来,复用的方式是将共同代码放到专门的文件中,然后在其他文件中包含这些文件的方式来实现的。这些包含关系如图 5 所示。由于篇幅关系,这里就不再对其他文件做详细描述(其实这些文件从文件名称中就可以大致猜出其作用)。

图 5. 模块的编译方式定义文件的包含关系

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Make 目标说明

make /make droid

如果在源码树的根目录直接调用“make”命令而不指定任何目标,则会选择默认目标:“droid”(在 main.mk 中定义)。因此,这和执行“make droid”效果是一样的。

droid 目标将编译出整个系统的镜像。从源代码到编译出系统镜像,整个编译过程非常复杂。这个过程并不是在 droid 一个目标中定义的,而是 droid 目标会依赖许多其他的目标,这些目标的互相配合导致了整个系统的编译。

图 6 描述了 droid 目标所依赖的其他目标:

图 6. droid 目标所依赖的其他 Make 目标

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图 6 中这些目标的说明如表 4 所示:

表 4. droid 所依赖的其他 Make 目标的说明

其他目标

Build 系统中包含的其他一些 Make 目标说明如表 5 所示:

表 5. 其他主要 Make 目标

在 Build 系统中添加新的内容

添加新的产品

当我们要开发一款新的 Android 产品的时候,我们首先就需要在 Build 系统中添加对于该产品的定义。

在 Android Build 系统中对产品定义的文件通常位于 device 目录下(另外还有一个可以定义产品的目录是 vender 目录,这是个历史遗留目录,Google 已经建议不要在该目录中进行定义,而应当选择 device 目录)。device 目录下根据公司名以及产品名分为二级目录,这一点我们在概述中已经提到过。

通常,对于一个产品的定义通常至少会包括四个文件:AndroidProducts.mk,产品版本定义文件,BoardConfig.mk 以及 verndorsetup.sh。下面我们来详细说明这几个文件。

  • AndroidProducts.mk:该文文件中的内容很简单,其中只需要定义一个变量,名称为“PRODUCT_MAKEFILES”,该变量的值为产品版本定义文件名的列表,例如:
1 2 3 4 PRODUCT_MAKEFILES := \ $(LOCAL_DIR)/full_stingray.mk \ $(LOCAL_DIR)/stingray_emu.mk \ $(LOCAL_DIR)/generic_stingray.mk
  • 产品版本定义文件:顾名思义,该文件中包含了对于特定产品版本的定义。该文件可能不只一个,因为同一个产品可能会有多种版本(例如,面向中国地区一个版本,面向美国地区一个版本)。该文件中可以定义的变量以及含义说明如表 6 所示:
表 6. 产品版本定义文件中的变量及其说明

通常情况下,我们并不需要定义所有这些变量。Build 系统的已经预先定义好了一些组合,它们都位于 /build/target/product 下,每个文件定义了一个组合,我们只要继承这些预置的定义,然后再覆盖自己想要的变量定义即可。例如:

1 2 3 4 5 6 7 # 继承 full_base.mk 文件中的定义 $(call inherit-product, $(SRC_TARGET_DIR)/product/full_base.mk) # 覆盖其中已经定义的一些变量 PRODUCT_NAME := full_lt26 PRODUCT_DEVICE := lt26 PRODUCT_BRAND := Android PRODUCT_MODEL := Full Android on LT26
  • BoardConfig.mk:该文件用来配置硬件主板,它其中定义的都是设备底层的硬件特性。例如:该设备的主板相关信息,Wifi 相关信息,还有 bootloader,内核,radioimage 等信息。对于该文件的示例,请参看 Android 源码树已经有的文件。
  • vendorsetup.sh:该文件中作用是通过 add_lunch_combo 函数在 lunch 函数中添加一个菜单选项。该函数的参数是产品名称加上编译类型,中间以“-”连接,例如:add_lunch_combo full_lt26-userdebug。/build/envsetup.sh 会扫描所有 device 和 vender 二 级目 录下的名称 为"vendorsetup.sh"文件,并根据其中的内容来确定 lunch 函数的 菜单选项。

在配置了以上的文件之后,便可以编译出我们新添加的设备的系统镜像了。

首先,调用“source build/envsetup.sh”该命令的输出中会看到 Build 系统已经引入了刚刚添加的 vendorsetup.sh 文件。

然后再调用“lunch”函数,该函数输出的列表中将包含新添加的 vendorsetup.sh 中添加的条目。然后通过编号或名称选择即可。

最后,调用“make -j8”来执行编译即可。

添加新的模块

关于“模块”的说明在上文中已经提到过,这里不再赘述。

在源码树中,一个模块的所有文件通常都位于同一个文件夹中。为了将当前模块添加到整个 Build 系统中,每个模块都需要一个专门的 Make 文件,该文件的名称为“Android.mk”。Build 系统会扫描名称为“Android.mk”的文件,并根据该文件中内容编译出相应的产物。

需要注意的是:在 Android Build 系统中,编译是以模块(而不是文件)作为单位的,每个模块都有一个唯一的名称,一个模块的依赖对象只能是另外一个模块,而不能是其他类型的对象。对于已经编译好的二进制库,如果要用来被当作是依赖对象,那么应当将这些已经编译好的库作为单独的模块。对于这些已经编译好的库使用 BUILD_PREBUILT 或 BUILD_MULTI_PREBUILT。例如:当编译某个 Java 库需要依赖一些 Jar 包时,并不能直接指定 Jar 包的路径作为依赖,而必须首先将这些 Jar 包定义为一个模块,然后在编译 Java 库的时候通过模块的名称来依赖这些 Jar 包。

下面,我们就来讲解 Android.mk 文件的编写:

Android.mk 文件通常以以下两行代码作为开头:

1 2 LOCAL_PATH := $(call my-dir) include $(CLEAR_VARS)

这两行代码的作用是:

  1. 设置当前模块的编译路径为当前文件夹路径。
  2. 清理(可能由其他模块设置过的)编译环境中用到的变量。

为了方便模块的编译,Build 系统设置了很多的编译环境变量。要编译一个模块,只要在编译之前根据需要设置这些变量然后执行编译即可。它们包括:

  • LOCAL_SRC_FILES:当前模块包含的所有源代码文件。
  • LOCAL_MODULE:当前模块的名称,这个名称应当是唯一的,模块间的依赖关系就是通过这个名称来引用的。
  • LOCAL_C_INCLUDES:C 或 C++ 语言需要的头文件的路径。
  • LOCAL_STATIC_LIBRARIES:当前模块在静态链接时需要的库的名称。
  • LOCAL_SHARED_LIBRARIES:当前模块在运行时依赖的动态库的名称。
  • LOCAL_CFLAGS:提供给 C/C++ 编译器的额外编译参数。
  • LOCAL_JAVA_LIBRARIES:当前模块依赖的 Java 共享库。
  • LOCAL_STATIC_JAVA_LIBRARIES:当前模块依赖的 Java 静态库。
  • LOCAL_PACKAGE_NAME:当前 APK 应用的名称。
  • LOCAL_CERTIFICATE:签署当前应用的证书名称。
  • LOCAL_MODULE_TAGS:当前模块所包含的标签,一个模块可以包含多个标签。标签的值可能是 debug, eng, user,development 或者 optional。其中,optional 是默认标签。标签是提供给编译类型使用的。不同的编译类型会安装包含不同标签的模块,关于编译类型的说明如表 7 所示:
表 7. 编译类型的说明

表 3 中的文件已经定义好了各种类型模块的编译方式。所以要执行编译,只需要引入表 3 中对应的 Make 文件即可(通过常量的方式)。例如,要编译一个 APK 文件,只需要在 Android.mk 文件中,加入“include $(BUILD_PACKAGE)

除此以外,Build 系统中还定义了一些便捷的函数以便在 Android.mk 中使用,包括:

  • $(call my-dir):获取当前文件夹路径。
  • $(call all-java-files-under, <src>):获取指定目录下的所有 Java 文件。
  • $(call all-c-files-under, <src>):获取指定目录下的所有 C 语言文件。
  • $(call all-Iaidl-files-under, <src>) :获取指定目录下的所有 AIDL 文件。
  • $(call all-makefiles-under, <folder>):获取指定目录下的所有 Make 文件。
  • $(call intermediates-dir-for, <class>, <app_name>, <host or target>, <common?> ):获取 Build 输出的目标文件夹路径。

清单 2 和清单 3 分别是编译 APK 文件和编译 Java 静态库的 Make 文件示例:

清单 2. 编译一个 APK 文件
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 LOCAL_PATH := $(call my-dir) include $(CLEAR_VARS) # 获取所有子目录中的 Java 文件 LOCAL_SRC_FILES := $(call all-subdir-java-files)          # 当前模块依赖的静态 Java 库,如果有多个以空格分隔 LOCAL_STATIC_JAVA_LIBRARIES := static-library # 当前模块的名称 LOCAL_PACKAGE_NAME := LocalPackage # 编译 APK 文件 include $(BUILD_PACKAGE)
清单 3. 编译一个 Java 的静态库
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 LOCAL_PATH := $(call my-dir) include $(CLEAR_VARS)    # 获取所有子目录中的 Java 文件 LOCAL_SRC_FILES := $(call all-subdir-java-files)    # 当前模块依赖的动态 Java 库名称 LOCAL_JAVA_LIBRARIES := android.test.runner    # 当前模块的名称 LOCAL_MODULE := sample    # 将当前模块编译成一个静态的 Java 库 include $(BUILD_STATIC_JAVA_LIBRARY)

结束语

整个 Build 系统包含了非常多的内容,由于篇幅所限,本文只能介绍其中最主要内容。

由于 Build 系统本身也是在随着 Android 平台不断的开发过程中,所以不同的版本其中的内容和定义可能会发生变化。网络上关于该部分的资料很零碎,并且很多资料中的一些内容已经过时不再适用,再加上缺少官方文档,所以该部分的学习存在一定的难度。

这就要求我们要有很强的代码阅读能力,毕竟代码是不会说谎的。 要知道,对于我们这些开发人员来说,源代码就是我们最忠实的朋友。 Use the Source,Luke!

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