虛擬機(jī)其實(shí)我們并不陌生，比如vmware,virtualbox等PC平臺(tái)上的虛擬機(jī)軟件，相信很多人都玩過(guò)。比如在windows上跑一個(gè)ubuntu來(lái)研究一下linux，編譯一下android源碼什么的。使用虛擬機(jī)一般有兩個(gè)目的，一個(gè)是平臺(tái)模擬，一個(gè)是便于維護(hù)。

我們知道系統(tǒng)的底層是基于CPU設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)，而CPU根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同有著不同的指令集和寄存器結(jié)構(gòu)，也就是架構(gòu)。常見(jiàn)的PC平臺(tái)有x86、x86_64架構(gòu),移動(dòng)平臺(tái)有arm架構(gòu)。這些架構(gòu)的差異使得不同的系統(tǒng)無(wú)法直接跨平臺(tái)運(yùn)行，因?yàn)橄到y(tǒng)源碼最終要被編譯成機(jī)器指令才能運(yùn)行。當(dāng)然有些系統(tǒng)支持了非常豐富的硬件平臺(tái)，比如Linux，既可以在x86平臺(tái)運(yùn)行，也可以在arm平臺(tái)上運(yùn)行。但是如果我們要在x86平臺(tái)上運(yùn)行最初只支持arm結(jié)構(gòu)的Android系統(tǒng)，我們就需要一個(gè)中間層，模擬出一個(gè)arm平臺(tái)，將arm架構(gòu)的指令和寄存器操作，使用軟件功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。有的虛擬機(jī)為了提高執(zhí)行效率，也有將目標(biāo)平臺(tái)的指令，直接翻譯成宿主平臺(tái)指令執(zhí)行的，具體一點(diǎn)可以參考這里，虛擬機(jī)的原理大致如下圖：

虛擬機(jī)原理示意圖

我們說(shuō)的平臺(tái)模擬的虛擬機(jī)就屬于TYPE2類型，底層的OS就是宿主系統(tǒng)，上層的OS就是目標(biāo)系統(tǒng)，中間的HYPER VISOR就是虛擬機(jī)軟件。Android虛擬機(jī)也是平臺(tái)虛擬機(jī)的一種，為了后續(xù)方便研究，我們先總結(jié)一下PC上虛擬機(jī)的運(yùn)行過(guò)程。首先我們需要下載一個(gè)虛擬機(jī)軟件，然后在軟件里創(chuàng)建虛擬機(jī)，指定虛擬的硬件配置，虛擬機(jī)數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在一個(gè)虛擬磁盤文件里，最后我們需要為虛擬機(jī)安裝目標(biāo)系統(tǒng)，然后就可以啟動(dòng)虛擬機(jī)了。所以它包含幾個(gè)主要部分：

• 虛擬機(jī)軟件
• 硬件配置
• 虛擬機(jī)文件
• 目標(biāo)系統(tǒng)

虛擬機(jī)和真機(jī)差異

我們運(yùn)行自己APP，既可選擇真機(jī)調(diào)試運(yùn)行，也可以使用虛擬機(jī)。一般情況下，使用真機(jī)速度更快，體驗(yàn)更佳，但是真機(jī)也有自己的一些缺陷。比如，獲取成本高，假如要測(cè)試APP的兼容性，針對(duì)不同API版本的機(jī)型都進(jìn)行配置的話，將會(huì)是一筆不少的花費(fèi)。其次，真機(jī)的系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)OEM廠家定制的，不一定是原生的API和內(nèi)在邏輯，也無(wú)法針對(duì)GoogleAPI等服務(wù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如果機(jī)器里沒(méi)有的話。特別地，當(dāng)你想要燒錄自己編譯的源碼，對(duì)FrameWork或者更加底層的邏輯行調(diào)試的時(shí)候，真機(jī)則更加不方便。OEM廠家一般都會(huì)鎖定刷機(jī)功能，比如FastBoot，只能用廠家自己的刷機(jī)工具進(jìn)行刷機(jī)，一般也不容獲取。并且每家的源碼和鏡像文件格式都不相同，編譯的標(biāo)準(zhǔn)源碼無(wú)法直接燒錄。所以，如果要進(jìn)行Android系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)虛擬機(jī)的使用還是非常必要的。

使用方式及差異

Android虛擬機(jī)的獲取方式有兩種，一種是下載AndroidStudio，使用AndroidStudio進(jìn)行虛擬機(jī)的創(chuàng)建，下載對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)鏡像，虛擬機(jī)運(yùn)行之后就可以當(dāng)做設(shè)備一樣使用adb連接調(diào)試了。還有一種是下載Android sdk tool,使用avd manager命令進(jìn)行安裝、運(yùn)行。第一種的優(yōu)勢(shì)是方便、直觀，根據(jù)UI提示一步一步操作就可以創(chuàng)建、運(yùn)行虛擬機(jī)，實(shí)際上它也是使用avd manager的功能。第二種的優(yōu)勢(shì)是可以了解adv manager的工作原理，可以使用參數(shù)進(jìn)行最靈活的配置，可以定制自己的kernel、system鏡像等等。我們要研究的就是第二種。

從官方的教程來(lái)看，Android虛擬機(jī)是基于QEMU開(kāi)源虛擬機(jī)衍生出來(lái)的，如果想深入研究一下虛擬機(jī)原理，可以研究一下QEMU。如果要看官方教程請(qǐng)戳這里，QEMU官方教程請(qǐng)戳這里。

虛擬機(jī)的安裝

從官方鏈接上，我們可以下載到不同平臺(tái)的AndroidStudio，其中自帶了整套的AndroidSdk工具。如果我們不需要AndroidStudio，比如在構(gòu)建服務(wù)器上，我們也可以只下載sdk工具，通過(guò)工具在線下載build tool、不同版本的sdk、創(chuàng)建虛擬機(jī)等等。這里不做詳細(xì)的介紹。

安裝完之后，將SDK路徑/tools添加到PATH環(huán)境變量中，便于使用。也可以直接到sdk路徑下面運(yùn)行命令，MAC平臺(tái)的SDK路徑是：

/Users/your_name/Library/Android/sdk/

虛擬機(jī)的運(yùn)行

使用avdmanager命令行創(chuàng)建虛擬機(jī)比較復(fù)雜，也是理解虛擬機(jī)的核心部分，我們稍后一步一步探索。

假如我們有一個(gè)創(chuàng)建好的虛擬機(jī)，比如我們可以先使用AndroidStudio創(chuàng)建一個(gè)，就可以使用以下的命令直接運(yùn)行虛擬機(jī)。

emulator -avd avd_name [ {-option [value]} … ]

或者

emulator @avd_name [ {-option [value]} … ]

可以看到這個(gè)emulator就是我們虛擬機(jī)程序正主了，我們到sdk安裝目錄下去看看它是個(gè)什么文件。

heavy:~/Library/Android/sdk/tools$ file emulator
emulator: Mach-O 64-bit executable x86_64
heavy:~/Library/Android/sdk/tools$ ls -alh emulator
-rwxr-xr-x  1 heavy  staff   253K  1  2  2018 emulator

可以看到，emulator是一個(gè)可執(zhí)行文件，但是體積很小，按照虛擬機(jī)的功能和復(fù)雜性而言，應(yīng)該是不只這個(gè)大小的，所以合理推測(cè)它應(yīng)該還依賴了其他的可執(zhí)行文件或者庫(kù)文件，這里先不研究，就把它當(dāng)做虛擬機(jī)程序。

虛擬機(jī)的存儲(chǔ)路徑

根據(jù)PC虛擬機(jī)使用總結(jié)，虛擬機(jī)要運(yùn)行還需要安裝了目標(biāo)系統(tǒng)的虛擬磁盤文件，這里通過(guò)-avd參數(shù)的名稱指定了磁盤文件位置，我們來(lái)看看虛擬機(jī)是怎么根據(jù)名稱來(lái)找到這個(gè)文件的。

我們執(zhí)行以下命令：

./bin/avdmanager list avd

可以看到輸出:

Parsing /Users/heavy/Library/Android/sdk/build-tools/21.1.1/package.xml
...
...
Parsing /Users/heavy/Library/Android/sdk/system-images/android-23-bak/google_apis/x86_64/package.xml
...
    Name: Nexus_5X_API_23
  Device: Nexus 5X (Google)
    Path: /Users/heavy/.android/avd/Nexus_5X_API_23.avd
  Target: Google APIs (Google Inc.)
          Based on: Android 6.0 (Marshmallow) Tag/ABI: google_apis/x86_64
    Skin: nexus_5x
  Sdcard: 512M

avdmanager解析了很多的平臺(tái)配置文件:package.xml，最后告訴我們找到一個(gè)可用的虛擬機(jī)，位置在主目錄下面。我們打開(kāi)文Nexus_5X_API_23.avd件查看內(nèi)容:

avd.ini.encoding=UTF-8
path=/Users/heavy/.android/avd/Nexus_5X_API_23.avd
path.rel=avd/Nexus_5X_API_23.avd
target=android-23

發(fā)現(xiàn)它只是一個(gè)配置文件，通過(guò)path和path.rel指向虛擬機(jī)數(shù)據(jù)文件夾的絕對(duì)、相對(duì)地址。我們?cè)俨榭茨夸浀膬?nèi)容:

drwxr-xr-x  18 heavy  staff   576B 12  4 10:24 .
drwxr-xr-x   4 heavy  staff   128B 12  4 10:34 ..
-rw-r--r--   1 heavy  staff    66M 12  3 14:25 cache.img
-rw-r--r--   1 heavy  staff   4.3M 12  4 10:24 cache.img.qcow2
-rw-r--r--   1 heavy  staff   1.1K 12  3 14:25 config.ini
drwxr-xr-x   7 heavy  staff   224B 12  3 14:25 data
-rw-r--r--   1 heavy  staff    51B 12  4 10:24 emulator-user.ini
-rw-r--r--   1 heavy  staff   1.0M 12  3 14:25 encryptionkey.img
-rw-r--r--   1 heavy  staff   448K 12  4 10:24 encryptionkey.img.qcow2
-rw-r--r--   1 heavy  staff   1.9K 12  4 10:24 hardware-qemu.ini
-rw-r--r--   1 heavy  staff   512M 12  3 14:25 sdcard.img
-rw-r--r--   1 heavy  staff   768K 12  4 10:24 sdcard.img.qcow2
drwxr-xr-x   3 heavy  staff    96B 12  3 14:26 snapshots
-rw-r--r--   1 heavy  staff   192K 12  3 14:25 system.img.qcow2
-rw-r--r--   1 heavy  staff   2.0G 12  3 14:25 userdata-qemu.img
-rw-r--r--   1 heavy  staff   326M 12  4 10:24 userdata-qemu.img.qcow2
-rw-r--r--   1 heavy  staff   2.0G 12  3 14:25 userdata.img
-rw-r--r--   1 heavy  staff     8B 12  3 14:25 version_num.cache

我們就找到了虛擬機(jī)使用的相關(guān)數(shù)據(jù)了，具體的文件內(nèi)容稍后研究?，F(xiàn)在我們回頭來(lái)看看，avdmanager是怎么找到Nexus_5X_API_23.avd文件的，為什么查找虛擬機(jī)要解析那些package.xml文件呢。

根據(jù)官網(wǎng)的描述，虛擬機(jī)數(shù)據(jù)路徑默認(rèn)規(guī)則是:

~/.android/avd/name.avd/

其中name就是虛擬機(jī)的名稱， ~是主機(jī)上的android主目錄，可以通過(guò)ANDROID_SDK_HOME來(lái)動(dòng)態(tài)指定。

it displays a list of AVD names from your Android home directory. Note that you can override the default home directory by setting the ANDROID_SDK_HOME environment variable.

如果設(shè)置環(huán)境變量指向一個(gè)其他的路徑,avdmanager就會(huì)到指定的路徑下去尋找虛擬機(jī)文件,下面這個(gè)api26是手動(dòng)拷貝到環(huán)境變量指定的路徑下面的，但是它會(huì)被當(dāng)做一個(gè)虛擬機(jī)。

heavy:~/Library/Android/sdk/tools$ echo $ANDROID_SDK_HOME
/Users/heavy/temp
heavy:~/Library/Android/sdk/tools$ ls ~/temp/.android/avd/
Nexus_5X_API_26.ini
heavy:~/Library/Android/sdk/tools$ ./bin/avdmanager list avd
Virtual Devices:
    Name: Nexus_5X_API_26
  Device: Nexus 5X (Google)
    Path: /Users/heavy/.android/avd/Nexus_5X_API_23.avd
  Target: Google APIs (Google Inc.)
          Based on: Android 6.0 (Marshmallow) Tag/ABI: google_apis/x86_64
    Skin: nexus_5x
  Sdcard: 512M

如果我們修改了虛擬機(jī)存儲(chǔ)路徑的名稱：

heavy:~/.android/avd$ mv Nexus_5X_API_23.avd/ Nexus_5X_API_23.avd-bak
heavy:~/.android/avd$ ~/Library/Android/sdk/tools/bin/avdmanager list avd
Available Android Virtual Devices:

The following Android Virtual Devices could not be loaded:
    Name: Nexus_5X_API_23
    Path: /Users/heavy/.android/avd/Nexus_5X_API_23.avd
   Error: Failed to parse properties from /Users/heavy/.android/avd/Nexus_5X_API_23.avd/config.ini

avdmanager依然可以找到虛擬機(jī)，但是加載的時(shí)候會(huì)失敗，如果我們修改了虛擬機(jī)初始化文件的路徑,avdmanager直接就找不到虛擬機(jī)了。

heavy:~/.android/avd$ ls
heavy:~/.android/avd$ mv Nexus_5X_API_23.ini Nexus_5X_API_23.ini-bak
heavy:~/.android/avd$ ls
Nexus_5X_API_23.avd     Nexus_5X_API_23.ini-bak
heavy:~/.android/avd$ ~/Library/Android/sdk/tools/bin/avdmanager list avd
Available Android Virtual Devices:

說(shuō)明實(shí)際上avdmanager是根據(jù)路徑規(guī)則，找的同名配置文件，然后根據(jù)配置文件里的路徑，再尋找虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)路徑的。那為什么要解析sdk路徑下面的package.xml文件呢？

這里我沒(méi)有找到足夠的資料，只能做一個(gè)推測(cè)。我們知道AndroidSDK工具分了很多平臺(tái)和api版本，除去最基本的tools,plaform-tools等工具是sdk必備的，其他的都是可以根據(jù)需要選裝的，所以google提供了sdkmanager作為一個(gè)工具，用于管理本地的sdk工具集，包括從遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)下載和安裝不同版本的sdk、編譯好的虛擬機(jī)系統(tǒng)鏡像等等。為了方便安裝使用，sdkmanager的實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有使用數(shù)據(jù)庫(kù)這種強(qiáng)關(guān)系管理工具來(lái)管理平臺(tái)和依賴，而只是使用環(huán)境變量、目錄結(jié)構(gòu)這種弱關(guān)系，比如允許ANDROID_SDK_HOME來(lái)指定android主目錄，比如sdk版本默認(rèn)放在sdk/platforms下面而虛擬機(jī)系統(tǒng)鏡像放在sdk/system-imges下面。出于靈活性考慮，sdkmanager對(duì)sdk版本和系統(tǒng)鏡像版本的目錄結(jié)構(gòu)不是在代碼里寫死的，而是通過(guò)package.xml索引文件來(lái)聲明的，包括包類型，api版本，顯示名稱，相對(duì)路徑等等。所以當(dāng)我們avdmanager找到了虛擬機(jī)文件的時(shí)候，還要根據(jù)虛擬機(jī)的平臺(tái)、版本，查看是否有安裝對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)鏡像，所以就有了上述的package.xml遍歷。

為了驗(yàn)證這個(gè)推測(cè)，我們把sdk/platforms/下，android-21和android-27重命名為android-210,android-270:

heavy:~/Library/Android/sdk/platforms$ ls
android-19  android-22  android-24  android-26
android-210 android-23  android-25  android-270

然后把對(duì)應(yīng)目錄下package.xml中的path路徑也修改為210和270,打開(kāi)sdkmanager，查看安裝的sdk版本:

路徑修改后sdk版本列表

可以看到修改后的sdk版本還是可以被正確地識(shí)別，說(shuō)明我們的推測(cè)是對(duì)的。但是avdmanager為什么要搜索已安裝的sdk和system-images版本還是沒(méi)有看懂。實(shí)際上在虛擬機(jī)目錄下的hardware-qemu.ini文件里，有關(guān)于虛擬機(jī)的所有配置，其中就包括了kernel,system等鏡像文件的路徑，是不需要進(jìn)行搜索查找的。

我們總結(jié)一下虛擬機(jī)文件的查找路徑:

1. 根據(jù)$ANDROID_SDK_HOME/.android/avd/name.ini獲取虛擬機(jī)列表，如果環(huán)境變量未設(shè)置，默認(rèn)在用戶的主目錄
2. 根據(jù)name.ini里的PATH，查找虛擬機(jī)數(shù)據(jù)的存放路徑
3. 虛擬機(jī)使用的數(shù)據(jù)文件路徑、配置等由路徑下的hardware-qemu.ini文件指定

虛擬機(jī)的文件內(nèi)容

在上面的存儲(chǔ)路徑的研究中，我們已經(jīng)看到了虛擬機(jī)的文件列表，官方對(duì)于這些也沒(méi)有非常詳細(xì)的說(shuō)明，只說(shuō)明了幾個(gè)比較關(guān)鍵的文件，在這里盡量說(shuō)明個(gè)人理解的所有內(nèi)容，包括一些推測(cè)。

• cache.img
  緩存分區(qū)，會(huì)掛載在虛擬機(jī)的/cache目錄下，用于存儲(chǔ)下載等一些臨時(shí)文件，關(guān)機(jī)的時(shí)候會(huì)被清除，可以在虛擬機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，使用參數(shù)-cache持久化緩存。緩存分區(qū)開(kāi)始是空的，并且會(huì)被清空如果使用了-wipe-data選項(xiàng)。
• cache.img.qcow2
  cache.img的軟連接
• config.ini
  設(shè)備配置文件，用于Android設(shè)備相關(guān)的屬性。
• data
  虛擬機(jī)運(yùn)行的一些數(shù)據(jù)
• emulator-user.ini
  未知
• encryptionkey.img
  不清楚具體作用，等研究完android源碼構(gòu)建之后，再行補(bǔ)充。
• encryptionkey.img.qcow2
  encryptionkey的軟連接
• hardware-qemu.ini
  設(shè)備配置文件，用于虛擬機(jī)自身相關(guān)的屬性，包括文件系統(tǒng)鏡像等。
• sdcard.img
  sd卡分區(qū)，用于模擬設(shè)備的sd卡。
• sdcard.img.qcow2
  sdcard.img的軟連接。
• snapshots
  快照數(shù)據(jù)路徑，用于保存虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，快速恢復(fù)虛擬機(jī)。
• system.img.qcow2
  system.img的軟連接，因?yàn)閟ystem.img是只讀的，所以并沒(méi)有被拷貝到虛擬機(jī)目錄下。
• userdata.img
  系統(tǒng)文件下拷貝過(guò)來(lái)，用于生成userdata-qemu.img文件的，不知道為啥之后沒(méi)有刪除。
• userdata-qemu.img
  /data分區(qū)的鏡像文件，每個(gè)虛擬機(jī)單獨(dú)一個(gè)，在虛擬機(jī)創(chuàng)建或者使用-wipe-data選項(xiàng)的時(shí)候，根據(jù)系統(tǒng)目錄下的userdata.img文件生成。
• userdata-qemu.img.qcow2
  userdata-qemu.img的軟連接
• version_num.cache
  未知

以上是虛擬機(jī)創(chuàng)建后的數(shù)據(jù)文件，還有幾個(gè)文件是放在系統(tǒng)鏡像文件下面，直接通過(guò)配置文件索引的：

• kernel-qemu or kernel-ranchu
  系統(tǒng)內(nèi)核鏡像
• ramdisk.img
  /boot分區(qū)的鏡像，是system.img之前掛載，用于做一些初始化工作

虛擬機(jī)的配置

上述已經(jīng)介紹了虛擬機(jī)的兩個(gè)配置文件hardware-qemu.ini和config.ini，用于設(shè)置虛擬機(jī)設(shè)備和Android設(shè)備屬性。一般來(lái)說(shuō)通過(guò)這些配置模擬市面上真機(jī)的配置，不是特殊需要，不要進(jìn)行修改。但是hardware-qemu.ini中指定了虛擬機(jī)的系統(tǒng)分區(qū)鏡像文件的路徑，如果進(jìn)行源碼調(diào)試，可以直接修改到源碼編譯的目錄，這樣避免了編譯結(jié)束的拷貝動(dòng)作。具體的配置請(qǐng)參考配置文件，還是比較直觀的。

創(chuàng)建虛擬機(jī)

執(zhí)行以下命令可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)：

avdmanager create avd -n TEST_AVD -c 512M -k "system-images;android-23;google_apis;x86_64"

執(zhí)行后avdmanger會(huì)讓你輸入虛擬機(jī)的各項(xiàng)配置，嘗試一路默認(rèn)選項(xiàng)之后，也可以運(yùn)行起來(lái)，這里就不再貼了。這些參數(shù)很多，理解起來(lái)也很費(fèi)勁，沒(méi)弄好的話后面用起來(lái)出啥問(wèn)題也了不一定，推薦還是用UI工具來(lái)創(chuàng)建虛擬機(jī)會(huì)更加方便友好一點(diǎn)。

這里重點(diǎn)想講一下 -k 參數(shù)，一開(kāi)始沒(méi)有研究明白的時(shí)候，總看不懂這個(gè)參數(shù)的含義，也就看不懂這條命令。這個(gè)參數(shù)用分號(hào)隔開(kāi)的，其實(shí)相對(duì)sdk目錄的，虛擬機(jī)初始鏡像的存放的路徑，用avdmanager UI工具下載的系統(tǒng)鏡像都按照如下的規(guī)則存儲(chǔ)：

~/Library/Android/sdk/system-images/android-apiLevel/variant/arch/

當(dāng)然也可以使用avdmanager命令下載系統(tǒng)鏡像，讀者自行研究哈。官方教程請(qǐng)戳這里

調(diào)試安卓系統(tǒng)

本來(lái)這里想通過(guò)查看虛擬機(jī)啟動(dòng)全部日志，可以查看系統(tǒng)開(kāi)機(jī)過(guò)程，包括kernel等底層邏輯的，但是嘗試了一下沒(méi)有能夠搞定，只能用adb來(lái)連接，那就不多介紹了。