从CM刷机过程和原理分析Android系统结构

　　前面101篇文章都是分析Android系统源码，似乎不够接地气。如果能让Android系统源码在真实设备上跑跑看效果，那该多好。这不就是传说中的刷ROM吗?刷ROM这个话题是老罗以前一直避免谈的，因为觉得没有全面了解Android系统前就谈ROM是不完整的。写完了101篇文章后，老罗觉得第102篇文章该谈谈这个话题了，并且选择CM这个有代表性的ROM来谈，目标是加深大家对Android系统的了解。
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　　说起刷ROM的动机，除了上面说的用来看Android系统源码在真实设备上的运行效果，还有很多值得说的。回想起PC时代，我们对我们自己拥有的设备(电脑)，基本上能做的就是在上面重装系统。这个系统是厂商做好给我们的，里面有什么我们就用什么，不能随心所欲地定制。当然，如果你用的是Linux系统，你是可以随心所欲地对它进行定制的。不过可惜的是，我们的女神用的都是Windows系统。你和女神说你想要什么样的Linux系统，我给你定制一个，她会不知道你说的是什么――她需要的是一个不会中毒的又跑得快的Windows系统而已。现如今虽然很多女神用的是仍然是我们不能随心所欲定制的iOS系统，但是在移动设备上，iOS系统毕竟不能做到Windows在PC那样的一家独大――我们还有不少女神是用Android系统的。所以，如果你现在和女神说，我可以帮你刷一个专属的精简Android系统，里面没有一堆你不需要的预装软件，会让你的手机跑得很快，那女神得有多崇拜你啊。
　　当然，刷ROM的动机不能只是为了让女神崇拜，作为一个程序猿，我们的首要任务是维护宇宙和平。怎么维护呢?至少程序有BUG不能不改吧。你不改的话，老板是不会放过你的。但是，碰到那些很棘手的BUG，怎么办呢?例如，你是一个Android应用开发者，调用一个API接口的时候，总是抛出一个异常，而这个异常不跟到API内部实现去看看实在是不知道什么原因造成的。这时候，如果你手头上有这个手机的系统源代码，找这个API内部实现的地方，加一两行调试代码，再编译回手机上去跑，是不是就很容易定位问题了呢?
　　所以说，会刷ROM，不只是可以获得女神崇拜，还可以维护世界和平，作为一个Android开发者，你还有什么理由不去学习刷ROM呢?既然你决定学习刷ROM了，那你就得先搞清楚两个问题：1.
什么是刷ROM;2. 怎么学习刷ROM。
　　在回答第一个问题之前，我们先来看看Android设备从硬件到系统的结构，如图1所示：
　　



　　图1 Android系统架构
　　最底层的是各种硬件设备，往上一层是Bootloader。Bootloader是什么概念呢?我们都知道，PC主板上有一小段程序叫做BIOS，主板加电时它是第一个跑起来的程序，负责初始化硬件，以及将OS启动起来。在嵌入式世界里(手机也是属于嵌入式设备)，也有一小段类似BIOS的程序，不过它不叫BIOS，而是叫Bootloader。使用最广泛的Bootloader是一个叫uboot的程序，它支持非常多的体系结构。经过编译后，uboot会生成一个uboot.bin镜像，将这个镜像烧到设备上的一个特定分区去，就可以作为Bootloader使用了。
　　Bootloader支持交互式启动，也就是我们可以让Bootloader初始化完成硬件之后，不是马上去启动OS，而是停留在当前状态，等待用户输入命令告诉它接下来该干什么。这种启动模块就称为Fastboot模式。对于Android设备来说，我们可以通过adb
reboot bootloader命令来让它重新启动并且进入到Fastboot模式中去。
　　在讨论Fastboot模式之前，我们先了解一下嵌入式设备的ROM结构(NAND
flash之类的芯片)。通常，一个能够正常启动的嵌入式设备的ROM包含有以下四个分区：
　　1. Bootloader分区，也就是存放uboot.bin的分区
　　2. Bootloader用来保存环境变量的分区
　　3. Kernel分区，也就是存放OS内核的分区
　　4. Rootfs分区，也就是存入系统第一个进程init对应的程序的分区
　　当设备处于Fastboot模式时，我们可以通过另外一个工具fastboot来让设备执行指定的命令。对搞机者来说，最常用的命令就是刷入各种镜像文件了，例如，往Kernel分区和Rootfs分区刷入指定的镜像。
　　对于Android设备来说，当它处于Fastboot模式时，我们可以将一个包含有Kernel和Rootfs的Recovery.img镜像通过fastboot工具刷入到一个称为设备上一个称为Recovery的分区去。这个过程就是刷Recovery了，它也是属于刷ROM的一种。由于Recovery分区包含有Kernel和Rootfs，因此将Recovery.img刷入到设备后，我们就可以让设备正常地启动起来了。这种启动方式就称为Recovery模式。
对于Android设备来说，我们可以通过adb reboot recovery命令来让它进入到Recovery模式中去。
　　当设备处于Recovery模式时，我们可以做些什么呢?答案是取决于刷入的Recovery.img所包含的Rootfs所包含的程序。更确切地说，是取决于Rootfs镜像里面的init程序都做了些什么事情。不过顾名思义，Recovery就是用来恢复系统的意思，也包含有更新系统的意思。这里所说的系统，是用户正常使用的系统，里面包含有Android运行时框架，使得我们可以在上面安装和使用各种APP。
　　用户正常使用Android设备时的系统，主要是包含有两个分区：System分区和Boot分区。System分区包含有Android运行时框架、系统APP以及预装的第三方APP等，而Boot分区包含有Kernel和Rootfs。刷入到System分区和Boot分区的两个镜像称为system.img和boot.img，我们通常将它们打包和压缩为一个zip文件，例如update.zip，并且将它上传到Android设备上的sdcard上去。这样当我们进入到Recovery模式时，就可以在Recovery界面上用我们之前上传到sdcard的zip包来更新用户正常使用Android设备时所用的系统了。这个过程就是通常所说的刷ROM了。宝泰金号
　　不知道大家看明白了没有?广义上的刷ROM，实际上包含更新Recovery和更新用户正常使用的系统两个意思;而狭义上的刷ROM，只是更新用户正常使用的那个系统。更新Recovery需要进入到Fastboot模式中，而更新用户正常使用的那个系统需要进入到Recovery模式中。Android设备在启动的过程中，在默认情况下，一旦Bootloader启动完成，就会直接启动用户正常使用的那个系统，而不会进入到Recovery模式，或者停留在Bootloader中，也就是停留在Fastboot模式中。只有通过特定的命令，例如adb
reboot recovery和adb reboot
bootloader，或者特定的按键，例如在设备启动过程中同时按住音量减小键和电源开关键，才能让设备进入到Recovery模式或者Fastboot模式中。
　　因此，一个完整的刷ROM过程，包含以下两个步骤：
　　1. 让设备进入到Fastboot模式，刷入一个recovery.img镜像
　　2. 让设备进入到Recovery模式，刷入一个包含system.img镜像和boot.img镜像的zip包
　　不过需要注意的是，system.img镜像和boot.img镜像不一定是只有在Recovery模式才能刷入，在Fastboot模式下也是可以刷入的，就像在Fastboot模式中刷入recovery.img镜像一样，只不过在Recovery模式下刷入它们更友好一些。说到这里，就不得不说另外一个概念，就是所谓的Bootloader锁。在锁定Bootloader的情况下，我们是无法刷入非官方的recovery.img、system.img和boot.img镜像的。这是跟厂商实现的Bootloader相关的，它们可以通过一定的算法(例如签名)来验证要刷入的镜像是否是官方发布的。在这种情况下，必须要对Bootloader进行解锁，我们才可以刷入非官方的镜像。
　　好了，以上就回答了什么是刷ROM这个问题，接下来我们要回答的是如常学习刷ROM这个问题。
　　前面我们提到了刷ROM的两个步骤，实际上我们还少了一个重要的步骤，那就是先要制作recovery.img、system.img和boot.img。有人可能会说，网上不是很多现成的刷机包吗?直接拿过来用不就是行了吗?但是别忘了前面我们所说的刷ROM动机：随心所欲地定制自己的系统。去拿别人制好的刷机包就失去了随心所欲定制的能力。那就只能自己去编译AOSP源码生成刷机包了。
　　然而，从零开始从AOSP源码中编译出能在自己使用的手机上运行的系统，可不是一件容易的事情。不过，好在有很多现成的基于AOSP的第三方开源项目，可以编译出来在目前市场上大部分的手机上运行。其中，最著名的就是CyanogenMod了，简称CM。国内大部分的第三方Android系统，都是基于CM来开发的，包括MIUI和锤子。坚固金业
　　选择CM来讲解刷ROM的过程是本文的主题。不过单就刷ROM这个过程来说，CM官网上已经有很详细的过程，包括从CM源码编译出适用特定机型的刷机包，以及将编译出来的刷机包刷到手机里面去的过程。因此，本文不是单纯地讲解刷ROM过程，而是要结合原理来讲解刷ROM过程的关键步骤，来达到帮助大家更进一步地理解Android的目的。
　　要真正做到理解CM
ROM的刷机原理，除了要对Android系统本身有一定的认识之外，还熟练掌握Android的源码管理系统和编译系统。因此，在继续阅读下面的内容之前，希望可以先阅读前面Android源代码仓库及其管理工具Repo分析和Android编译系统简要介绍和学习计划这两个系列的文章。