OAT文件简介

OAT文件是在Android4.4中引入的。OAT是优化过的、用于ART虚拟机执行的DEX文件，类似于Dalvik的ODEX文件。OAT文件遵循ELF格式。ELF是Unix系统上可执行文件，目标文件，共享库和Core dump文件的标准格式。ELF全称是Executable and Linkable Format，该文件格式如下图所示：

ELF文件格式

每个ELF文件包含一个ELF头信息，以及文件数据。

头信息描述了整个文件的基本属性，例如ELF文件版本，目标机器型号，程序入口地址等。

文件数据包含三种类型的数据：

• 程序表（Program header table）：该数据会影响系统加载进程的内存地址空间
• 段表（Section header table）：描述了ELF文件中各个段的（Section）信息
• 若干个段。常见的段包括：
  • 代码段（.text）：程序编译后的指令
  • 只读数据段（.rodata）：只读数据，通常是程序里面的只读变量和字符串常量
  • 数据段：（.data）：初始化了的全局静态变量和局部静态变量
  • BSS端（.bss）：未初始化的全局变量和局部静态变量

关于ELF文件格式的详细说明可以参见维基百科：Executable and Linkable Format ，这里不再深入讨论。

下面我们再来看一下OAT文件的格式：

OAT文件格式

从这个图中我们看到，OAT文件中包含的内容有：

• ELF Header：ELF头信息。
• oatdata symbol：oatdata符号，其地址指向了OAT头信息。
• Header：Oat文件的头信息，详细描述了Oat文件中的内容。例如：Oat文件的版本，Dex文件个数，指令集等等信息。Header，Dex File数组以及Class Metadata数组都位于ELF的只读数据段(.rodata)中。
• Dex File数组：生成该Oat文件的Dex文件，可能包含多个。
• Class Metadata数组：Dex中包含的类的基本信息，可能包含多个。通过其中的信息可以索引到编译后的机器码。
• 编译后的方法代码数组：每个方法编译后对应的机器码，可能包含多个。这些内容位于代码段（.text）中。

我们可以通过/art/目录下的这些源码文件来详细了解Oat文件的结构：

• compiler/oat_witer.h
• compiler/oat_writer.cc
• dex2oat/dex2oat.cc
• runtime/oat.h
• runtime/oat.cc
• runtime/oat_file.h
• runtime/oat_file.cc
• runtime/image.h
• runtime/image.cc

Oat文件的主要组成结构如下表所示：

Oat文件的主要组成结构如下表所示：

dex文件可以通过dexdump工具进行分析。oat文件也有对应的dump工具，这个工具就叫做oatdump。

通过adb shell连上设备之后，可以通过输入oatdump来查看该命令的帮助：

angler:/ # oatdump
No arguments specified
Usage: oatdump [options] ...
    Example: oatdump --image=$ANDROID_PRODUCT_OUT/system/framework/boot.art
    Example: adb shell oatdump --image=/system/framework/boot.art

  --oat-file=<file.oat>: specifies an input oat filename.
      Example: --oat-file=/system/framework/boot.oat

  --image=<file.art>: specifies an input image location.
      Example: --image=/system/framework/boot.art

  --app-image=<file.art>: specifies an input app image. Must also have a specified
 boot image and app oat file.

...

例如：可以通过–list-classes命令参数来列出dex文件中的所有类：

oatdump --list-classes --oat-file=/data/dalvik-cache/arm64/system@app@Calendar@Calendar.apk@classes.dex

boot.oat 与 boot.art

任何应用程序都不是孤立存在的，几乎所有应用程序都会依赖Android Framework中提供的基础类，例如Activity，Intent，Parcel等类。所以在应用程序的代码中，自然少不了对于这些类的引用。因此，在上图中我们看到，代码（.text）段中的的代码会引用Framework Image和Framrwork Code中的内容。

考虑到几乎所有应用都存在这种引用关系，在运行时都会依赖于Framework中的类，因此系统如何处理这部分逻辑就是非常重要的了，因为这个处理的方法将影响到所有应用程序。

在AOSP编译时，会将所有这些公共类放到专门的一个Oat文件中，这个文件就是：boot.oat。与之配合的还有一个boot.art文件。

我们可以在设备上的/data/dalvik-cache/[platform]/目录下找到这两个文件：

-rw-r--r-- 1 root   root      11026432 1970-06-23 01:35 system@framework@boot.art
-rw-r--r-- 1 root   root      31207992 1970-06-23 01:35 system@framework@boot.oat

boot.art中包含了指向boot.oat中方法代码的指针，它被称之为启动镜像（Boot Image），并且被加载的位置是固定的。boot.oat被加载的地址紧随着boot.art。

包含在启动镜像中的类是一个很长的列表，它们在这个文件中配置：frameworks/base/config/preloaded-classes。从Android L（5.0）之后的版本开始，设备厂商可以在设备的device.mk中通过PRODUCT_DEX_PREOPT_BOOT_FLAGS这个变量来添加配置到启动镜像中的类。像这样：

PRODUCT_DEX_PREOPT_BOOT_FLAGS += --image-classes=<filename>

系统在初次启动时，会根据配置的列表来生成boot.oat和boot.art两个文件（读者也可以手动将/data/dalvik-cache/目录下文件都删掉来让系统重新生成），生成时的相关日志如下：

1249:10-04 04:25:45.700   530   530 I art     : GenerateImage: /system/bin/dex2oat --image=/data/dalvik-cache/arm64/system@framework@boot.art --dex-file=/system/framework/core-oj.jar 
--dex-file=/system/framework/core-libart.jar --dex-file=/system/framework/conscrypt.jar 
--dex-file=/system/framework/okhttp.jar --dex-file=/system/framework/core-junit.jar 
--dex-file=/system/framework/bouncycastle.jar --dex-file=/system/framework/ext.jar --dex-file=/system/framework/framework.jar --dex-file=/system/framework/telephony-common.jar 
--dex-file=/system/framework/voip-common.jar --dex-file=/system/framework/ims-common.jar 
--dex-file=/system/framework/apache-xml.jar --dex-file=/system/framework/org.apache.http.legacy.boot.jar --oat-file=/data/dalvik-cache/arm64/system@framework@boot.oat --instruction-set=arm64 -
-instruction-set-features=smp,a53 
--base=0x6f96c000 --runtime-arg -Xms64m --runtime-arg -Xmx64m 
--compiler-filter=verify-at-runtime 
--image-classes=/system/etc/preloaded-classes 
--compiled-classes=/system/etc/compiled-classes -j4 
--instruction-set-variant=cor

OAT文件使用

• 如果有 .oat 文件（即 .dex 文件的 AOT 二进制文件），ART 会直接使用该文件。虽然 .oat 文件会定期生成，但文件中不一定会包含经过编译的代码（即 AOT 二进制文件）。
• 如果 .oat 文件不含经过编译的代码，ART 会通过 JIT 和解释器执行 .dex 文件。