Android 动态分区详解(一) 5 张图让你搞懂动态分区原理

文章目录

0. 导读
1. 动态分区详解的背景
- 1.1 背景
- 1.2 动态分区的本质
2. Linux device mapper 驱动
3. Android 动态分区布局
- 3.1 动态分区布局
- 3.2 metadata 数据布局
- 3.3 metadata 数据小结
4. Android 动态分区的核心数据结构
- 4.1 LpMetadata 结构
- 4.2 LpMetadataGeometry 结构
- 4.2 LpMetadataHeader 结构
- 4.3 LpMetadataPartition 结构
- 4.4 LpMetadataExtent 结构
- 4.5 LpMetadataPartitionGroup 结构
- 4.6 LpMetadataBlockDevice 结构
5. Android 动态分区映射示例
- 5.1 super.img 的编译和生成
- 5.2 super.img 的解析
- 5.3 super.img 的映射
6. 总结
- 6.1 关于 super 分区的布局
- 6.2 关于 LpMetadata 数据结构
- 6.3 动态分区生成，解析和映射流程
7. 其它

0. 导读

本文主要包含动态分区的物理数据布局，内存核心数据结构和动态分区映射示例 3 个部分。

如果你对动态分区没啥概念，建议直接从头阅读
如果只关心动态分区在设备上是如何存储的，请跳转到第 3 节
如果只关心动态分区在内存中的数据结构，请跳转到第 4 节
如果想看动态分区生成和映射的大致过程，请跳转到第 5 节

1. 动态分区详解的背景

1.1 背景

之前一直没有去了解动态分区，但随着最近重新研究 Android OTA 升级，发现动态分区是一个绕不过去的坎。

从 Android Q 引入动态分区，到 Android R/S 在动态分区之上增加虚拟分区管理, OTA 升级时需要对分区变更进行处理，不了解动态分区就无法深入 Android OTA 升级。

因此最近花了些时间阅读代码，学习 Android 动态分区。学习在 linux device mapper 机制之上，Android 系统对动态分区的各种操作处理。因此，这一系列没有包含 linux 底层 device mapper 驱动解读，后面看情况会考虑深入。

目前这几篇文章的大致规划如下，后续可能会有变动：

Android 动态分区详解(一): 5 张图让你搞懂动态分区原理
Android 动态分区详解(二): 相关工具介绍
Android 动态分区详解(三): 动态分区配置和 super.img 的生成
Android 动态分区详解(四): 动态分区的加载
Android 动态分区详解(五): OTA 中对动态分区的处理

1.2 动态分区的本质

请原谅我总是忍不住想说一些空洞的废话。

动态分区管理的本质是什么？

分区数据是对磁盘上数据分布的描述，系统挂载磁盘时读取数据，在内存中建立相应数据结构，用于后续对磁盘进行管理。可见这里需要先提前生成分区数据，然后读取数据，一旦分区数据写入后就固定了。

动态分区，顾名思义就是分区是动态的，不是一成不变的，可以根据需要改变。动态分区管理的本质就是对分区数据的增删改查操作，操作的对象就是动态分区描述数据 metadata。

围绕 metadata 数据进行增删改查，就是 Android 动态分区管理的核心内容:

增: metadata 是如何生成的？
删: 没有删除 metadata 的需求，不需要删除操作
改: OTA 升级时是如何修改 metadata 的?
查: 系统如何读取(查询) metadata 数据并进行解析，并基于解析结果创建分区?

2. Linux device mapper 驱动

Android 动态分区最底层基于 Linux 的 device mapper 机制，将 super 分区的各个不同部分映射成 device mapper 的 linear 设备。因此，肯定有人会问，学习动态分区前需要先学习 device mapper 驱动吗？

答案是不需要，我就深入没有学习过 device mapper 驱动，但并不妨碍我对 Android 动态分区管理的理解。

注意:

我强调的是对Android 动态分区管理的理解，而不是动态分区底层机制的理解，如果你想知道动态分区最底层实现的细节，还是应该去读一读 device mapper 驱动。

Linux device mapper 相关驱动位于 drivers/md 目录下。

当然，在理解动态分区管理之前，能知道一些 device mapper 的基本原理就更好，我这里所谓的基本原理，是你能看懂下面这张图:

图 1. Device mapper 内核中各对象的层次关系

说下图 1 的重点:

虚拟设备 Mapped Device 基于驱动 Target Driver和内部的映射表 Mapping Table 来实现
一个虚拟设备 Mapped Device 可以由一个或多个 Target Device 映射组成，参与映射的 Target Device 本身也可能是虚拟设备

所以，一个设备可能是真实的，也可能是虚拟的。对虚拟设备的访问会被 Target Driver 拦截，然后通过 Mapping Table 转发给另外一个设备。例如，在 Android Q 上，对 system_a或 vendor_a 分区的访问被驱动拦截并转发为对 super 分区某个区域的访问。而这里的拦截以及转发对用户是透明的，用户根本不知道，也不需要知道他最终访问的到底是哪个设备。

如果不打算读 device mapper 驱动代码，但又希望在总体上对 device mapper 有比较全面的认识，推荐阅读《(转载)device mapper原理》这篇文章。

这篇文章源自 IBM 《Linux 内核中的 Device Mapper 机制》: https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-devmapper/，但该文的原始内容已经不可访问。

3. Android 动态分区布局

3.1 动态分区布局

Android 从 Q 10 开始引入动态分区 super，将原来的 system_a, system_b, vendor_a, vendor_b 等打包到到这个分区中。下面是 Android 官方的分区转换布局图:

这个图全网随处可见，好吧，我承认我绕不开这张图了~

来源: https://source.android.google.cn/devices/tech/ota/dynamic_partitions/implement

图 2. 转换为动态分区时的新物理分区表布局

既然新的 super 分区内部包含了多个原来的分区，那要如何才能识别这些内部的分区呢？答案就是引入数据来描述 super 分区的布局。

于是，在 super 分区开头存储用于描述分区布局的 metadata，和磁盘开头存储用于描述磁盘分区布局的 gpt 数据的道理一样。系统加载动态分区时读取 metadata，对其进行解析，在内存中建立 super 分区布局描述的 LpMetadata 结构体，就知道内部的各个分区都位于哪个地方。

换句话说，metadata 就是 LpMetadata 结构在 super 分区上的物理存储数据，而 LpMetadata是 metadata 在内存中的数据结构。LpMetadata中的信息会被转换成图 1 中的映射表Mappting Table，基于这个映射表，super 分区对应设备/dev/block/by-name/super 的不同部分被映射成多个虚拟设备，如/dev/block/mapper/system_a, /dev/block/mapper/vendor_a 等。

3.2 metadata 数据布局

在开始研究内存数据结构 LpMetadata 之前，先从宏观上看下物理存储的 metadata 是怎样的。

下图是我基于 Android 官方的布局图 (图 2. 转换为动态分区时的新物理分区表布局)，对 metadata 部分细化后的的结构示意图。

图 3. 安卓动态分区布局及其 metadata

对 metadata，可以分层 3 个层次，见图 2 最右侧的 3 列：

第 1 层，super 分区(宏观)

super 分区头部存放描述分区内部布局的 metadata 数据
metadata 数据之后 1MB 对齐开始的地方依次存放两组槽位(slot)的分区数据

第 2 层，metadata 数据(中观)

metadata 数据开始前预留了 4K 的空间，所以 metadata 数据从 4K 的偏移位置开始
metadata 数据由 Geometry 和 Metadata 两部分组成
- Geometry 大小为 4K，数据除自身外，还有个一个备份，紧挨着 Geometry 存放
- Metadata 大小 64K，按槽位(slot)存放，每个槽位有一份 Metadata 数据，所有槽位的 Metadata 数据结束后开始存放其备份数据
- 分区加载时，根据分区对应槽位，读取相应槽位的 Metadata 和其备份数据
为什么槽位有两个，但是这里的 Metadata 有 3 份呢？

我一开始也有这个疑惑，经过核对传递给 lpmake 的参数后发现确实是 3 份。

在 Android 编译生成 super.img 时，传递给 metadata 生成工具 lpmake 的参数 “--metadata-slots 3”，所以 Metadata 有 3 份。lpmake 工具只不过是一个干活的苦逼，上层的编译系统下指令说生成几份 Metadata 就生成几份。

至于为什么要传递 “--metadata-slots 3” 而不是 “--metadata-slots 2” 给 lpmake ？那就是 builder_super_image.py 脚本的事情了，相关代码如下:
```
def BuildSuperImageFromDict(info_dict, output):cmd = [info_dict["lpmake"],"--metadata-size", "65536","--super-name", info_dict["super_metadata_device"]]...if ab_update and retrofit:cmd += ["--metadata-slots", "2"]elif ab_update:cmd += ["--metadata-slots", "3"]else:cmd += ["--metadata-slots", "2"]
```
只有当 retrofit 为 true 时才为 2，为什么要这么做，去问谷大爷吧~
第 3 层，Geometry 和 Metadata(微观)
- Geometry 内部是大小为 58 字节的 LpMetadataGeometry 结构数据，填充到 4K 大小
- Metadata 内部包含 LpMetadataHeader, LpMetadataPartition, LpMetadataExtent, LpMetadataPartitionGroup, LpMetadataBlockDevice 等数据结构，填充到 64K 大小
至于 Geometry 和 Metadata 内部每个数据结构的具体字段，请参考下一节的介绍。

3.3 metadata 数据小结

super 分区前 4K 为保留数据，随后是 metadata 数据，从 1M 偏移开始的地方存储内部分区的 image 数据，每个内部分区的 image 存放位置都按照 1MB 对齐，因此 metadata 位于 super 分区 4KB ~ 1MB 的范围内
metadata 包括 Geometry 和 Metadata 两个部分，每个部分都有自己的 Primary 和 Bakcup 两组相同的数据，存放顺序是 Geometry(Primary), Geometry(Backup), Metadata(Primary), Metadata(Backup)。
对于 Metadata，其内部又有 3 份数据，分别对应于 Slot 0, Slot 1, Slot 2。当 Slot 0 启动时，读取 Slot 0 对应的 Metadata, 当 Slot 1 启动时，读取 Slot 1 对应的 Metadata，至于多出来的 Slot 2 什么时候会使用，目前没有系统研究。

所以，通常情况下，包括 Primary 和 Backup 数据一起，磁盘上可能有 6 份 Metadata。
OTA 升级时，如果当前在 Slot 0 上运行，要更新 Slot 1 分区，则在更新之前 Slot 1 前会更新 Slot 1 对应的 Metadata 以反应 Slot 1 的实际布局，反之亦然。

4. Android 动态分区的核心数据结构

上一节说完 Android 动态分区描述数据在 super 分区的分布情况，这一节深入研究 metadata 具体的数据结构，不清楚的请转到 “3.3 metadata 数据小结” 回顾一下。

动态分区的核心数据结构主要定义在以下文件中:

system/core/fs_mgr/liblp/include/liblp/metadata_format.h
system/core/fs_mgr/liblp/include/liblp/liblp.h

4.1 LpMetadata 结构

启动加载动态分区前，会读取动态分区的 metadata，解析 Geometry 数据，读取当前 Slot 对应的 Metadata，在内存中建立 LpMetadata 结构。

LpMetadata: Logical Partition Metadata

LpMetadata 的定义如下:

/* file: system/core/fs_mgr/liblp/include/liblp/liblp.h */
struct LpMetadata {LpMetadataGeometry geometry;LpMetadataHeader header;std::vector<LpMetadataPartition> partitions;std::vector<LpMetadataExtent> extents;std::vector<LpMetadataPartitionGroup> groups;std::vector<LpMetadataBlockDevice> block_devices;
};

为了方便查看，我花了些时间画了个 LpMetadata 的结构示意框图:

图 4. 动态分区核心数据结构 LpMetadata

LpMetadata 主要分成两个部分，描述 metadata 整体结构的 geometry 和随后描述 metadata 细节部分，包括 header, partitions, extents, groups, block_devices。

接下来详细分析每一部分的结构。

4.2 LpMetadataGeometry 结构

LpMetadataGeometry 结构中最主要的数据有 3 个:

metadata_max_size: 单个 Slot 对应的 Metadata 数据大小，默认是 64K
metadata_slot_count: 单组 Metadata 包含的 Metadata 数量，加上备份的 Metadata，所以分区一共有 metadata_slot_count * 2 个 Metdata 数据
logical_block_size: 逻辑分区大小，确保各分区映射的原始数据按照 logical_block_size 大小对齐

4.2 LpMetadataHeader 结构

LpMetadataHeader 结构的 major_version 和 minor_version 字段定义了 metadata 数据结构的版本信息，目前 Android Q 版本为 10.0， Android R 和 Android S 的版本为 10.2，新版本在 header 的结尾添加了 flags 字段，并将 header 数据填充到 256 字节，两个版本之间的差别如下:

版本 v10.0, 系统 Android Q, header 大小为 128 字节
版本 v10.2, 系统 Android R/S, header 大小为 256 字节
- 新增 32 位的 flags 字段，另新增填充 124 字节

除了版本信息之外，LpMetadataHeader 最主要的还通过 LpMetadataTableDescriptor 子结构指出了随后的 partitions, extents, groups, block_devices 等数据所在的偏移位置(offset), 数量(num_entries) 以及单个数据的大小(entry_size) 等信息。

4.3 LpMetadataPartition 结构

LpMetadataPartition 结构存储了动态分区内部的分区信息，可以理解为动态分区的内部分区表。

除了 name 和 attributes 字段分别表示分区名字和属性外，group_index用于表示分区所属的组别。

而 first_extent_index 和 num_extents 分别用于表示该分区第一个映射的 extents 的索引值，以及随后需要映射的 extents 数量，不过 Android super 分区内单个 image 连续存放，对应于 1 个 extent，所以相应分区的 num_extents 值为 1。

如果 system_a 的 image 在 super 分区内分两段存放，则此时针对这一单一的 image 就会有两个 extents, LpMetadataPartition 结构中的 num_extents 为 2。如果一下理解不了这两个字段到底是如何使用的，参考第 “5. Android 动态分区映射示例” 节关于具体映射示例的说明。

4.4 LpMetadataExtent 结构

LpMetadataExtent 结构中保存了 super 分区内部单个分区(如 system_a) 在 super 内的信息。如果 super 分区中只包含了 syteam_a 和 vendor_a 的 image，则会有相应的两个 extent 数据；如果分区中 system_a, system_b, vendor_a, vendor_b 的 image 都存在，则会有四个 extent 数据。

在 Android 动态分区中，单个 extent 的长度按照 512 byte 的 sector 为单位进行计算。

LpMetadataExtent 结构的成员有:

num_sectors: 当前 extent 对应 image 包含的 sector 数量
target_type: 当前 extent 对应 image 映射的虚拟设备的类型，对于 Android 动态分区，其值为 0 (类型为 linear)，即线性映射。
target_data: 当前 extent 对应 image 的在动态分区内的偏移地址(按 sector 数量计算)
target_source: 当前 extent 对应的 image 位于哪个动态分区设备中, 对应于 block_devices 数组的索引，Android 系统中默认只有一个设备 super，所以 block_devices 数组只有 1 个元素，因此 target_source 取值为 0。如果你的动态分区中不只有 super 一个设备，则这里的 target_source 可能会是其他值。

4.5 LpMetadataPartitionGroup 结构

LpMetadataPartitionGroup 结构记录了动态分区内部的 group 信息，包括 group 的名称(name)，最大长度(maximum_size) 和一些标识(flags) 信息。

4.6 LpMetadataBlockDevice 结构

LpMetadataBlockDevice 结构记录了动态分区内的 device 信息，包括:

动态分区内数据 image 的第一个 sector 的起始信息(first_logical_sector)
动态分区内每个数据 image 的对齐信息 alignment 和 alignment_offset
动态分区名称 partition_name 和属性 flags

对于默认的 super 动态分区，则 :

first_logical_sector = 2048, 即 1MB offset
alignment = 1024576, alignment_offset = 0，每个 image 按照 1MB 的边界进行对齐
size, super 分区大小，按照 byte 进行计算
partition_name = “super”
flags, super 分区的设备属性信息，参考各种 LP_BLOCK_DEVICE_* 标识

5. Android 动态分区映射示例

这里以 Broadcom 平台某个产品在 Android Q 下 super 分区的生成和加载作为示例演示动态分区是如何生成，又是如何映射为虚拟设备的。

总体而言，该流程如下面的 图 5 所示，后面会对这个流程的各个部分进行解释:

图 5. 安卓动态分区映射转换示例

5.1 super.img 的编译和生成

在 Android 的编译过程中，系统通过脚本 build/tools/releasetools/build_super_image.py 内部去调用 lpmake 工具生成 super.img 文件。

所以，在编译的 log 中查找 lpmake 就直接看到系统是如何去生成 super.img 的。

$ source build/envsetup.sh
$ lunch inuvik-userdebug
$ make PRODUCT-inuvik-userdebug dist -j40 2>&1 | tee make.log
$ grep -ni "lpmake" make.log

实际上系统中会多次调用 lpmake 去生成相应的 super.img，这几个操作间有什么区别留给你去发现了~这里不再赘述，只选取其中一个生成 super.img 的命令:

$ grep -ni lpmake make.log
979:2022-02-28 12:52:57 - common.py - INFO    :   Running: "lpmake --metadata-size 65536 --super-name super --metadata-slots 3 --device super:3028287488 --group bcm_ref_a:1509949440 --group bcm_ref_b:1509949440 --partition system_a:readonly:1077702656:bcm_ref_a --image system_a=out/target/product/inuvik/system.img --partition system_b:readonly:0:bcm_ref_b --partition vendor_a:readonly:104992768:bcm_ref_a --image vendor_a=out/target/product/inuvik/vendor.img --partition vendor_b:readonly:0:bcm_ref_b --sparse --output out/target/product/inuvik/super.img"

整理一下这里对 lpmake 的调用，如下:

lpmake --metadata-size 65536 --super-name super --metadata-slots 3 \--device super:3028287488 \--group bcm_ref_a:1509949440 --group bcm_ref_b:1509949440 \--partition system_a:readonly:1077702656:bcm_ref_a \--image system_a=out/target/product/inuvik/system.img \--partition system_b:readonly:0:bcm_ref_b \--partition vendor_a:readonly:104992768:bcm_ref_a \--image vendor_a=out/target/product/inuvik/vendor.img \--partition vendor_b:readonly:0:bcm_ref_b \--sparse --output out/target/product/inuvik/super.img

所以，完全可以不用管安卓下的各种动态分区配置，直接用这样的命令调用 lpmake 生成 super.img。

5.2 super.img 的解析

由于上一节生成 super.img 的命令中带有 --sparse 选项，所以生成的 super.img 为 sparse image 格式，在解析前需要使用工具 simg2img 将其转换成 raw 格式。

$ simg2img out/target/product/inuvik/super.img out/super_raw.img

拿到 super_raw.img 以后就可以使用各种工具甚至手动进行解析了，这里我直接使用 lpdump 进行解析，结果如下:

$ lpdump out/super_raw.img
Metadata version: 10.0
Metadata size: 592 bytes
Metadata max size: 65536 bytes
Metadata slot count: 3
Partition table:
------------------------Name: system_aGroup: bcm_ref_aAttributes: readonlyExtents:0 .. 2104887 linear super 2048
------------------------Name: system_bGroup: bcm_ref_bAttributes: readonlyExtents:
------------------------Name: vendor_aGroup: bcm_ref_aAttributes: readonlyExtents:0 .. 205063 linear super 2107392
------------------------Name: vendor_bGroup: bcm_ref_bAttributes: readonlyExtents:
------------------------
Block device table:
------------------------Partition name: superFirst sector: 2048Size: 3028287488 bytesFlags: none
------------------------
Group table:
------------------------Name: defaultMaximum size: 0 bytesFlags: none
------------------------Name: bcm_ref_aMaximum size: 1509949440 bytesFlags: none
------------------------Name: bcm_ref_bMaximum size: 1509949440 bytesFlags: none
------------------------

对 super.img 进行简单的解析，lpdump 工具已经足够了。如果不能满足要求，也可以自己使用其它方式解析。

重点说下解析的结果:

1 个 device: super
3 个 group: “default”, “bcm_ref_a” 和 “bcm_ref_b”
4 个 partition: “system_a”, “system_b”, “vendor_a”, “vendor_b”, 其中 “system_b” 和 “vendor_b” 在 super.img 中没有镜像文件，因为没有将这两个分区的 “image” 参数传递给 lpmake 命令
2 个 extent: 分别对应于 “system_a” 和 “vendor_a” 的镜像文件，lpdump 的结果直接将 extents 结果附加到对应分区了，所以没有单独列出 extents

解析结果我已经详细列出来放到前面的 图 5 中了。

Android代码中，这部分操作通过调用库 liblp 内的函数完成，结束后在内存中生成 LpMetadata 结构数据。

5.3 super.img 的映射

在解析 super.img 生成 LpMetadata 结构以后，libdm 库内的函数会基于分区 partitions 和条带 extents 内的信息创建映射表。

对于 system_a 和 vendor_a 分区，分别有以下映射:

/* system_a */
{0, 2104888,"/dev/block/by-id/super",2048
},/* vendor_a */
{0, 205064,"/dev/block/by-id/super",2107392
}

换个表述方式就是：

将 “/dev/block/by-id/super” 分区的 2048 开始的 2104888 个 sector 映射到 “/dev/block/mapper/system_a” 设备的 0 位置。
将 “/dev/block/by-id/super” 分区的 2107392 开始的 205064 个 sector 映射到 /dev/block/mapper/vendor_a 设备的 0 位置。

然后 linux 系统的 device mapper 驱动基于每个设备的映射表生成相应的虚拟设备，这样就可以和虚拟出来的 “system_a”, “vendor_a” 分区尽情的玩耍了，而不用管这些设备到底是真实的还是虚拟的。

6. 总结

画图和组织文字前后花了几天时间，终于快写完了，到总结时还真没想好怎么用几句话把动态分区给总结出来，这里就列举一些重点吧。

6.1 关于 super 分区的布局

super 分区前 4K 为保留数据，随后是 metadata 数据，从 1M 偏移开始的地方存储内部分区的 image 数据，每个内部分区的 image 存放位置都按照 1MB 对齐，因此 metadata 位于 super 分区 4KB ~ 1MB 的范围内
metadata 包括 Geometry 和 Metadata 两个部分，每个部分都有自己的 Primary 和 Bakcup 两组相同的数据，存放顺序是 Geometry(Primary), Geometry(Backup), Metadata(Primary), Metadata(Backup)。
对于 Metadata，其内部又有 3 份数据，分别对应于 Slot 0, Slot 1, Slot 2。当 Slot 0 启动时，读取 Slot 0 对应的 Metadata, 当 Slot 1 启动时，读取 Slot 1 对应的 Metadata，至于多出来的 Slot 2 什么时候会使用，目前没有系统研究。

所以，通常情况下，包括 Primary 和 Backup 数据一起，磁盘上可能有 6 份 Metadata。
OTA 升级时，如果当前在 Slot 0 上运行，要更新 Slot 1 分区，则在更新之前 Slot 1 前会更新 Slot 1 对应的 Metadata 以反应 Slot 1 的实际布局，反之亦然。

不清楚的地方去看本文图 3。

6.2 关于 LpMetadata 数据结构

详细的数据结构，我也不知道说点啥好，请参考本文图 4。

6.3 动态分区生成，解析和映射流程

编译阶段 build_super_image.py 内部调用 lpmake 工具生成 super.img 文件
安卓启动时系统通过 liblp 库函数解析 super.img 头部的metadata，在内存中建立 LpMetadata 数据结构
fs_mgr 基于 LpMetadata 内的分区信息，得到映射表，然后通过 libdm 库调用 linux 的 device mapper 驱动映射设备

详细的示例分析参考本文图 5。

好了，5 张图搞懂动态分区原理就到这里了，剩下几篇将会分模块对安卓动态分区进行分析。

7. 其它

洛奇工作中常常会遇到自己不熟悉的问题，这些问题可能并不难，但因为不了解，找不到人帮忙而瞎折腾，往往导致浪费几天甚至更久的时间。

所以我组建了几个微信讨论群(记得微信我说加哪个群，如何加微信见后面)，欢迎一起讨论:

一个密码编码学讨论组，主要讨论各种加解密，签名校验等算法，请说明加密码学讨论群。
一个Android OTA的讨论组，请说明加Android OTA群。
一个git和repo的讨论组，请说明加git和repo群。

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