Android 热修复核心原理,ClassLoader类加载

Android前沿技术探讨:ClassLoader在热修复中的应用

又在写bug?这句话虽然是句玩笑话,但是也正因为我们是人不是神,但也不能面面俱到,什么都考虑完美,出现bug是不可避免的。那么对于android我们出现了Bug怎么办?

早期遇到Bug我们一般会紧急发布了一个版本。然而这个Bug可能就是简简单单的一行代码,为了这一行代码,进行全量或者增量更新迭代一个版本,未免有点大材小用了。而且新版本的普及需要时间,而且如果这次的新版本又有个小问题,怎么办?

那么为了解决这一个问题,热修复出现了。

热修复,现在大家应该都不陌生。从16年开始开始,热修复技术在 Android 技术社区热了一阵子,这种不用发布新版本就可以修复线上 bug 的技术看起来非常黑科技。

本篇文章的目的并不在于热修复本身,主要是通过热修复这个案例熟悉其核心:类加载机制。(后续会有更详细课程讲解热修复)

ART 和 Dalvik

DVM也是实现了JVM规范的一个虚拟器,默认使用CMS垃圾回收器,但是与JVM运行 Class 字节码不同,DVM 执行 Dex(Dalvik Executable Format) ——专为 Dalvik 设计的一种压缩格式。Dex 文件是很多 .class 文件处理压缩后的产物,最终可以在 Android 运行时环境执行。

ART(Android Runtime) 是在 Android 4.4 中引入的一个开发者选项,也是 Android 5.0 及更高版本的默认 Android 运行时。ART 和 Dalvik 都是运行 Dex 字节码的兼容运行时,因此针对 Dalvik 开发的应用也能在 ART 环境中运作。

https://source.android.google...

dexopt与dexaot

  • dexopt

Dalvik中虚拟机在加载一个dex文件时,对 dex 文件 进行 验证 和 优化的操作,其对 dex 文件的优化结果变成了 odex(Optimized dex) 文件,这个文件和 dex 文件很像,只是使用了一些优化操作码。

  • dex2oat

ART 预先编译机制,在安装时对 dex 文件执行dexopt优化之后再将odex进行 AOT 提前编译操作,编译为OAT(实际上是ELF文件)可执行文件(机器码)。(相比做过ODEX优化,未做过优化的DEX转换成OAT要花费更长的时间)

ClassLoader介绍

任何一个 Java 程序都是由一个或多个 class 文件组成,在程序运行时,需要将 class 文件加载到 JVM 中才可以使用,负责加载这些 class 文件的就是 Java 的类加载机制。ClassLoader 的作用简单来说就是加载 class 文件,提供给程序运行时使用。每个 Class 对象的内部都有一个 classLoader 字段来标识自己是由哪个 ClassLoader 加载的。

class Class {
  ...
  private transient ClassLoader classLoader;
  ...
}
ClassLoader是一个抽象类,而它的具体实现类主要有:
  • BootClassLoader

用于加载Android Framework层class文件。

  • PathClassLoader

用于Android应用程序类加载器。可以加载指定的dex,以及jar、zip、apk中的classes.dex

  • DexClassLoader

用于加载指定的dex,以及jar、zip、apk中的classes.dex

很多博客里说PathClassLoader只能加载已安装的apk的dex,其实这说的应该是在dalvik虚拟机上。

但现在一般不用关心dalvik了。

Log.e(TAG, "Activity.class 由:" + Activity.class.getClassLoader() +" 加载");
Log.e(TAG, "MainActivity.class 由:" + getClassLoader() +" 加载");


//输出:
Activity.class 由:java.lang.BootClassLoader@d3052a9 加载

MainActivity.class 由:dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/lib/x86, /system/lib, /vendor/lib]]] 加载

它们之间的关系如下:

PathClassLoaderDexClassLoader的共同父类是BaseDexClassLoader

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
        String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
    }
}

public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }

    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent){
         super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

可以看到两者唯一的区别在于:创建DexClassLoader需要传递一个optimizedDirectory参数,并且会将其创建为File对象传给super,而PathClassLoader则直接给到null。因此两者都可以加载指定的dex,以及jar、zip、apk中的classes.dex

PathClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());

File dexOutputDir = context.getCodeCacheDir();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader("/sdcard/xx.dex",dexOutputDir.getAbsolutePath(), null,getClassLoader());

其实,optimizedDirectory参数就是dexopt的产出目录(odex)。那PathClassLoader创建时,这个目录为null,就意味着不进行dexopt?并不是,optimizedDirectory为null时的默认路径为:/data/dalvik-cache

在API 26源码中,将DexClassLoader的optimizedDirectory标记为了 deprecated 弃用,实现也变为了:
  public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
                     String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
     super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
 }
......和PathClassLoader一摸一样了!

双亲委托机制

可以看到创建ClassLoader需要接收一个ClassLoader parent参数。这个parent的目的就在于实现类加载的双亲委托。即:

某个类加载器在接到加载类的请求时,首先将加载任务委托给父类加载器,依次递归,如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回;只有父类加载器无法完成此加载任务时,才自己去加载。

protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
    
    // 检查class是否有被加载  
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        long t0 = System.nanoTime();
        try {
            if (parent != null) {
                //如果parent不为null,则调用parent的loadClass进行加载  
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                //parent为null,则调用BootClassLoader进行加载  
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
        
        }

        if (c == null) {
            // 如果都找不到就自己查找
            long t1 = System.nanoTime();
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}

因此我们自己创建的ClassLoader: new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());并不仅仅只能加载 xx.dex中的class。

值得注意的是:c = findBootstrapClassOrNull(name);

按照方法名理解,应该是当parent为null时候,也能够加载BootClassLoader加载的类。

new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", null),能否加载Activity.class?

但是实际上,Android当中的实现为:(Java不同)

 private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
  {
      return null;
  }    

findClass

可以看到在所有父ClassLoader无法加载Class时,则会调用自己的findClass方法。findClass在ClassLoader中的定义为:

protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

其实任何ClassLoader子类,都可以重写loadClassfindClass。一般如果你不想使用双亲委托,则重写loadClass修改其实现。而重写findClass则表示在双亲委托下,父ClassLoader都找不到Class的情况下,定义自己如何去查找一个Class。而我们的PathClassLoader会自己负责加载MainActivity这样的程序中自己编写的类,利用双亲委托父ClassLoader加载Framework中的Activity。说明PathClassLoader并没有重写loadClass,因此我们可以来看看PathClassLoader中的 findClass 是如何实现的。

public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,String     
                        librarySearchPath, ClassLoader parent) {
    super(parent);
    this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath,         
                                    optimizedDirectory);
}

@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    List suppressedExceptions = new ArrayList();
    //查找指定的class
    Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
    if (c == null) {
        ClassNotFoundException cnfe = new ClassNotFoundException("Didn't find class \"" +                                                         name + "\" on path: " + pathList);
        for (Throwable t : suppressedExceptions) {
            cnfe.addSuppressed(t);
        }
            throw cnfe;
    }
    return c;
}

实现非常简单,从pathList中查找class。继续查看DexPathList

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
            String librarySearchPath, File optimizedDirectory) {
    //.........
    // splitDexPath 实现为返回 List.add(dexPath)
    // makeDexElements 会去 List.add(dexPath) 中使用DexFile加载dex文件返回 Element数组
    this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                                           suppressedExceptions, definingContext);
    //.........
    
}

public Class findClass(String name, List suppressed) {
     //从element中获得代表Dex的 DexFile
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;
        if (dex != null) {
            //查找class
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
        suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
    }
    return null;
}

热修复

PathClassLoader中存在一个Element数组,Element类中存在一个dexFile成员表示dex文件,即:APK中有X个dex,则Element数组就有X个元素。

PathClassLoader中的Element数组为:[patch.dex , classes.dex , classes2.dex]。如果存在Key.class位于patch.dex与classes2.dex中都存在一份,当进行类查找时,循环获得dexElements中的DexFile,查找到了Key.class则立即返回,不会再管后续的element中的DexFile是否能加载到Key.class了。

因此实际上,一种热修复实现可以将出现Bug的class单独的制作一份fix.dex文件(补丁包),然后在程序启动时,从服务器下载fix.dex保存到某个路径,再通过fix.dex的文件路径,用其创建Element对象,然后将这个Element对象插入到我们程序的类加载器PathClassLoaderpathList中的dexElements数组头部。这样在加载出现Bug的class时会优先加载fix.dex中的修复类,从而解决Bug。

热修复的方式不止这一种,并且如果要完整实现此种热修复可能还需要注意一些其他的问题(如:反射兼容)。

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