Android 类加载机制及热修复原理

时间 2019-11-08

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Android热修复

1、简述

bug通常是一个或多个class出现了问题，在一个理想的状态下，咱们只需将修复好的这些个class更新到用户手机上的app中就能够修复这些bug了。要怎么才能动态更新这些class呢？其实，不论是哪一种热修复方案，确定是以下几个步骤：java

下发补丁（内含修复好的class）到用户手机，即让app从服务器上下载（网络传输）
app经过某种方式，使补丁（apk、dex、jar等文件）中的class被app调用（本地更新）

这里的某种方式，对本篇而言，就是使用Android的类加载器，经过类加载器加载这些修复好的class，覆盖对应有问题的class，理论上就能修复bug了。android

2、类加载机制

一、双亲委派模型

在加载一个字节码文件时，会询问当前的classLoader是否已经加载过此字节码文件。若是加载过，则直接返回，再也不重复加载。若是没有加载过，则会询问它的Parent是否已经加载过此字节码文件，一样的，若是已经加载过，就直接返回parent加载过的字节码文件，而若是整个继承线路上的classLoader都没有加载过，才由child类加载器（即，当前的子classLoader）执行类的加载工做。数组

1）特色：

若是一个类被classLoader继承线路上的任意一个加载过，那么在之后整个系统的生命周期中，这个类都不会再被加载，大大提升了类的加载效率。缓存

2）做用：

类加载的共享功能

一些Framework层级的类一旦被顶层classLoader加载过，会缓存到内存中，之后在任何地方用到，都不会去从新加载。安全

类加载的隔离功能

共同继承线程上的classLoader加载的类，确定不是同一个类，这样能够避免某些开发者本身去写一些代码冒充核心类库，来访问核心类库中可见的成员变量。如java.lang.String在应用程序启动前就已经被系统加载好了，若是在一个应用中可以简单的用自定义的String类把系统中的String类替换掉的话，会有严重的安全问题。bash

验证多个类是同一个类的成立条件：服务器

相同的className
相同的packageName
被相同的classLoader加载

3）loadClass()

经过loadClass()这个方法来验证双亲委派模型网络

找到ClassLoader这个类中的loadClass()方法，它调用的是另外一个2个参数的重载loadClass()方法。app

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}
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找到最终这个真正的loadClass()方法，下面即是该方法的源码：jvm

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    // First, check if the class has already been loaded
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // ClassNotFoundException thrown if class not found
            // from the non-null parent class loader
        }

        if (c == null) {
            // If still not found, then invoke findClass in order
            // to find the class.
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}
复制代码

能够看到，如前面所说，加载一个类时，会有以下3步：

检查当前的classLoader是否已经加载琮这个class，有则直接返回，没有则进行第2步。
调用父classLoader的loadClass()方法，检查父classLoader是否有加载过这个class，有则直接返回，没有就继续检查上上个父classLoader，直到顶层classLoader。
若是全部的父classLoader都没有加载过这个class，则最终由当前classLoader调用findClass()方法，去dex文件中找出并加载这个class。

2、Android中的ClassLoader

一、类加载器类型

Android跟java有很大的渊源，基于jvm的java应用是经过ClassLoader来加载应用中的class的，Android对jvm优化过，使用的是dalvik虚拟机，且class文件会被打包进一个dex文件中，底层虚拟机有所不一样，那么它们的类加载器固然也是会有所区别。

Android中最主要的类加载器有以下4个：

BootClassLoader：加载Android Framework层中的class字节码文件（相似java的Bootstrap ClassLoader）
PathClassLoader：加载已经安装到系统中的Apk的class字节码文件（相似java的App ClassLoader）
DexClassLoader：加载制定目录的class字节码文件（相似java中的Custom ClassLoader）
BaseDexClassLoader：PathClassLoader和DexClassLoader的父类

一个app必定会用到BootClassLoader、PathClassLoader这2个类加载器，可经过以下代码进行验证：

@Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        ClassLoader classLoader = getClassLoader();
        if (classLoader != null) {
            Log.e(TAG, "classLoader = " + classLoader);
            while (classLoader.getParent() != null) {
                classLoader = classLoader.getParent();
                Log.e(TAG, "classLoader = " + classLoader);
            }
        }
    }
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上面代码中能够经过上下文拿到当前类的类加载器（PathClassLoader）,而后经过getParent()获得父类加载器（BootClassLoader），这是因为Android中的类加载器和java类加载器同样使用的是双亲委派模型。

二、PathClassLoader与DexClassLoader的区别

通常的源码在Android Studio中能够查到，但 PathClassLoader 和 DexClassLoader 的源码是属于系统级源码，因此没法在Android Studio中直接查看。能够到androidxref.com这个网站上直接查看，下面会列出以后要分析的几个类的源码地址。

如下是Android 5.0中的部分源码：

1）使用场景

先来介绍一下这两种Classloader在使用场景上的区别

PathClassLoader：只能加载已经安装到Android系统中的apk文件（/data/app目录），是Android默认使用的类加载器。
DexClassLoader：能够加载任意目录下的dex/jar/apk/zip文件，比PathClassLoader更灵活，是实现热修复的重点。

2）代码差别

下面来看一下PathClassLoader与DexClassLoader的源码的差异，都很是简单

// PathClassLoader
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);
    }
}
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// DexClassLoader
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
    }
}
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经过比对，能够得出2个结论：

PathClassLoader与DexClassLoader都继承于BaseDexClassLoader。
PathClassLoader与DexClassLoader在构造函数中都调用了父类的构造函数，但DexClassLoader多传了一个optimizedDirectory。

三、BaseDexClassLoader

经过观察PathClassLoader与DexClassLoader的源码咱们就能够肯定，真正有意义的处理逻辑确定在BaseDexClassLoader中，因此下面着重分析BaseDexClassLoader源码。

1）构造函数

先来看看BaseDexClassLoader的构造函数都作了什么：

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    private final DexPathList pathList;
    ...
    public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String libraryPath, ClassLoader parent){
        super(parent);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
    }
    ...
}
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dexPath：要加载的程序文件（通常是dex文件，也能够是jar/apk/zip文件）所在目录。
optimizedDirectory：dex文件的输出目录（由于在加载jar/apk/zip等压缩格式的程序文件时会解压出其中的dex文件，该目录就是专门用于存放这些被解压出来的dex文件的）。
libraryPath：加载程序文件时须要用到的库路径。
parent：父加载器

tip:从一个完整App的角度来讲，程序文件指定的就是apk包中的classes.dex文件；但从热修复的角度来看，程序文件指的是补丁。

由于PathClassLoader只会加载已安装包中的dex文件，而DexClassLoader不只仅能够加载dex文件，还能够加载jar、apk、zip文件中的dex。jar、apk、zip其实就是一些压缩格式，要拿到压缩包里面的dex文件就须要解压，因此，DexClassLoader在调用父类构造函数时会指定一个解压的目录。

2）findClass()

类加载器确定会提供有一个方法来供外界找到它所加载到的class，该方法就是findClass()，不过在PathClassLoader和DexClassLoader源码中都没有重写父类的findClass()方法，但它们的父类BaseDexClassLoader就有重写findClass()，因此来看看BaseDexClassLoader的findClass()方法都作了哪些操做，代码以下：

private final DexPathList pathList;

@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
    // 实质是经过pathList的对象findClass()方法来获取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;
}
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能够看到，BaseDexClassLoader的findClass()方法其实是经过DexPathList对象（pathList）的findClass()方法来获取class的，而这个DexPathList对象刚好在以前的BaseDexClassLoader构造函数中就已经被建立好了。因此，下面就来看看DexPathList类中都作了什么。

四、DexPathList

1）构造函数

private final Element[] dexElements;

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath, String libraryPath, File optimizedDirectory) {
    ...
    this.definingContext = definingContext;
    this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,suppressedExceptions);
    ...
}
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这个构造函数中，保存了当前的类加载器definingContext，并调用了makeDexElements()获得Element集合。

经过对splitDexPath(dexPath)的源码追溯，发现该方法的做用其实就是将dexPath目录下的全部程序文件转变成一个File集合。并且还发现，dexPath是一个用冒号（":"）做为分隔符把多个程序文件目录拼接起来的字符串(如：/data/dexdir1:/data/dexdir2:...)。

那接下来无疑是分析makeDexElements()方法了，由于这部分代码比较长，我就贴出关键代码，并以注释的方式进行分析：

private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory, ArrayList<IOException> suppressedExceptions) {
    // 1.建立Element集合
    ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>();
    // 2.遍历全部dex文件（也多是jar、apk或zip文件）
    for (File file : files) {
        ZipFile zip = null;
        DexFile dex = null;
        String name = file.getName();
        ...
        // 若是是dex文件
        if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
            dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);

        // 若是是apk、jar、zip文件（这部分在不一样的Android版本中，处理方式有细微差异）
        } else {
            zip = file;
            dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
        }
        ...
        // 3.将dex文件或压缩文件包装成Element对象，并添加到Element集合中
        if ((zip != null) || (dex != null)) {
            elements.add(new Element(file, false, zip, dex));
        }
    }
    // 4.将Element集合转成Element数组返回
    return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
}
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在这个方法中，看到了一些眉目，整体来讲，DexPathList的构造函数是将一个个的程序文件（多是dex、apk、jar、zip）封装成一个个Element对象，最后添加到Element集合中。

其实，Android的类加载器（不论是PathClassLoader，仍是DexClassLoader），它们最后只认dex文件，而loadDexFile()是加载dex文件的核心方法，能够从jar、apk、zip中提取出dex，但这里先不分析了，由于第1个目标已经完成，等到后面再来分析吧。

2）findClass()

再来看DexPathList的findClass()方法：

public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
    for (Element element : dexElements) {
        // 遍历出一个dex文件
        DexFile dex = element.dexFile;

        if (dex != null) {
            // 在dex文件中查找类名与name相同的类
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
        suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
    }
    return null;
}
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结合DexPathList的构造函数，其实DexPathList的findClass()方法很简单，就只是对Element数组进行遍历，一旦找到类名与name相同的类时，就直接返回这个class，找不到则返回null。

为何是调用DexFile的loadClassBinaryName()方法来加载class？这是由于一个Element对象对应一个dex文件，而一个dex文件则包含多个class。也就是说Element数组中存放的是一个个的dex文件，而不是class文件。这能够从Element这个类的源码和dex文件的内部结构看出。

3、热修复的实现原理

通过对PathClassLoader、DexClassLoader、BaseDexClassLoader、DexPathList的分析，咱们知道，安卓的类加载器在加载一个类时会先从自身DexPathList对象中的Element数组中获取（Element[] dexElements）到对应的类，以后再加载。采用的是数组遍历的方式，不过注意，遍历出来的是一个个的dex文件。在for循环中，首先遍历出来的是dex文件，而后再是从dex文件中获取class，因此，咱们只要让修复好的class打包成一个dex文件，放于Element数组的第一个元素，这样就能保证获取到的class是最新修复好的class了（固然，有bug的class也是存在的，不过是放在了Element数组的最后一个元素中，因此没有机会被拿到而已。