热修复与插件化基础——Java与Android的类加载器

时间  2019-12-08
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1、java中的ClassLoader

一、类加载器

二、加载流程

  • Loading：类的信息从文件中获取并载入到JVM的内存中。
  • Verifying：检查读入的结构是否符合JVM规范的描述。
  • Preparing：分配一个结构用来存储类信息。
  • Resolving：把类的常量池中的全部符号引用变成直接引用。
  • Initializing：执行静态初始化程序，把静态变量初始化成指定的值。

2、Android中的ClassLoader

一、类加载器

Android中最主要的类加载器有以下4个：java

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：android

@Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        ...

        ClassLoader classLoader = getClassLoader();
        if (classLoader != null) {
            Log.e("lqr", "classLoader = " + classLoader);
            while (classLoader.getParent() != null) {
                classLoader = classLoader.getParent();
                Log.e("lqr", "classLoader = " + classLoader);
            }
        }
    }
复制代码

日志输出结果以下：c++

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中的类加载器使用的是双亲委派模型。数组

二、特色及做用

双亲委派模型：缓存

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。安全

1）特色：

显然，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。cookie

2）做用：

  1. 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。网络

  1. 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。app

验证多个类是同一个类的成立条件：ide

  • 相同的className
  • 相同的packageName
  • 被相同的classLoader加载

三、ClassLoader源码

经过阅读ClassLoader的源码来验证双亲委派模型。

1）loadClass()

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。

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}
复制代码

找到最终这个真正的loadClass()方法，下面即是该方法的源码：

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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

以上就是双亲委派模型的核心。在loadClass()中，调用了一个很重要的方法，那就是findClass()，去查找要加载的类。

2）findClass()

在ClassLoader中，findClass()是空实现，这说明具体的方法会在子类中去重写实现。

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}
复制代码

因而，找到其子类BaseDexClassLoader，发现，AS实际上看不到系统级源码。

这种状况，在本人以前的《热修复——深刻浅出原理与实现》文章中也有所说起，能够借助第三方源码网站上查看，如：

PathClassLoader和DexClassLoader是BaseDexClassLoader的子类，源码不多，就先查阅这2个类，再去研读BaseDexClassLoader。

四、BaseDexClassLoader源码

1）DexClassLoader

/** * A class loader that loads classes from {@code .jar} and {@code .apk} files * containing a {@code classes.dex} entry. This can be used to execute code not * installed as part of an application. * ... */
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String libraryPath, ClassLoader parent) {
    super(dexPath, new File(optimizedDirectory), libraryPath, parent);
    }
}
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DexClassLoader的构造函数：

  • dexPath：dex文件路径
  • optimizedDirectory：dex文件解压路径（通常是app的data目录）
  • libraryPath：加载dex文件时须要用到的库的路径
  • parent：父类加载器

再回过头来看DexClassLoader类上的注释，大概翻译就是说，DexClassLoader能够加载jar包和apk包内dex文件中的类，能够被用来执行非安装过的app中的代码。

这句注释实际上是很重要的，它就是腾讯Tinker这一类热修复解决方案的核心。一句话：能够加载任意路径下的dex文件。

2）PathClassLoader

/** * Provides a simple {@link ClassLoader} implementation that operates on a list * of files and directories in the local file system, but does not attempt to * load classes from the network. Android uses this class for its system class * loader and for its application class loader(s). */
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }
    public PathClassLoader(String dexPath, String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, libraryPath, parent);
    }
}
复制代码

PathClassLoader的构造函数：

  • dexPath：dex文件路径
  • libraryPath：加载dex文件时须要用到的库的路径
  • parent：父类加载器

相比DexClassLoader的构造函数，PathClassLoader的构造函数少了一个参数libraryPath，这也就致使了PathClassLoader只能加载已安装应用内dex中的class，从类上的说明中也能够了解到，只能加载本地应用中的类，不能加载网络上的类。

一句话，PathClassLoader只能用于加载已安装应用的dex文件。

3）BaseDexClassLoader

看完DexClassLoader和PathClassLoader，发现它们根本没有对findClass()这个方法进行重写，说明它们的findClass()方法确定在其父类BaseDexClassLoader中进行了统一实现处理。

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);
    }
    
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
        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;
    }
}
...
复制代码

能够发现，实际上BaseDexClassLoader并无实现查找类的具体逻辑，它只是一个中转，调用的是DexPathList的findClass()方法，而这个DexPathList对象是在BaseDexClassLoader构造函数中进行实例化，并保存了几个BaseDexClassLoader会用到的属性，注意，DexPathList保存的optimizedDirectory可能为空，到时走的是PathClassLoader的逻辑。因此，下面就来看DexPathList：

4）DexPathList

a.构造函数

final class DexPathList {
    private static final String DEX_SUFFIX = ".dex";
    
    private final ClassLoader definingContext;

    /** * List of dex/resource (class path) elements. * Should be called pathElements, but the Facebook app uses reflection * to modify 'dexElements' (http://b/7726934). */
    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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  • definingContext：就是在前面传入的BaseDexClassLoader（app运行后，这个definingContext多是PathClassLoader或DexClassLoader）
  • dexElements：这个就是 dex文件 或 资源文件 组成的元素数据了，它是经过makeDexElements()方法建立出来的，

天然下面就得先了解下这个Element和makeDexElements()方法。

b.Element

static class Element {
    private final File file;
    private final boolean isDirectory;
    private final File zip;
    private final DexFile dexFile;
    private ZipFile zipFile;
    private boolean initialized;
    
    public Element(File file, boolean isDirectory, File zip, DexFile dexFile) {
        this.file = file;
        this.isDirectory = isDirectory;
        this.zip = zip;
        this.dexFile = dexFile;
    }
    ...
}
复制代码

Element是PathList的静态内部类，其中，DexFile dexFile这个属性是最关键的。接下来是makeDexElements()方法：

private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory,
                                         ArrayList<IOException> suppressedExceptions) {
    ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>();
    /* * Open all files and load the (direct or contained) dex files * up front. */
    for (File file : files) {
        File zip = null;
        DexFile dex = null;
        String name = file.getName();
        if (file.isDirectory()) {
            // We support directories for looking up resources.
            // This is only useful for running libcore tests.
            elements.add(new Element(file, true, null, null));
        } else if (file.isFile()){
            if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
                // Raw dex file (not inside a zip/jar).
                try {
                    dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
                } catch (IOException ex) {
                    System.logE("Unable to load dex file: " + file, ex);
                }
            } else {
                zip = file;
                dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
            }
        } else {
            System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
        }
        if ((zip != null) || (dex != null)) {
            elements.add(new Element(file, false, zip, dex));
        }
    }
    return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
}
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它对files集合进行遍历（这个files集合就是dexPath下全部的文件及目录），来看该方法对文件是怎么处理的：它不论是dex文件，或是压缩包文件，都会调用到loadDexFile()方法：

private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory) throws IOException {
    if (optimizedDirectory == null) {
        return new DexFile(file);
    } else {
        String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
        return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0);
    }
}
复制代码

因此，若是optimizedDirectory为null，说明这是PathClassLoader的处理方式，直接将file封装成DexFile对象返回；若是optimizedDirectory不为null，说明这是DexClassLoader的处理方式，若file是dex文件就封装成DexFile对象返回，若file是压缩包，会先进行解压，将其中的dex文件封装成DexFile对象返回。反正，不论是哪一种方式，就终都是获得dex文件对象，而且，在makeDexElements()方法的最后，添加进Element数组中。

c.findClass()

public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;
        if (dex != null) {
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    return null;
}
复制代码

终于到最后一个findClass()方法了，其实它就是遍历dex文件数组（dexElements），获得一个个的dex文件对象，调用其loadClassBinaryName()方法通用类名找到类，快接近真相了，下面就看看DexFile中究竟是怎么经过类名找到类的，坚持～

5）DexFile

public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
    return defineClass(name, loader, mCookie, suppressed);
}

private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, long cookie, List<Throwable> suppressed) {
    Class result = null;
    result = defineClassNative(name, loader, cookie);
    return result;
}

private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, long cookie) throws ClassNotFoundException, NoClassDefFoundError;
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在DexFile这个类中，loadClassBinaryName()调用了defineClass()，最终调用的是defineClassNative()这个native方法，也就是说，类的加载最终是用c/c++的方式来进行处理的，由于是native方法，这里就没办法继续往下跟了，所以，其真实处理逻辑咱们就不得而知了。

可是，联想到前面的《热修复与插件化基础——dex与class》文章中提到的dex头文件中包含了该dex中全部class的信息，因此，咱们不妨能够大胆猜测一下，其实defineClassNative()这个native方法应该就是经过读取dex头文件的方式找到并定义了class。

四、类加载流程

所谓一图胜千言，经过上面一系列的方法跟踪，及流程梳理，最终，获得以下这张图：

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