Android解析ClassLoader（二）Android中的ClassLoader

时间  2019-11-16
标签 android 解析 classloader 栏目 Android 繁體版
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前言

在上一篇文章咱们学习了Java的ClassLoader，不少同窗会把Java和Android的ClassLoader搞混，甚至会认为Android中的ClassLoader和Java中的ClassLoader是同样的，这显然是不对的。这一篇文章咱们就来学习Android中的ClassLoader，来看看它和Java中的ClassLoader有何不一样。
java

1.ClassLoader的类型

咱们知道Java中的ClassLoader能够加载jar文件和Class文件（本质是加载Class文件），这一点在Android中并不适用，由于不管是DVM仍是ART它们加载的再也不是Class文件，而是dex文件，这就须要从新设计ClassLoader相关类，咱们先来学习ClassLoader的类型。
Android中的ClassLoader类型和Java中的ClassLoader类型相似，也分为两种类型，分别是系统ClassLoader和自定义ClassLoader。其中系统ClassLoader包括三种分别是BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。android

1.1 BootClassLoader

Android系统启动时会使用BootClassLoader来预加载经常使用类，与Java中的BootClassLoader不一样，它并非由C/C++代码实现，而是由Java实现的，BootClassLoade的代码以下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ClassLoader.javac++

class BootClassLoader extends ClassLoader {
    private static BootClassLoader instance;
    @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
    public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BootClassLoader();
        }
        return instance;
    }
...
}复制代码

BootClassLoader是ClassLoader的内部类，并继承自ClassLoader。BootClassLoader是一个单例类，须要注意的是BootClassLoader的访问修饰符是默认的，只有在同一个包中才能够访问，所以咱们在应用程序中是没法直接调用的。安全

1.2 PathClassLoader

Android系统使用PathClassLoader来加载系统类和应用程序的类，若是是加载非系统应用程序类，则会加载data/app/目录下的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件，不论是加载哪一种文件，最终都是要加载dex文件，在这里为了方便理解，咱们将dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件统称为dex相关文件。PathClassLoader不建议开发直接使用。来查看它的代码：
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/PathClassLoader.javabash

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);
    }
}复制代码

PathClassLoader继承自BaseDexClassLoader，很明显PathClassLoader的方法实现都在BaseDexClassLoader中。从PathClassLoader的构造方法也能够看出它遵循了双亲委托模式，不了解双亲委托模式请查看 Android解析ClassLoader（一）Java中的ClassLoader 这篇文章。
PathClassLoader的构造方法有三个参数：app

  • dexPath：dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件的路径集合，多个路径用文件分隔符分隔，默认文件分隔符为‘：’。
  • librarySearchPath：包含 C/C++ 库的路径集合，多个路径用文件分隔符分隔分割，能够为null。
  • parent：ClassLoader的parent。

1.3 DexClassLoader

DexClassLoader能够加载dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件，也支持从SD卡进行加载，这也就意味着DexClassLoader能够在应用未安装的状况下加载dex相关文件。所以，它是热修复和插件化技术的基础。来查看它的代码，以下所示。
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexClassLoader.javasocket

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

DexClassLoader构造方法的参数要比PathClassLoader多一个optimizedDirectory参数，参数optimizedDirectory表明什么呢？咱们知道应用程序第一次被加载的时候，为了提升之后的启动速度和执行效率，Android系统会对dex相关文件作必定程度的优化，并生成一个ODEX文件，此后再运行这个应用程序的时候，只要加载优化过的ODEX文件就好了，省去了每次都要优化的时间，而参数optimizedDirectory就是表明存储ODEX文件的路径，这个路径必须是一个内部存储路径。
PathClassLoader没有参数optimizedDirectory，这是由于PathClassLoader已经默认了参数optimizedDirectory的路径为：/data/dalvik-cache。DexClassLoader 也继承自BaseDexClassLoader ，方法实现也都在BaseDexClassLoader中。ide

2.ClassLoader的继承关系

运行一个Android程序须要用到几种类型的类加载器呢？以下所示。学习

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        ClassLoader loader = MainActivity.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            Log.d("liuwangshu",loader.toString());//1
            loader = loader.getParent();
        }
    }
}复制代码

首先咱们获得MainActivity的类加载器，并在注释1处经过Log打印出来，接着打印出当前类的类加载器的父加载器，直到没有父加载器终止循环。打印结果以下所示。

10-07 07:23:02.835 8272-8272/? D/liuwangshu: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/lib/x86, /vendor/lib, /system/lib]]]
10-07 07:23:02.835 8272-8272/? D/liuwangshu: java.lang.BootClassLoader@e175998

能够看到有两种类加载器，一种是PathClassLoader，另外一种则是BootClassLoader。DexPathList中包含了不少apk的路径，其中/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk就是示例应用安装在手机上的位置。关于DexPathList后续文章会进行介绍。

和Java中的ClassLoader同样，虽然系统所提供的类加载器有3种类型，可是系统提供的ClassLoader相关类却不仅3个。ClassLoader的继承关系以下图所示。


能够看到上面一共有7个ClassLoader相关类，其中有一些和Java中的ClassLoader相关类十分相似，下面简单对它们进行介绍：

  • ClassLoader是一个抽象类，其中定义了ClassLoader的主要功能。BootClassLoader是它的内部类。
  • SecureClassLoader类和JDK8中的SecureClassLoader类的代码是同样的，它继承了抽象类ClassLoader。SecureClassLoader并非ClassLoader的实现类，而是拓展了ClassLoader类加入了权限方面的功能，增强了ClassLoader的安全性。
  • URLClassLoader类和JDK8中的URLClassLoader类的代码是同样的，它继承自SecureClassLoader，用来经过URl路径从jar文件和文件夹中加载类和资源。
  • BaseDexClassLoader继承自ClassLoader，是抽象类ClassLoader的具体实现类，PathClassLoader和DexClassLoader都继承它。

3.BootClassLoader的建立

BootClassLoader是在什么时候被建立的呢？这得先从Zygote进程开始提及，不了解Zygote进程的能够查看Android系统启动流程（二）解析Zygote进程启动过程这篇文章。
ZygoteInit的main方法以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
   ...
        try {
             ...
                preload(bootTimingsTraceLog);
             ... 
        }
    }复制代码

main方法是ZygoteInit入口方法，其中调用了ZygoteInit的preload方法，preload方法中又调用了ZygoteInit的preloadClasses方法，以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static void preloadClasses() {
        final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();
        InputStream is;
        try {
            is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);//1
        } catch (FileNotFoundException e) {
            Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
            return;
        }
        ...
        try {
            BufferedReader br
                = new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);//2

            int count = 0;
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {//3
                line = line.trim();
                if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
                    continue;
                }
                  Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
                try {
                    if (false) {
                        Log.v(TAG, "Preloading " + line + "...");
                    }
                    Class.forName(line, true, null);//4
                    count++;
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    Log.w(TAG, "Class not found for preloading: " + line);
                } 
        ...
        } catch (IOException e) {
            Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
        } finally {
            ...
        }
    }复制代码

preloadClasses方法用于Zygote进程初始化时预加载经常使用类。注释1处将/system/etc/preloaded-classes文件封装成FileInputStream，preloaded-classes文件中存有预加载类的目录，这个文件在系统源码中的路径为frameworks/base/preloaded-classes，这里列举一些preloaded-classes文件中的预加载类名称，以下所示。

android.app.ApplicationLoaders
android.app.ApplicationPackageManager
android.app.ApplicationPackageManager$OnPermissionsChangeListenerDelegate
android.app.ApplicationPackageManager$ResourceName
android.app.ContentProviderHolder
android.app.ContentProviderHolder$1
android.app.ContextImpl
android.app.ContextImpl$ApplicationContentResolver
android.app.DexLoadReporter
android.app.Dialog
android.app.Dialog$ListenersHandler
android.app.DownloadManager
android.app.Fragment复制代码

能够看到preloaded-classes文件中的预加载类的名称有不少都是咱们很是熟知的。预加载属于拿空间换时间的策略，Zygote环境配置的越健全越通用，应用程序进程须要单独作的事情也就越少，预加载除了预加载类，还有预加载资源和预加载共享库，由于不是本文重点，这里就不在延伸讲下去了。
回到preloadClasses方法的注释2处，将FileInputStream封装为BufferedReader，并注释3处遍历BufferedReader，读出全部预加载类的名称，每读出一个预加载类的名称就调用注释4处的代码加载该类，Class的forName方法以下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/Class.java

@CallerSensitive
    public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
                                   ClassLoader loader)
        throws ClassNotFoundException
    {
        if (loader == null) {
            loader = BootClassLoader.getInstance();//1
        }
        Class<?> result;
        try {
            result = classForName(name, initialize, loader);//2
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            Throwable cause = e.getCause();
            if (cause instanceof LinkageError) {
                throw (LinkageError) cause;
            }
            throw e;
        }
        return result;
    }复制代码

注释1处建立了BootClassLoader，并将BootClassLoader实例传入到了注释2处的classForName方法中，classForName方法是Native方法，它的实现由c/c++代码来完成，以下所示。

@FastNative
    static native Class<?> classForName(String className, boolean shouldInitialize,
            ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException;复制代码

4.PathClassLoader的建立

PathClassLoader的建立也得从Zygote进程开始提及，Zygote进程启动SyetemServer进程时会调用ZygoteInit的startSystemServer方法，以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName) throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
    ...
        int pid;
        try {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);//2
            ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
            ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);
            /*1*/
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }
       if (pid == 0) {//2
           if (hasSecondZygote(abiList)) {
               waitForSecondaryZygote(socketName);
           }
           handleSystemServerProcess(parsedArgs);//3
       }
       return true;
   }复制代码

注释1处，Zygote进程经过forkSystemServer方法fork自身建立子进程（SystemServer进程）。注释2处若是forkSystemServer方法返回的pid等于0，说明当前代码是在新建立的SystemServer进程中执行的，接着就会执行注释3处的handleSystemServerProcess方法：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static void handleSystemServerProcess( ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {

    ...
        if (parsedArgs.invokeWith != null) {
           ...
        } else {
            ClassLoader cl = null;
            if (systemServerClasspath != null) {
                cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion);//1
                Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
            }
            ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
        }
    }复制代码

注释1处调用了createPathClassLoader方法，以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

static PathClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
      String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");
      return PathClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath,
                                                      libraryPath,
                                                      libraryPath,
                                                      ClassLoader.getSystemClassLoader(),
                                                      targetSdkVersion,
                                                      true /* isNamespaceShared */);
    }复制代码

createPathClassLoader方法中又会调用PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法，看来PathClassLoader是用工厂来进行建立的。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/PathClassLoaderFactory.java

public static PathClassLoader createClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, String libraryPermittedPath, ClassLoader parent, int targetSdkVersion, boolean isNamespaceShared) {
        PathClassLoader pathClassloader = new PathClassLoader(dexPath, librarySearchPath, parent);
      ...
        return pathClassloader;
    }复制代码

在PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法中会建立PathClassLoader。

结语

在这篇文章中咱们学习了Android的ClassLoader的类型、ClassLoader的继承关系以及BootClassLoader和PathClassLoader是什么时候建立的。BootClassLoader是在Zygote进程的入口方法中建立的，PathClassLoader则是在Zygote进程建立SystemServer进程时建立的。本系列后续文章会接着介绍Android中的ClassLoader的其余知识点，敬请期待。

参考资料
Android动态加载之ClassLoader详解
热修复入门：Android 中的 ClassLoader
浅析dex文件加载机制

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