Android Plug-in and Hotfix Summary

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Android plug-in and hotfix summary

[TOC]

插件化和热修复总述

首先明确一点，两者不是同一个概念。虽然在技术实现的角度来说，他们都是从系统加载起的角度出发，无论是 hook ，或者代理还是其他底层方式实现，都是通过 欺骗 Android 系统的方式，让宿主正常的加载和运行插件（补丁）中的内容；

但是两者的出发点不同。插件化，更多是想把需要实现的模块或者功能当作一个独立模块提取出来，较少宿主的大小，当需要使用到相应的功能时再去加载相应的模块。热修复则是从修复 bug 出发，强调的是在不需要二次安装应用的前提下修复已知的 bug。

• 宿主：当前运行的 APP

• 插件：相对于插件化技术来说，就是要加载运行的 apk类文件

• 补丁：对于热修复技术来说，就是要加载运行的 .patch, .dex 等一系列包含 dex 修复内容的文件。

类加载机制

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。如果加载过，则直接返回，不再重复加载。如果没有加载过，则会询问它的Parent是否已经加载过此字节码文件，同样的，如果已经加载过，就直接返回parent加载过的字节码文件，而如果整个继承线路上的classLoader都没有加载过，才由child类加载器（即，当前的子classLoader）执行类的加载工作。

• 特点：如果一个类被classLoader继承线路上的任意一个加载过，那么在以后整个系统的生命周期中，这个类都不会再被加载，大大提高了类的加载效率。
• 作用：
  • 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，以后在任何地方用到，都不会去重新加载。
  • 类加载的隔离功能：防止自定义系统类

验证多个类是同一个类的成立条件：

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

loadClass()

通过loadClass()这个方法来验证双亲委派模型

找到ClassLoader这个类中的loadClass()方法，它调用的是另一个2个参数的重载loadClass()方法。

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

可以看到，如前面所说，加载一个类时，会有如下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. 如果所有的父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。

Android 中的 ClassLoader

类加载器类型

Android跟java有很大的渊源，基于jvm的java应用是通过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，底层虚拟机有所不同，那么它们的类加载器当然也是会有所区别。

Android中最主要的类加载器有如下4个：

• BootClassLoader：加载Android Framework层中的class字节码文件（类似java的Bootstrap ClassLoader）

• PathClassLoader：加载已经安装到系统中的Apk的class字节码文件（类似java的App ClassLoader）

• DexClassLoader：加载指定目录的class字节码文件（类似java中的Custom ClassLoader）

• BaseDexClassLoader：PathClassLoader和DexClassLoader的父类

@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);
            }
        }
    }

上面代码中可以通过上下文拿到当前类的类加载器（PathClassLoader）,然后通过getParent()得到父类加载器（BootClassLoader），这是由于Android中的类加载器和java类加载器一样使用的是双亲委派模型。

PathClassLoader与DexClassLoader的区别

使用场景

• 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：可以加载任意目录下的dex/jar/apk/zip文件，比PathClassLoader更灵活，是实现热修复的重点。

代码差异

// 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);
    }
}


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

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。

BaseDexClassLoader

通过观察PathClassLoader与DexClassLoader的源码我们就可以确定，真正有意义的处理逻辑肯定在BaseDexClassLoader中，所以下面着重分析BaseDexClassLoader源码。

构造函数

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);
    }
    ...
}

• dexPath：要加载的程序文件（一般是dex文件，也可以是jar/apk/zip文件）所在目录。

• optimizedDirectory：dex文件的输出目录（因为在加载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：加载程序文件时需要用到的库路径。

• parent：父加载器

从一个完整App的角度来说，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。

因为PathClassLoader只会加载已安装包中的dex文件，而DexClassLoader不仅仅可以加载dex文件，还可以加载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文件就需要解压，所以，DexClassLoader在调用父类构造函数时会指定一个解压的目录。

findClass()

private final DexPathList pathList;

@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
    // 实质是通过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;
}

DexPathList

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);
    ...
}

这个构造函数中，保存了当前的类加载器definingContext，并调用了makeDexElements()得到Element集合。

通过对splitDexPath(dexPath)的源码追溯，发现该方法的作用其实就是将dexPath目录下的所有程序文件转变成一个File集合。而且还发现，dexPath是一个用冒号（":"）作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:...)。

private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory, ArrayList<IOException> suppressedExceptions) {
    // 1.创建Element集合
    ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>();
    // 2.遍历所有dex文件（也可能是jar、apk或zip文件）
    for (File file : files) {
        ZipFile zip = null;
        DexFile dex = null;
        String name = file.getName();
        ...
        // 如果是dex文件
        if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
            dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);

        // 如果是apk、jar、zip文件（这部分在不同的Android版本中，处理方式有细微差别）
        } 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()]);
}

在这个方法中，看到了一些眉目，总体来说，DexPathList的构造函数是将一个个的程序文件（可能是dex、apk、jar、zip）封装成一个个Element对象，最后添加到Element集合中。

findClass()

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;
}

为什么是调用DexFile的loadClassBinaryName()方法来加载class？这是因为一个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。这可以从Element这个类的源码和dex文件的内部结构看出。

热修复的实现原理

经过对PathClassLoader、DexClassLoader、BaseDexClassLoader、DexPathList的分析，我们知道，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，之后再加载。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，然后再是从dex文件中获取class，所以，我们只要让修复好的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（当然，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，所以没有机会被拿到而已。