Android動態(tài)加載之ClassLoader加載和插件熱修復(fù)的機制原理詳解

作者：Android開發(fā)編程 2021-10-24 06:50:52

移動開發(fā) Android

ClassLoader類加載，是動態(tài)加載機制及現(xiàn)在火熱的插件化機制中很基礎(chǔ)但同時又很重要的知識點;今天我們就來講解下.

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前言

深入理解Android中的類加載器

ClassLoader類加載，是動態(tài)加載機制及現(xiàn)在火熱的插件化機制中很基礎(chǔ)但同時又很重要的知識點;

今天我們就來講解下

一、ClassLoader介紹

1、Android中的ClassLoader

Java中的 ClassLoader可以加載 jar 文件和Class文件(本質(zhì)時加載Class文件)。在Android中，它們加載到是dex文件;
Android中的ClassLoader類型分別是系統(tǒng)類加載器和自定義加載器。其中系統(tǒng)類加載器主要包括3種，分別是 BootClassLoader 、PathClassLoader 和 DexClassLoader;
BootClassLoader: Dalvik/ART虛擬機用于加載Android系統(tǒng)類的Loader，應(yīng)用層通過獲取父ClassLoader的最終項;
PathClassLoader: 我們知道，打包APK后實際上是把java文件都生成dex文件，而這個Loader就是在應(yīng)用啟動時，加載已安裝APK的dex文件;
DexClassLoader: 常見的動態(tài)加載機制都用這個類，傳入指定路徑加載指定dex文件;
PathClassLoader和DexClasLoader都是繼承自 dalviksystem.BaseDexClassLoader，它們的類加載邏輯全部寫在BaseDexClassLoader中;

2、加載原理

ClassLoader使用的是雙親委托機制。雙親委派模型，旨在于讓頂級父類加載器先加載類，若不成功，則一層層往下加載，最終到當(dāng)前加載器。這樣做的目的是保持類加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)不同加載器加載同一個類時，出現(xiàn)多個類實例;

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { 
 
        Class<?> clazz = findLoadedClass(className); 
        if (clazz == null) { 
            ClassNotFoundException suppressed = null; 
            try { 
                clazz = parent.loadClass(className, false); 
            } catch (ClassNotFoundException e) { 
                suppressed = e; 
            } 
            if (clazz == null) { 
                try { 
                    clazz = findClass(className); 
                } catch (ClassNotFoundException e) { 
                    e.addSuppressed(suppressed); 
                    throw e; 
                } 
            } 
        } 
        return clazz; 
    }

會先查詢當(dāng)前ClassLoader實例是否加載過此類，有就返回;
如果沒有。查詢Parent是否已經(jīng)加載過此類，如果已經(jīng)加載過，就直接返回Parent加載的類;
如果繼承路線上的ClassLoader都沒有加載，才由Child執(zhí)行類的加載工作;
這樣做有個明顯的特點，如果一個類被位于樹根的ClassLoader加載過，那么在以后整個系統(tǒng)的生命周期內(nèi)，
這個類永遠不會被重新加載;
如果希望通過動態(tài)加載的方式，加載一個新版本的dex文件，使用里面的新類替換原有的舊類，從而修復(fù)原有類的BUG，那么必須保證在加載新類的時候，舊類還沒有被加載，因為如果已經(jīng)加載過舊類，那么ClassLoader會一直優(yōu)先使用舊類;

二、ClassLoader源碼分析

1、PathClassLoader

Android主要關(guān)心的是PathClassLoader和DexClassLoader;

PathClassLoader用來操作本地文件系統(tǒng)中的文件和目錄的集合。并不會加載來源于網(wǎng)絡(luò)中的類。Android采用這個類加載器一般是用于加載系統(tǒng)類和它自己的應(yīng)用類。這個應(yīng)用類放置在data/data/包名下;

看一下PathClassLoader的源碼，只有2個構(gòu)造方法：

package dalvik.system; 
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); 
    } 
}

2、DexClassLoader

DexClassLoader可以加載一個未安裝的APK，也可以加載其它包含dex文件的JAR/ZIP類型的文件。DexClassLoader需要一個對應(yīng)用私有且可讀寫的文件夾來緩存優(yōu)化后的class文件;
而且一定要注意不要把優(yōu)化后的文件存放到外部存儲上，避免使自己的應(yīng)用遭受代碼注入攻擊;

package dalvik.system; 
import java.io.File; 
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader { 
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, 
            String libraryPath, ClassLoader parent) { 
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), libraryPath, parent); 
    } 
}

PathClassLoader和DexClassLoader除了構(gòu)造方法傳參不同，其它的邏輯都是一樣的;
要注意的是DexClassLoader構(gòu)造方法第2個參數(shù)指的是dex優(yōu)化緩存路徑，這個值是不能為空的;
而PathClassLoader對應(yīng)的dex優(yōu)化緩存路徑為null是因為Android系統(tǒng)自己決定了緩存路徑;
Android中具體負責(zé)類加載的并不是哪個ClassLoader，而是通過DexFile的defineClassNative()方法來加載的;

3、BaseDexClassLoader

接下來我們看一下BaseDexClassLoader這個類：

BaseDexClassLoader的構(gòu)造方法有四個參數(shù)：

dexPath，指的是在Androdi包含類和資源的jar/apk類型的文件集合，指的是包含dex文件。多個文件用“：”分隔開，用代碼就是File.pathSeparator;
optimizedDirectory，指的是odex優(yōu)化文件存放的路徑，可以為null，那么就采用默認的系統(tǒng)路徑;
libraryPath，指的是native庫文件存放目錄，也是以“：”分隔;
parent，parent類加載器;可以看到，在BaseDexClassLoader類中初始化了DexPathList這個類的對象。這個類的作用是存放指明包含dex文件、native庫和優(yōu)化目錄;

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

4、DexPathList

dalvik.system.DexPathList封裝了dex路徑，是一個final類，而且訪問權(quán)限是包權(quán)限，也就是說外界不可繼承，也不可訪問這個類;
BaseDexClassLoader在其構(gòu)造方法中初始化了DexPathList對象，我們來看一下DexPathList的源碼，我們需要重點關(guān)注一下它的成員變量dexElements，它是一個Element[]數(shù)組，是包含dex的文件集合;
Element是DexPathList的一個靜態(tài)內(nèi)部類。DexPathList的構(gòu)造方法有4個參數(shù)。從其構(gòu)造方法中也可以看到傳遞過來的classLoade對象和dexPath不能為null，否則就拋出空指針異常;# dalvik.system.DexPathList

private final Element[] dexElements; 
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath, 
        String libraryPath, File optimizedDirectory) { 
    if (definingContext == null) { 
        throw new NullPointerException("definingContext == null"); 
    } 
    if (dexPath == null) { 
        throw new NullPointerException("dexPath == null"); 
    } 
    if (optimizedDirectory != null) { 
        if (!optimizedDirectory.exists())  { 
            throw new IllegalArgumentException( 
                    "optimizedDirectory doesn't exist: " 
                    + optimizedDirectory); 
        } 
        // 如果文件不是可讀可寫的也會拋出異常 
        if (!(optimizedDirectory.canRead() 
                        && optimizedDirectory.canWrite())) { 
            throw new IllegalArgumentException( 
                    "optimizedDirectory not readable/writable: " 
                    + optimizedDirectory); 
        } 
    } 
    this.definingContext = definingContext; 
    ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>(); 
    // 通過makeDexElements方法來獲取Element數(shù)組 
    // splitDexPath(dexPath)方法是用來把我們之前按照“：”分隔的路徑轉(zhuǎn)為File集合。 
    this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory, 
                                       suppressedExceptions); 
    if (suppressedExceptions.size() > 0) { 
        this.dexElementsSuppressedExceptions = 
            suppressedExceptions.toArray(new IOException[suppressedExceptions.size()]); 
    } else { 
        dexElementsSuppressedExceptions = null; 
    } 
    this.nativeLibraryDirectories = splitLibraryPath(libraryPath); 
}

5、makeDexElements

makeDexElements方法的作用是獲取一個包含dex文件的元素集合;

# dalvik.system.DexPathList

private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory, 
                                         ArrayList<IOException> suppressedExceptions) { 
    ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>(); 
    // 遍歷打開所有的文件并且加載直接或者間接包含dex的文件。 
    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. 
            // 可以發(fā)現(xiàn)它是支持傳遞目錄的，但是說只測試libCore的時候有用 
            elements.add(new Element(file, true, null, null)); 
        } else if (file.isFile()){ 
            // 如果文件名后綴是.dex，說明是原始dex文件 
            if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) { 
                // Raw dex file (not inside a zip/jar). 
                try { 
                    //調(diào)用loadDexFile()方法，加載dex文件，獲得DexFile對象 
                    dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory); 
                } catch (IOException ex) { 
                    System.logE("Unable to load dex file: " + file, ex); 
                } 
            } else { 
                // dex文件包含在其它文件中 
                zip = file; 
                try { 
                    // 同樣調(diào)用loadDexFile()方法 
                    dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory); 
                } catch (IOException suppressed) { 
                    // 和加載純dex文件不同的是，會把異常添加到異常集合中 
                    /* 
                     * IOException might get thrown "legitimately" by the DexFile constructor if 
                     * the zip file turns out to be resource-only (that is, no classes.dex file 
                     * in it). 
                     * Let dex == null and hang on to the exception to add to the tea-leaves for 
                     * when findClass returns null. 
                     */ 
                    suppressedExceptions.add(suppressed); 
                } 
            } 
        } else { 
            System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file); 
        } 
        // 如果zip或者dex二者一直不為null，就把元素添加進來 
        // 注意，現(xiàn)在添加進來的zip存在不為null也不包含dex文件的可能。 
        if ((zip != null) || (dex != null)) { 
            elements.add(new Element(file, false, zip, dex)); 
        } 
    } 
    return elements.toArray(new Element[elements.size()]); 
}

6、loadDexFile()、loadDex

通過上面的代碼也可以看到，加載一個dex文件調(diào)用的是loadDexFile()方法;

# dalvik.system.DexPathList

private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory) 
        throws IOException { 
    // 如果緩存存放目錄為null就直接創(chuàng)建一個DexFile對象返回 
    if (optimizedDirectory == null) { 
        return new DexFile(file); 
    } else { 
        // 根據(jù)緩存存放目錄和文件名得到一個優(yōu)化后的緩存文件路徑 
        String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory); 
        // 調(diào)用DexFile的loadDex()方法來獲取DexFile對象。 
        return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0); 
    } 
}

DexFile的loadDex()方法如下，內(nèi)部也做了一些調(diào)用。拋開這些細節(jié)來講，它的作用就是加載DexFile文件，而且會把優(yōu)化后的dex文件緩存到對應(yīng)目錄;

# dalvik.system.DexFile

static public DexFile loadDex(String sourcePathName, String outputPathName, 
    int flags)throws IOException { 
    /* 
     * TODO: we may want to cache previously-opened DexFile objects. 
     * The cache would be synchronized with close().  This would help 
     * us avoid mapping the same DEX more than once when an app 
     * decided to open it multiple times.  In practice this may not 
     * be a real issue. 
     */ 
    //loadDex方法內(nèi)部就是調(diào)用了DexFile的一個構(gòu)造方法 
    return new DexFile(sourcePathName, outputPathName, flags); 
} 
private DexFile(String sourceName, String outputName, int flags) throws IOException { 
    if (outputName != null) { 
        try { 
            String parent = new File(outputName).getParent(); 
            if (Libcore.os.getuid() != Libcore.os.stat(parent).st_uid) { 
                throw new IllegalArgumentException("Optimized data directory " + parent 
                        + " is not owned by the current user. Shared storage cannot protect" 
                        + " your application from code injection attacks."); 
            } 
        } catch (ErrnoException ignored) { 
            // assume we'll fail with a more contextual error later 
        } 
    } 
    mCookie = openDexFile(sourceName, outputName, flags); 
    mFileName = sourceName; 
    guard.open("close"); 
    //System.out.println("DEX FILE cookie is " + mCookie + " sourceName=" + sourceName + " outputName=" + outputName); 
} 
private static long openDexFile(String sourceName, String outputName, int flags) throws IOException { 
    // Use absolute paths to enable the use of relative paths when testing on host. 
    return openDexFileNative(new File(sourceName).getAbsolutePath(), 
                             (outputName == null) ? null : new File(outputName).getAbsolutePath(), 
                             flags); 
} 
private static native long openDexFileNative(String sourceName, String outputName, int flags);

在BaseDexClassLoader對象構(gòu)造方法內(nèi)，創(chuàng)建了PathDexList對象。而在PathDexList構(gòu)造方法內(nèi)部，通過調(diào)用一系列方法，把直接包含或者間接包含dex的文件解壓縮并緩存優(yōu)化后的dex文件，通過PathDexList的成員變量 Element[] dexElements來指向這個文件;
到此我們就分析完了BaseDexClassLoader的構(gòu)造方法;

7、loadClass

之前講Java類加載器的時候已經(jīng)說了，類加載是按需加載，也就是說當(dāng)明確需要使用class文件的時候才會加載;
與在Java中的loadClass()方法主要流程是類似的，不過因為Android中BootClassLoader是用Java代碼寫的，所以可以直接當(dāng)作系統(tǒng)類加載器的parent類加載器。在Android中如果parent類加載器找不到類，最終還是會調(diào)用ClassLoader對象自己的findClass()方法;

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { 
    Class<?> clazz = findLoadedClass(className); 
    if (clazz == null) { 
        ClassNotFoundException suppressed = null; 
        try { 
            clazz = parent.loadClass(className, false); 
        } catch (ClassNotFoundException e) { 
            suppressed = e; 
        } 
        if (clazz == null) { 
            try { 
                clazz = findClass(className); 
            } catch (ClassNotFoundException e) { 
                e.addSuppressed(suppressed); 
                throw e; 
            } 
        } 
    } 
    return clazz; 
}

我們可以去看一下BaseDexClassLoader類的findClass()方法;

# dalvik.system.BaseDexClassLoader

@Override 
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
    List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>(); 
    // 調(diào)用DexPathList對象的findClass()方法 
    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; 
}

實際上BaseDexClassLoader調(diào)用的是其成員變量DexPathList pathList的findClass()方法;

# dalvik.system.DexPathList

public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) { 
    // 遍歷Element 
    for (Element element : dexElements) { 
        // 獲取DexFile，然后調(diào)用DexFile對象的loadClassBinaryName()方法來加載Class文件。 
        DexFile dex = element.dexFile; 
        if (dex != null) { 
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed); 
            if (clazz != null) { 
                return clazz; 
            } 
        } 
    } 
    if (dexElementsSuppressedExceptions != null) { 
        suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions)); 
    } 
    return null; 
}

從上面的代碼中我們也可以看到，實際上DexPathList最終還是遍歷其自身的Element[]數(shù)組，獲取DexFile對象來加載Class文件;
DexPathList構(gòu)造方法內(nèi)是調(diào)用其makeDexElements()方法來創(chuàng)建Element[]數(shù)組的，而且也提到了如果zip文件或者dex文件二者之一不為null，就把元素添加進來，而添加進來的zip存在不為null也不包含dex文件的可能;
上面的代碼中也可以看到，獲取Class的時候跟這個zip文件沒什么關(guān)系，調(diào)用的是dex文件對應(yīng)的DexFile的方法來獲取Class;
數(shù)組的遍歷是有序的，假設(shè)有兩個dex文件存放了二進制名稱相同的Class，類加載器肯定就會加載在放在數(shù)組前面的dex文件中的Class;
現(xiàn)在很多熱修復(fù)技術(shù)就是把修復(fù)的dex文件放在DexPathList中Element[]數(shù)組的前面，這樣就實現(xiàn)了修復(fù)后的Class搶先加載了，達到了修改bug的目的;
Android加載一個Class是調(diào)用DexFile的defineClass()方法。而不是調(diào)用ClassLoader的defineClass()方法。這一點與Java不同，畢竟Android虛擬機加載的dex文件，而不是class文件;

# dalvik.system.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; 
    try { 
        result = defineClassNative(name, loader, cookie); 
    } catch (NoClassDefFoundError e) { 
        if (suppressed != null) { 
            suppressed.add(e); 
        } 
    } catch (ClassNotFoundException e) { 
        if (suppressed != null) { 
            suppressed.add(e); 
        } 
    } 
    return result; 
}

# java.lang.ClassLoader

protected final Class<?> defineClass(String className, byte[] classRep, int offset, int length, 
        ProtectionDomain protectionDomain) throws java.lang.ClassFormatError { 
    throw new UnsupportedOperationException("can't load this type of class file"); 
}

Android中加載一個類是遍歷PathDexList的Element[]數(shù)組，這個Element包含了DexFile，調(diào)用DexFile的方法來獲取Class文件，如果獲取到了Class，就跳出循環(huán)。否則就在下一個Element中尋找Class;

三、熱修復(fù)的原理

利用pathClassLoader 的對dex 文件進行替換，補丁 dex 文件加載到Element對象,并插入到 dexElement前面，具體還是使用反射;

雙親委派：當(dāng)一個class文件被加載時，classloader發(fā)現(xiàn)已經(jīng)加載過則不會重新加載，如果沒加載過則遞歸地把這個請求委派給父類加載器完成。當(dāng)父加載器找不到指定的類時，子加載器嘗試自己加載

步驟

關(guān)鍵是ClassLoader中l(wèi)oadeClass() 方法， loadClass()雙親委托機制

一個dex被加載的步驟

先從自己緩存中取

自己緩存沒有,就在父 ClassLoader 要 (parent.loadClass())

父 ClassLoader 沒有,就自加載(findClass)

makeDexElements(將dex文件或壓縮包中的信息保存到dexElements中)

findCLass(遍歷Element，并將Element轉(zhuǎn)成Dex文件，獲取Dex文件中的Class文件，直到找到對應(yīng)的class文件位置)

總結(jié)

了解各種加載流程，還是需要多深入源碼，Android-ClassLoader實現(xiàn)邏輯算是非常清晰易懂，但對我們?nèi)粘ｉ_發(fā)如插件化方案會有非常大的幫助;

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「Android開發(fā)編程」

責(zé)任編輯：姜華來源： Android開發(fā)編程

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Android動態(tài)加載之ClassLoader加載和插件熱修復(fù)的機制原理詳解

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前言

一、ClassLoader介紹

2、加載原理

二、ClassLoader源碼分析

1、PathClassLoader

2、DexClassLoader

3、BaseDexClassLoader

4、DexPathList

5、makeDexElements

6、loadDexFile()、loadDex

7、loadClass

三、熱修復(fù)的原理

步驟

總結(jié)

2、加載原理

二、ClassLoader源碼分析

3、BaseDexClassLoader

5、makeDexElements

6、loadDexFile()、loadDex

三、熱修復(fù)的原理