07 ClassLoader类加载

2020-09-21 本文已影响0人凤邪摩羯

1 热修复核心原理

又在写bug？这句话虽然是句玩笑话，但是也正因为我们是人不是神，但也不能面面俱到，什么都考虑完美，出现bug是不可避免的。那么对于android我们出现了Bug怎么办？

早期遇到Bug我们一般会紧急发布了一个版本。然而这个Bug可能就是简简单单的一行代码，为了这一行代码，进行全量或者增量更新迭代一个版本，未免有点大材小用了。而且新版本的普及需要时间，而且如果这次的新版本又有个小问题，怎么办？

那么为了解决这一个问题，热修复出现了。

热修复，现在大家应该都不陌生。从16年开始开始，热修复技术在 Android 技术社区热了一阵子，这种不用发布新版本就可以修复线上 bug 的技术看起来非常黑科技。

image.png

1.1 ART 和 Dalvik

DVM也是实现了JVM规范的一个虚拟器，默认使用CMS垃圾回收器，但是与JVM运行 Class 字节码不同，DVM 执行 Dex(Dalvik Executable Format) ——专为 Dalvik 设计的一种压缩格式。Dex 文件是很多 .class 文件处理压缩后的产物，最终可以在 Android 运行时环境执行。

而ART（Android Runtime） 是在 Android 4.4 中引入的一个开发者选项，也是 Android 5.0 及更高版本的默认 Android 运行时。ART 和 Dalvik 都是运行 Dex 字节码的兼容运行时，因此针对 Dalvik 开发的应用也能在 ART 环境中运作。

https://source.android.google.cn/devices/tech/dalvik/gc-debug
[图片上传中...(image.png-d65277-1600333916618-0)]

dexopt

在Dalvik中虚拟机在加载一个dex文件时，对 dex 文件进行验证和优化的操作，其对 dex 文件的优化结果变成了 odex(Optimized dex) 文件，这个文件和 dex 文件很像，只是使用了一些优化操作码。
dex2oat

ART 预先编译机制，Dalvik下应用在安装的过程，会执行一次优化，将dex字节码进行优化生成odex文件。而Art 下将应用的dex字节码翻译成本地机器码的最恰当AOT时机也就发生在应用安装的时候。ART引入了预先编译机制(Ahead Of Time) , 在安装时, ART使用设备自带的dex2oat工具来编译应用，dex中的字节码将被编译成本地机器码

image.png

1.2 ClassLoader介绍

任何一个 Java 程序都是由一个或多个 class 文件组成，在程序运行时，需要将 class 文件加载到 JVM 中才可以使用，负责加载这些 class 文件的就是 Java 的类加载机制。ClassLoader 的作用简单来说就是加载 class 文件，提供给程序运行时使用。每个 Class 对象的内部都有一个 classLoader 字段来标识自己是由哪个 ClassLoader 加载的。

class Class<T> {
  ...
  private transient ClassLoader classLoader;
  ...
}

ClassLoader是一个抽象类，而它的具体实现类主要有：

BootClassLoader

用于加载Android Framework层class文件。
PathClassLoader

用于Android应用程序类加载器。可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex
DexClassLoader

用于加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex

很多博客里说PathClassLoader只能加载已安装的apk的dex，其实这说的应该是在dalvik虚拟机上。

但现在一般不用关心dalvik了。

   Log.e(TAG, "Activity.class 由：" + Activity.class.getClassLoader() +" 加载");
   Log.e(TAG, "MainActivity.class 由：" + getClassLoader() +" 加载");
   //输出：
   Activity.class 由：java.lang.BootClassLoader@d3052a9 加载
   MainActivity.class 由：dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/base.apk"],
nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/lib/x86, /system/lib, /vendor/lib]]] 加载

它们之间的关系如下：

image.png

PathClassLoader与DexClassLoader的共同父类是BaseDexClassLoader。

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {

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

可以看到两者唯一的区别在于：创建DexClassLoader需要传递一个optimizedDirectory参数，并且会将其创建为File对象传给super，而PathClassLoader则直接给到null。因此两者都可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex

PathClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());

File dexOutputDir = context.getCodeCacheDir();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader("/sdcard/xx.dex",dexOutputDir.getAbsolutePath(), null,getClassLoader());

其实,optimizedDirectory参数就是dexopt的产出目录(odex)。那PathClassLoader创建时，这个目录为null，就意味着不进行dexopt？并不是，optimizedDirectory为null时的默认路径为：/data/dalvik-cache。

在API 26源码中，将DexClassLoader的optimizedDirectory标记为了 deprecated 弃用，实现也变为了：

public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
                   String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
   super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}

......和PathClassLoader一摸一样了！

1.2.1 双亲委托机制

可以看到创建ClassLoader需要接收一个ClassLoader parent参数。这个parent的目的就在于实现类加载的双亲委托。即：

某个类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

1、避免重复加载，当父加载器已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
2、安全性考虑，防止核心API库被随意篡改。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{   
    // 检查class是否有被加载  
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        long t0 = System.nanoTime();
        try {
            if (parent != null) {
                //如果parent不为null，则调用parent的loadClass进行加载  
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                //parent为null，则调用BootClassLoader进行加载  
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
        }
        if (c == null) {
            // 如果都找不到就自己查找
            long t1 = System.nanoTime();
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}

因此我们自己创建的ClassLoader: `new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());
并不仅仅只能加载 xx.dex中的class。值得注意的是：`c = findBootstrapClassOrNull(name);`
按照方法名理解，应该是当parent为null时候，也能够加载`BootClassLoader`加载的类。
 
new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", null)，能否加载Activity.class？

但是实际上，Android当中的实现为：（Java不同）
private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
{
  return null;
}

1.2.2 findClass

image.png

可以看到在所有父ClassLoader无法加载Class时，则会调用自己的findClass方法。findClass在ClassLoader中的定义为:

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

其实任何ClassLoader子类，都可以重写loadClass与findClass。一般如果你不想使用双亲委托，则重写loadClass修改其实现。而重写findClass则表示在双亲委托下，父ClassLoader都找不到Class的情况下，定义自己如何去查找一个Class。而我们的PathClassLoader会自己负责加载MainActivity这样的程序中自己编写的类，利用双亲委托父ClassLoader加载Framework中的Activity。说明PathClassLoader并没有重写loadClass，因此我们可以来看看PathClassLoader中的 findClass 是如何实现的。

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

@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
    //查找指定的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;
}

实现非常简单，从pathList中查找class。继续查看DexPathList

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
            String librarySearchPath, File optimizedDirectory) {
    //.........
    // splitDexPath 实现为返回 List<File>.add(dexPath)
    // makeDexElements 会去 List<File>.add(dexPath) 中使用DexFile加载dex文件返回 Element数组
    this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                                           suppressedExceptions, definingContext);
    //.........
    
}

public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
     //从element中获得代表Dex的 DexFile
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;
        if (dex != null) {
            //查找class
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
        suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
    }
    return null;
}

2 热修复

PathClassLoader中存在一个Element数组，Element类中存在一个dexFile成员表示dex文件，即：APK中有X个dex，则Element数组就有X个元素。

image.png

在PathClassLoader中的Element数组为：[patch.dex , classes.dex , classes2.dex]。如果存在Key.class位于patch.dex与classes2.dex中都存在一份，当进行类查找时，循环获得dexElements中的DexFile，查找到了Key.class则立即返回，不会再管后续的element中的DexFile是否能加载到Key.class了。

因此实际上，一种热修复实现可以将出现Bug的class单独的制作一份fix.dex文件(补丁包)，然后在程序启动时，从服务器下载fix.dex保存到某个路径，再通过fix.dex的文件路径，用其创建Element对象，然后将这个Element对象插入到我们程序的类加载器PathClassLoader的pathList中的dexElements数组头部。这样在加载出现Bug的class时会优先加载fix.dex中的修复类，从而解决Bug。

热修复的方式不止这一种，并且如果要完整实现此种热修复可能还需要注意一些其他的问题(如：反射兼容)。

07 ClassLoader类加载

1 热修复核心原理

1.1 ART 和 Dalvik

1.2 ClassLoader介绍

1.2.1 双亲委托机制

1.2.2 findClass

2 热修复

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