Android热修复【原理】
Android中的类加载器
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，但我们知道Android对jvm优化过，使用的是dalvik，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，在Android中，要加载dex文件中的class文件就需要用到 PathClassLoader 或 DexClassLoader 这两个Android专用的类加载器。
ClassLoader
PathClassLoader 和 DexClassLoader 的源码是属于系统级源码，所以无法在Android Studio中直接查看。Android镜像源码体积较大，一般都是几个G以上，不好下载，我们可以在线源码阅读：
https://www.androidos.net.cn/
或
http://androidxref.com/
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中的loadClass进行加载
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
// 如果parent等于null，则调用BootClassLoader进行加载
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// 如果都找不到就自己查找
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
}
}
return c;
}
1.1 双亲委托机制
某个类加载器在加载类时，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或者没有父类加载器时，才自己去加载。
优点：
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。
1.2 PathClassLoader与DexClassLoader的区别
- 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。
- 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。
1.3 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。
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);
}
}
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
private final DexPathList pathList;
/**
* Constructs an instance.
*
* @param 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。
* @param 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）。
* @param librarySearchPath 加载程序文件时需要用到的库路径。
* @param parent 父加载器
*/
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, optimizedDirectory);
}
/**
* @hide
*/
public void addDexPath(String dexPath) {
pathList.addDexPath(dexPath, null /*optimizedDirectory*/);
}
@Override
protected URL findResource(String name) {
return pathList.findResource(name);
}
@Override
protected Enumeration<URL> findResources(String name) {
return pathList.findResources(name);
}
@Override
public String findLibrary(String name) {
return pathList.findLibrary(name);
}
@Override
protected synchronized Package getPackage(String name) {
if (name != null && !name.isEmpty()) {
Package pack = super.getPackage(name);
if (pack == null) {
pack = definePackage(name, "Unknown", "0.0", "Unknown",
"Unknown", "0.0", "Unknown", null);
}
return pack;
}
return null;
}
/**
* @hide
*/
public String getLdLibraryPath() {
StringBuilder result = new StringBuilder();
for (File directory : pathList.getNativeLibraryDirectories()) {
if (result.length() > 0) {
result.append(':');
}
result.append(directory);
}
return result.toString();
}
@Override public String toString() {
return getClass().getName() + "[" + pathList + "]";
}
}
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，我们知道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。
不过，从Android 8.0开始，BaseDexClassLoader的构造函数逻辑发生了变化，optimizedDirectory过时，不再生效，详情可查看Android 8.0的BaseDexClassLoader.java源码
类加载器肯定会提供有一个方法来供外界找到它所加载到的class，该方法就是findClass()，不过在PathClassLoader和DexClassLoader源码中都没有重写父类的findClass()方法，但它们的父类BaseDexClassLoader就有重写findClass()，所以来看看BaseDexClassLoader的findClass()方法都做了哪些操作，代码如下：
@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;
}
可以看到，BaseDexClassLoader的findClass()方法实际上是通过DexPathList对象（pathList）的findClass()方法来获取class的，而这个DexPathList对象恰好在之前的BaseDexClassLoader构造函数中就已经被创建好了。所以，下面就来看看DexPathList类中都做了什么。
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, 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);
}
if (!(optimizedDirectory.canRead()
&& optimizedDirectory.canWrite())) {
throw new IllegalArgumentException(
"optimizedDirectory not readable/writable: "
+ optimizedDirectory);
}
}
this.definingContext = definingContext;
ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
// 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。
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext);
.....
}
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:…)。
那接下来无疑是分析makeDexElements()方法了，因为这部分代码比较长，我就贴出关键代码，并以注释的方式进行分析：
private static Element[] makeDexElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
List<IOException> suppressedExceptions,
ClassLoader loader) {
return makeElements(files, optimizedDirectory, suppressedExceptions, false, loader);
private static Element[] makeElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
List<IOException> suppressedExceptions,
boolean ignoreDexFiles,
ClassLoader loader) {
// 1.创建Element集合
Element[] elements = new Element[files.size()];
int elementsPos = 0;
// 2.遍历所有dex文件（也可能是jar、apk或zip文件）
for (File file : files) {
File zip = null;
File dir = new File("");
DexFile dex = null;
String path = file.getPath();
String name = file.getName();
// 如果是dex文件
if (path.contains(zipSeparator)) {
String split[] = path.split(zipSeparator, 2);
zip = new File(split[0]);
dir = new File(split[1]);
} else if (file.isDirectory()) {
// We support directories for looking up resources and native libraries.
// Looking up resources in directories is useful for running libcore tests.
elements[elementsPos++] = new Element(file, true, null, null);
} else if (file.isFile()) {
// 如果是dex文件
if (!ignoreDexFiles && name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
// Raw dex file (not inside a zip/jar).
try {
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
} catch (IOException suppressed) {
System.logE("Unable to load dex file: " + file, suppressed);
suppressedExceptions.add(suppressed);
}
} else {
zip = file;
if (!ignoreDexFiles) {
try {
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
} catch (IOException suppressed) {
/*
* 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);
}
// 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[elementsPos++] = new Element(dir, false, zip, dex);
}
}
if (elementsPos != elements.length) {
elements = Arrays.copyOf(elements, elementsPos);
}
// 4.将Element集合转成Element数组返回
return elements;
}
}
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。
其实，Android的类加载器（不管是PathClassLoader，还是DexClassLoader），它们最后只认dex文件，而loadDexFile()是加载dex文件的核心方法，可以从jar、apk、zip中提取出dex。
再来看DexPathList的findClass()方法：
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;
}
结合DexPathList的构造函数，其实DexPathList的findClass()方法很简单，就只是对Element数组进行遍历，一旦找到类名与name相同的类时，就直接返回这个class，找不到则返回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。
总结
Android类加载器在加载一个类时会先从自身DexPathList对象中的Element数组中获取到对应的类，之后再加载。采用的是数组遍历的方式。在for循环中，首先遍历出现的是dex文件，然后再是从dex文件获取class，所以我们只要让修复好的class打包成一个dex文件，放在Element数组的第一个元素，这样就能保住获取到的class是最新修复好的class了。
