Android類加載機制及熱修復實現

Android類加載機制

      Dalvik虛擬機如同其他Java虛擬機一樣，在運行程序時首先需要將對應的類加載到內存中。而在Java標准的虛擬機中，類加載可以從class文件中讀取，也可以是其他形式的二進制流。因此，我們常常利用這一點，在程序運行時手動加載Class，從而達到代碼動態加載執行的目的。
只不過Android平台上虛擬機運行的是Dex字節碼,一種對class文件優化的產物,傳統Class文件是一個Java源碼文件會生成一個.class文件，而Android是把所有Class文件進行合並，優化，然后生成一個最終的class.dex,目的是把不同class文件重復的東西只需保留一份,如果我們的Android應用不進行分dex處理,最后一個應用的apk只會有一個dex文件。

     首先看一下Android平台中幾個常用的加載相關的類，以及他們的繼承關系。

• PathClassLoader是用來加載Android系統類和應用的類。
• DexClassLoader支持加載APK、DEX和JAR，也可以從SD卡進行加載。

 

ClassLoader類的主要職責：根據一個指定的類的名稱，找到或者生成其對應的字節代碼，然后從這些字節代碼中定義出一個 Java 類，即 java.lang.Class類的一個實例。 （還可以加載圖片等，這里不討論）

ClassLoader中的主要方法及含義

下面這段代碼時loadClass的實現，可以看出首先會查找加載類是否已經被加載了，如果是直接返回。否則，通過findClass()查找

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) {
                 // If still not found, then invoke findClass in order
                 // to find the class.
                 c = findClass(name);
                 // this is the defining class loader; record the stats
            }
            return c;
    }

在BaseClassLoader中的findClass函數：實際是在一個pathList中去查找這個類。

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
        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的源碼可知，成員變量dexElements用來保存dex數組，而每個dex文件其實就是DexFile對象。遍歷dexElements，然后通過DexFile去加載class文件，加載成功就返回，否則返回null，看到這里應該基本知道我們想干啥了，我打算在dexElements上面做手腳，可以通過反射來加載。

/*package*/ final class DexPathList {
    private static final String DEX_SUFFIX = ".dex";
    private static final String JAR_SUFFIX = ".jar";
    private static final String ZIP_SUFFIX = ".zip";
    private static final String APK_SUFFIX = ".apk";

    /** class definition context */
    private final ClassLoader definingContext;

    /**
     * List of dex/resource (class path) elements.
     * Should be called pathElements, but the Facebook app uses reflection
     * to modify 'dexElements' (http://b/7726934).
     */
    private final Element[] dexElements;

    /**
     * Finds the named class in one of the dex files pointed at by
     * this instance. This will find the one in the earliest listed
     * path element. If the class is found but has not yet been
     * defined, then this method will define it in the defining
     * context that this instance was constructed with.
     *
     * @param name of class to find
     * @param suppressed exceptions encountered whilst finding the class
     * @return the named class or {@code null} if the class is not
     * found in any of the dex files
     */
    public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
        for (Element element : dexElements) {
            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;
    }
}

實際程序運行時我們只需要將本地加載的dex文件插入到DexPathList中的dexElements中，后續程序運行時就會自動到該變量中去查找新的類，這就是該篇講的熱修復的原理。

補丁包dex文件生成

      如果某個APP遠程出現bug，那么開發者如何生成一個新的dex文件，然后通過網絡下發到客戶端呢？

1.到該android sdk的該目錄下：（不一定是23.0.1也可以是其它版本號）

2. 將要生成的dex的class文件（全路徑）放到該目錄下（對應上圖中的com文件夾）。class文件可以從Android Studio的該目錄拷貝：

3. 運行如下命令即可根據MyTestClass.class文件本地生成補丁包： patch.dex

.\dx.bat --dex --output=patch.dex .\com\xxx\xxx\hotfix_qqzone\MyTestClass.class

通過反射將本地dex注入

       前面已經介紹了ClassLoader的一些接口和DexPathList。下面將介紹如何一步一步將本地（可能是通過網絡從服務端獲取的）dex文件動態加載到內存中。

1. 通過反射獲取dexElements

private static Object getDexElementByClassLoader(ClassLoader classLoader) throws Exception {
        Class<?> classLoaderClass = Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
        Field pathListField = classLoaderClass.getDeclaredField("pathList");
        pathListField.setAccessible(true);
        Object pathList = pathListField.get(classLoader);

        Class<?> pathListClass = pathList.getClass();
        Field dexElementsField = pathListClass.getDeclaredField("dexElements");
        dexElementsField.setAccessible(true);
        Object dexElements = dexElementsField.get(pathList);

        return dexElements;
    }

2. 獲取本地dex補丁包，生成dexElement，並合並到已有的dexElements中（通過combineArray函數）

public static void loadFixedDex(Context context,String path){

		String optimizeDir = context.getDir("odex",Context.MODE_PRIVATE)+File.separator+"opt_dex";
		File fopt = new File(optimizeDir);
		if(!fopt.exists()){
			fopt.mkdirs();
		}
		//1.加載應用程序的dex
		try {
			PathClassLoader pathLoader = (PathClassLoader) context.getClassLoader();
				//2.加載指定的修復的dex文件。
				DexClassLoader classLoader = new DexClassLoader(
						path,//String dexPath,
						fopt.getAbsolutePath(),//String optimizedDirectory,
						null,//String libraryPath,
						pathLoader//ClassLoader parent
				);
				//3.合並
				Object path_pathList = getPathList(pathLoader);
				Object dex_pathList = getPathList(classLoader);
				Object path_DexElements = getDexElements(path_pathList);
				Object dex_DexElements = getDexElements(dex_pathList);
				//合並完成
				Object dexElements = combineArray(dex_DexElements,path_DexElements);
				//重寫給PathList里面的lement[] dexElements;賦值
				Object pathList = getPathList(pathLoader);
				setField(pathList,pathList.getClass(),"dexElements",dexElements);

		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}

private static void setField(Object obj,Class<?> cl, String field, Object value) throws Exception {
   Field localField = cl.getDeclaredField(field);
   localField.setAccessible(true);
   localField.set(obj,value);
}

問題1：

       假設class.dex中有一個bug.class出現了bug，現在希望獲通過一個fixbug.class生成了一個補丁包patch.dex。 如果我們APP初始化的時候就加載pathc.dex 不會出現問題，下次調用bug.class會優先使用patch.dex中的bug.class而不是.

總結： 當代碼中已經調用了有問題的類，而沒有加載patch.dex，后續加載將不會再起作用。

問題2： CLASS_ISPREVERIFIED標記問題

如果待修復的類bug.class中沒有引用到class.dex中其它類，則bug.class不會被打上該標記，熱修復不會出現問題。

如果bug.class中引用了class.dex 情況。 // 后續有時間再補充。

 

實際業務使用場景：

項目本地有一套代碼邏輯，當本地代碼執行失敗后，會從服務端獲取補丁包（.dex文件）。因為提前知道補丁包的類名和接口，所以通過DexClassLoader 將補丁信息加載成一個類，然后再通過反射構造一個該類的對象。同時可以通過反射調用類里面相關的接口了，這樣就相當於對本地的代碼進行了替換也是一種修復過程。

Class<?> clazz;
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(patchSaveDir + patchName,
dataDir, "", getClass().getClassLoader());
clazz = dexClassLoader.loadClass(className);
Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
Object object = constructor.newInstance();

自此，簡單的類加載機制和熱修復就介紹完畢了！

參考：

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/

https://www.jianshu.com/p/a620e368389a