Android热更新实现原理浅析
热更新是Android工程师必学的技能之一,其理论基础就是ClassLoader类加载器。
我们知道,在Java程序中JVM虚拟机通过类加载器ClassLoader来加载class文件和jar文件(本质还是class文件)。Android与Java类似,只不过Android使用的是Dalvik/ART虚拟机,加载的是dex文件,即一种对class文件优化的产物。Android中类加载器分为两种类型,分别是系统ClassLoader和自定义ClassLoader,其中系统ClassLoader包括三种分别是BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。
一、Android中的ClassLoader
Android中的ClassLoader.png从上图中ClassLoader的继承关系可知:
- ClassLoader是一个抽象类,其中定义了ClassLoader的主要功能;
- BootClassLoader是ClassLoader的内部类,用于预加载preload()常用类以及一些系统Framework层级需要的类;
- BaseDexClassLoader继承ClassLoader,是抽象类ClassLoader的具体实现类,PathClassLoader和DexClassLoader都继承它;
- PathClassLoader加载系统类和应用程序的类,如果是加载非系统应用程序类,则会加载data/app/目录下的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件;
- DexClassLoader可以加载自定义的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件,也支持从SD卡进行加载。
1.1 抽象类ClassLoader
public abstract class ClassLoader { private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) { this.parent = parent; } protected ClassLoader(ClassLoader parent) { this(checkCreateClassLoader(), parent); } protected ClassLoader() { this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader()); } public static ClassLoader getSystemClassLoader() { return SystemClassLoader.loader; } static private class SystemClassLoader { public static ClassLoader loader = ClassLoader.createSystemClassLoader(); } private static ClassLoader createSystemClassLoader() { String classPath = System.getProperty("java.class.path", "."); String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", ""); return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance()); } 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; } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name); }}
从ClassLoader源码的可知,其构造函数分为2中,一种是显示传入一个父类构造器,另一种是无参默认构造。同时,在默认无父构造器传入的情况下,默认父构造器为一个PathClassLoader。
loadClass()方法是ClassLoader的核心方法,我们从中可以看到在加载类时,首先判断这个类之前是否已经被加载过,如果已经被加载过则直接返回,如果没有则委托其父加载器进行查找,这样依次的进行递归,直到委托到最顶层的BootClassLoader,如果BootClassLoader找到了该Class,就会直接返回,如果没找到,则继续依次向下查找,如果还没找到则最后会交由自身去查找,这就是所谓的双亲委派模型。
双亲委派模型优点:
- 可以避免重复加载,如果已经加载过一次Class,就不需要再次加载;
- 更加安全,因为只有两个类名一致并且被同一个类加载器加载的类,虚拟机才会认为它们是同一个类。
1.2 BootClassLoader
Android系统启动时会使用BootClassLoader来预加载常用类,其核心代码如下所示。
class BootClassLoader extends ClassLoader { private static BootClassLoader instance; @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED") public static synchronized BootClassLoader getInstance() { if (instance == null) { instance = new BootClassLoader(); } return instance; } @Override protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { return Class.classForName(name, false, null); } @Override protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { Class<?> clazz = findLoadedClass(className); if (clazz == null) { clazz = findClass(className); } return clazz; }}
由BootClassLoader源码可知,BootClassLoader是ClassLoader的内部类,并继承自ClassLoader。同时,BootClassLoader是一个单例,且访问修饰符是默认的,只有在同一个包中才可以访问,因此我们在应用程序中无法直接调用。
1.3 PathClassLoader
Android系统使用PathClassLoader来加载系统类和应用程序的类,也就是说App安装到手机后,apk里面的class.dex均是通过PathClassLoader来加载的,其源代码如下。
/** * Provides a simple {@link ClassLoader} implementation that operates on a list * of files and directories in the local file system, but does not attempt to * load classes from the network. Android uses this class for its system class * loader and for its application class loader(s). */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); }}
由其源码可知,PathClassLoader继承自BaseDexClassLoader,构造方法都直接调用了其父类的构造方法,很明显PathClassLoader的方法实现都在BaseDexClassLoader中。
下面我们重点来分析一下BaseDexClassLoader,首先一起来看下它的核心源码。
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader { private final DexPathList pathList; public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) { this(dexPath, optimizedDirectory, librarySearchPath, parent, false); } public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent, boolean isTrusted) { super(parent); this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted); ... } @Override protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { ... Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions); ... return c; }}
首先解释一下BaseDexClassLoader的构造方法参数:
- dexPath:包含类和资源的jar / apk文件列表,由 File.pathSeparator分隔,在Android上默认为":"。
- optimizedDirectory:由于dex文件被包含在apk或者jar文件中,因此在类加载之前需要先从apk或jar文件中解压出dex文件,该参数就是制定解压出的dex 文件存放的路径。
- librarySearchPath:指目标类中所使用的C/C++库存放的路径,可以为null。
- parent:父ClassLoader引用。
我们可以看到,在BaseDexClassLoader的构造过程中,创建了一个DexPathList对象,并将其赋值给成员变量pathList。同时,BaseDexClassLoader重写了findClass()方法,通过该方法进行类查找的时候,会委托给pathList对象的findClass()方法进行相应的类查找。
那么,显然我们需要继续分析一下DexPathList的源码实现。
final class DexPathList { private Element[] dexElements; DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath, String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) { ... this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory, suppressedExceptions, definingContext, isTrusted); ... } private static Element[] makeDexElements(List files, File optimizedDirectory, List suppressedExceptions, ClassLoader loader, boolean isTrusted) { Element[] elements = new Element[files.size()]; int elementsPos = 0; for (File file : files) { if (file.isDirectory()) { elements[elementsPos++] = new Element(file); } else if (file.isFile()) { String name = file.getName(); DexFile dex = null; if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) { // Raw dex file (not inside a zip/jar). try { dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements); if (dex != null) { elements[elementsPos++] = new Element(dex, null); } } catch (IOException suppressed) { System.logE("Unable to load dex file: " + file, suppressed); suppressedExceptions.add(suppressed); } } else { try { dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements); } catch (IOException suppressed) { suppressedExceptions.add(suppressed); } if (dex == null) { elements[elementsPos++] = new Element(file); } else { elements[elementsPos++] = new Element(dex, file); } } } else { System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file); } } return elements; } public Class findClass(String name, List 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; }}
由DexPathList的源码可知,在DexPathList构造方法中,通过makeDexElements()方法初始化Element数组并将其赋值给成员变量dexElements。而且,通过makeDexElements()方法源码我们可以看到它所做的事情就是遍历传递过来的dexPath,然后依次加载每个dex文件。
那么,通过上面的分析,现在应该就很明了了,下面总结一下类加载过程:
- PathClassLoader调用父类BaseDexClassLoader的构造方法;
- BaseDexClassLoader构造方法创建DexPathList对象并赋值给成员变量pathList;
- DexPathList构造方法中通过makeDexElements()方法遍历传递过来的dexPath,然后依次加载每个dex文件,并把Element数组赋值给成员变量dexElements;
- BaseDexClassLoader通过findClass()方法进行类查找,实际是委托给pathList对象的findClass()方法进行类查找,最终是直接遍历DexPathList 类中成员变量dexElements,然后通过调用element.dexFile对象上的loadClassBinaryName方法来加载类,如果返回值不是null,就表示加载类成功,并将这个Class对象返回。
1.4 DexClassLoader
DexClassLoader可以加载自定义的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件,也支持从SD卡进行加载,其源码如下。
/** * A class loader that loads classes from {@code .jar} and {@code .apk} files * containing a {@code classes.dex} entry. This can be used to execute code not * installed as part of an application.*/public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader { public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) { super(dexPath, null, librarySearchPath, parent); }}
由其源码可知,DexClassLoader同样继承自BaseDexClassLoader,构造方法直接调用了其父类的构造方法,同样DexClassLoader的方法实现都在BaseDexClassLoader中。
那么,对比一下PathClassLoader,DexClassLoader与其不同的点就在于它可以加载任意目录下的dex/jar/apk/zip文件,比PathClassLoader更加灵活,是实现热修复和插件化技术的重点。
二、Android热更新实现原理
Android热更新技术是以ClassLoader类加载为基础的,经过上面对BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader、BaseDexClassLoader、DexPathList的分析,我们可以看出来DexPathList对象中的dexElements数组是类加载的一个核心。
通过以上对类加载流程的分析,可以看出一个类加载时会先从DexPathList对象中的dexElements数组中获取,如果一个类能够被成功加载,那么它的dex一定会出现在dexElements所对应的dex文件中。同时,由于采用的是数组遍历的方式,所以dexElements中dex出现的顺序也非常重要,在dexElements前面出现的dex会被优先加载,一旦Class被加载成功, 就会立即返回。也就是说,我们如果想实现热更新,就一定要保证我们的热更新dex文件出现在原先dexElements数组之前。
到此为止,那么我们的目标就很明确了,就是要在运行时去修改PathClassLoader.pathList.dexElements,具体实现步骤如下:
- 通过构造一个DexClassLoader对象来加载我们的热更新dex文件;
- 通过反射获取系统默认的PathClassLoader.pathList.dexElements;
- 将我们的热更新dex与系统默认的Elements数组合并,同时保证热更新dex在系统默认Elements数组之前;
- 将合并完成后的数组设置回PathClassLoader.pathList.dexElements。
三、具体实现
请参考 https://github.com/lxbnjupt
或者 带你一步一步手动实现Android热更新
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