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解析ClassLoader系列

前言

在Android應(yīng)用開發(fā)中，熱修復技術(shù)被越來越多的開發(fā)者所使用，也出現(xiàn)了很多熱修復框架，比如：AndFix、Tinker、Dexposed和Nuwa等等。如果只是會這些熱修復框架的使用那意義并不大，我們還需要了解它們的原理，這樣不管熱修復框架如何變化，只要基本原理不變，我們就可以很快的掌握它們。這一個系列不會對某些熱修復框架源碼進行解析，而是講解熱修復框架的通用原理。

1.熱修復的產(chǎn)生概述

在開發(fā)中我們會遇到如下的情況：

1. 剛發(fā)布的版本出現(xiàn)了嚴重的bug，這就需要去解決bug、測試并打渠道包在各個應(yīng)用市場上重新發(fā)布，這會耗費大量的人力物力，代價會比較大。
2. 已經(jīng)改正了此前發(fā)布版本的bug，如果下一個版本是一個大版本，那么兩個版本的間隔時間會很長，這樣要等到下個大版本發(fā)布再修復bug，這樣此前版本的bug會長期的影響用戶。
3. 版本升級率不高，并且需要很長時間來完成版本覆蓋，此前版本的bug就會一直影響不升級版本的用戶。
4. 有一個小而重要的功能，需要短時間內(nèi)完成版本覆蓋，比如節(jié)日活動。

為了解決上面的問題，熱修復框架就產(chǎn)生了。對于Bug的處理，開發(fā)人員不要過于依賴熱修復框架，在開發(fā)的過程中還是要按照標準的流程做好自測、配合測試人員完成測試流程。

2.熱修復框架的對比

熱修復框架的種類繁多，按照公司團隊劃分主要有以下幾種：

雖然熱修復框架很多，但熱修復框架的核心技術(shù)主要有三類，分別是代碼修復、資源修復和動態(tài)鏈接庫修復，其中每個核心技術(shù)又有很多不同的技術(shù)方案，每個技術(shù)方案又有不同的實現(xiàn)，另外這些熱修復框架仍在不斷的更新迭代中，可見熱修復框架的技術(shù)實現(xiàn)是繁多可變的。作為開發(fā)需需要了解這些技術(shù)方案的基本原理，這樣就可以以不變應(yīng)萬變。

部分熱修復框架的對比如下表所示。

我們可以根據(jù)上表和具體業(yè)務(wù)來選擇合適的熱修復框架，當然上表的信息很難做到完全準確，因為部分的熱修復框架還在不斷更新迭代。
從表中也可以發(fā)現(xiàn)Tinker和Amigo擁有的特性最多，是不是就選它們呢？也不盡然，擁有的特性多也意味著框架的代碼量龐大，我們需要根據(jù)業(yè)務(wù)來選擇最合適的，假設(shè)我們只是要用到方法替換，那么使用Tinker和Amigo顯然是大材小用了。另外如果項目需要即時生效，那么使用Tinker和Amigo是無法滿足需求的。對于即時生效，AndFix、Robust和Aceso都滿足這一點，這是因為AndFix的代碼修復采用了底層替換方案，而Robust和Aceso的代碼修復借鑒了Instant Run原理，現(xiàn)在我們就來學習代碼修復。

3.代碼修復

代碼修復主要有三個方案，分別是底層替換方案、類加載方案和Instant Run方案。

3.1 類加載方案

類加載方案基于Dex分包方案，什么是Dex分包方案呢？這個得先從65536限制和LinearAlloc限制說起。
65536限制
隨著應(yīng)用功能越來越復雜，代碼量不斷地增大，引入的庫也越來越多，可能會在編譯時提示如下異常：

com.android.dex.DexIndexOverflowException: method ID not in [0, 0xffff]: 65536

這說明應(yīng)用中引用的方法數(shù)超過了最大數(shù)65536個。產(chǎn)生這一問題的原因就是系統(tǒng)的65536限制，65536限制的主要原因是DVM Bytecode的限制，DVM指令集的方法調(diào)用指令invoke-kind索引為16bits，最多能引用 65535個方法。
LinearAlloc限制
在安裝時可能會提示INSTALL_FAILED_DEXOPT。產(chǎn)生的原因就是LinearAlloc限制，DVM中的LinearAlloc是一個固定的緩存區(qū)，當方法數(shù)過多超出了緩存區(qū)的大小時會報錯。

為了解決65536限制和LinearAlloc限制，從而產(chǎn)生了Dex分包方案。Dex分包方案主要做的是在打包時將應(yīng)用代碼分成多個Dex，將應(yīng)用啟動時必須用到的類和這些類的直接引用類放到主Dex中，其他代碼放到次Dex中。當應(yīng)用啟動時先加載主Dex，等到應(yīng)用啟動后再動態(tài)的加載次Dex，從而緩解了主Dex的65536限制和LinearAlloc限制。

Dex分包方案主要有兩種，分別是Google官方方案、Dex自動拆包和動態(tài)加載方案。因為Dex分包方案不是本章的重點，這里就不再過多的介紹，我們接著來學習類加載方案。
在Android解析ClassLoader（二）Android中的ClassLoader中講到了ClassLoader的加載過程，其中一個環(huán)節(jié)就是調(diào)用DexPathList的findClass的方法，如下所示。
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java

 public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
        for (Element element : dexElements) {//1
            Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);//2
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
        if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
            suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
        }
        return null;
    }

Element內(nèi)部封裝了DexFile，DexFile用于加載dex文件，因此每個dex文件對應(yīng)一個Element。
多個Element組成了有序的Element數(shù)組dexElements。當要查找類時，會在注釋1處遍歷Element數(shù)組dexElements（相當于遍歷dex文件數(shù)組），注釋2處調(diào)用Element的findClass方法，其方法內(nèi)部會調(diào)用DexFile的loadClassBinaryName方法查找類。如果在Element中（dex文件）找到了該類就返回，如果沒有找到就接著在下一個Element中進行查找。
根據(jù)上面的查找流程，我們將有bug的類Key.class進行修改，再將Key.class打包成包含dex的補丁包Patch.jar，放在Element數(shù)組dexElements的第一個元素，這樣會首先找到Patch.dex中的Key.class去替換之前存在bug的Key.class，排在數(shù)組后面的dex文件中的存在bug的Key.class根據(jù)ClassLoader的雙親委托模式就不會被加載，這就是類加載方案，如下圖所示。

類加載方案需要重啟App后讓ClassLoader重新加載新的類，為什么需要重啟呢？這是因為類是無法被卸載的，因此要想重新加載新的類就需要重啟App，因此采用類加載方案的熱修復框架是不能即時生效的。
雖然很多熱修復框架采用了類加載方案，但具體的實現(xiàn)細節(jié)和步驟還是有一些區(qū)別的，比如QQ空間的超級補丁和Nuwa是按照上面說得將補丁包放在Element數(shù)組的第一個元素得到優(yōu)先加載。微信Tinker將新舊apk做了diff，得到patch.dex，然后將patch.dex與手機中apk的classes.dex做合并，生成新的classes.dex，然后在運行時通過反射將classes.dex放在Element數(shù)組的第一個元素。餓了么的Amigo則是將補丁包中每個dex 對應(yīng)的Element取出來，之后組成新的Element數(shù)組，在運行時通過反射用新的Element數(shù)組替換掉現(xiàn)有的Element 數(shù)組。

采用類加載方案的主要是以騰訊系為主，包括微信的Tinker、QQ空間的超級補丁、手機QQ的QFix、餓了么的Amigo和Nuwa等等。

3.2 底層替換方案

與類加載方案不同的是，底層替換方案不會再次加載新類，而是直接在Native層修改原有類，由于是在原有類進行修改限制會比較多，不能夠增減原有類的方法和字段，如果我們增加了方法數(shù)，那么方法索引數(shù)也會增加，這樣訪問方法時會無法通過索引找到正確的方法，同樣的字段也是類似的情況。
底層替換方案和反射的原理有些關(guān)聯(lián)，就拿方法替換來說，方法反射我們可以調(diào)用java.lang.Class.getDeclaredMethod，假設(shè)我們要反射Key的show方法，會調(diào)用如下所示。

   Key.class.getDeclaredMethod("show").invoke(Key.class.newInstance());

Android 8.0的invoke方法，如下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/reflect/Method.java

    @FastNative
    public native Object invoke(Object obj, Object... args)
            throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException;

invoke方法是個native方法，對應(yīng)Jni層的代碼為：
art/runtime/native/java_lang_reflect_Method.cc

static jobject Method_invoke(JNIEnv* env, jobject javaMethod, jobject javaReceiver,
                             jobject javaArgs) {
  ScopedFastNativeObjectAccess soa(env);
  return InvokeMethod(soa, javaMethod, javaReceiver, javaArgs);

Method_invoke函數(shù)中又調(diào)用了InvokeMethod函數(shù)：
art/runtime/reflection.cc

jobject InvokeMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa, jobject javaMethod,
                     jobject javaReceiver, jobject javaArgs, size_t num_frames) {

...
  ObjPtr<mirror::Executable> executable = soa.Decode<mirror::Executable>(javaMethod);
  const bool accessible = executable->IsAccessible();
  ArtMethod* m = executable->GetArtMethod();//1
...
}

注釋1處獲取傳入的javaMethod（Key的show方法）在ART虛擬機中對應(yīng)的一個ArtMethod指針，ArtMethod結(jié)構(gòu)體中包含了Java方法的所有信息，包括執(zhí)行入口、訪問權(quán)限、所屬類和代碼執(zhí)行地址等等，ArtMethod結(jié)構(gòu)如下所示。
art/runtime/art_method.h

class ArtMethod FINAL {
...
 protected:
  GcRoot<mirror::Class> declaring_class_;
  std::atomic<std::uint32_t> access_flags_;
  uint32_t dex_code_item_offset_;
  uint32_t dex_method_index_;
  uint16_t method_index_;
  uint16_t hotness_count_;
 struct PtrSizedFields {
    ArtMethod** dex_cache_resolved_methods_;//1
    void* data_;
    void* entry_point_from_quick_compiled_code_;//2
  } ptr_sized_fields_;
}

ArtMethod結(jié)構(gòu)中比較重要的字段是注釋1處的dex_cache_resolved_methods_和注釋2處的entry_point_from_quick_compiled_code_，它們是方法的執(zhí)行入口，當我們調(diào)用某一個方法時（比如Key的show方法），就會取得show方法的執(zhí)行入口，通過執(zhí)行入口就可以跳過去執(zhí)行show方法。
替換ArtMethod結(jié)構(gòu)體中的字段或者替換整個ArtMethod結(jié)構(gòu)體，這就是底層替換方案。
AndFix采用的是替換ArtMethod結(jié)構(gòu)體中的字段，這樣會有兼容問題，因為廠商可能會修改ArtMethod結(jié)構(gòu)體，導致方法替換失敗。Sophix采用的是替換整個ArtMethod結(jié)構(gòu)體，這樣不會存在兼容問題。
底層替換方案直接替換了方法，可以立即生效不需要重啟。采用底層替換方案主要是阿里系為主，包括AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix。

3.3 Instant Run方案

除了資源修復，代碼修復同樣也可以借鑒Instant Run的原理， 可以說Instant Run的出現(xiàn)推動了熱修復框架的發(fā)展。
Instant Run在第一次構(gòu)建apk時，使用ASM在每一個方法中注入了類似如下的代碼：

IncrementalChange localIncrementalChange = $change;//1
        if (localIncrementalChange != null) {//2
            localIncrementalChange.access$dispatch(
                    "onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V", new Object[] { this,
                            paramBundle });
            return;
        }

其中注釋1處是一個成員變量localIncrementalChange ，它的值為$change，$change實現(xiàn)了IncrementalChange這個抽象接口。當我們點擊InstantRun時，如果方法沒有變化則$change為null，就調(diào)用return，不做任何處理。如果方法有變化，就生成替換類，這里我們假設(shè)MainActivity的onCreate方法做了修改，就會生成替換類MainActivity$override，這個類實現(xiàn)了IncrementalChange接口，同時也會生成一個AppPatchesLoaderImpl類，這個類的getPatchedClasses方法會返回被修改的類的列表（里面包含了MainActivity），根據(jù)列表會將MainActivity的$change設(shè)置為MainActivity$override，因此滿足了注釋2的條件，會執(zhí)行MainActivity$override的access$dispatch方法，access$dispatch方法中會根據(jù)參數(shù)"onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V"執(zhí)行MainActivity$override的onCreate方法，從而實現(xiàn)了onCreate方法的修改。
借鑒Instant Run的原理的熱修復框架有Robust和Aceso。