一篇文章搞懂熱修復原理
Java 中的 ClassLoader 可以載入 jar 檔案和 Class檔案（本質是載入 Class 檔案），這一點在 Android 中並不適用，因為無論 DVM 還是 ART 它們載入的不再是 Class 檔案，而是 dex 檔案。
Android 中的 ClassLoader 型別和 Java 中的 ClassLoader 型別類似，也分為兩種型別，分別是 系統 ClassLoader 和 自定義 ClassLoader 。其中 Android 系統 ClassLoader 包括三種分別是 BootClassLoader 、 PathClassLoader 和 DexClassLoader ，而 Java 系統類載入器也包括3種，分別是 Bootstrap ClassLoader 、 Extensions ClassLoader 和 App ClassLoader 。
BootClassLoader
Android 系統啟動時會使用 BootClassLoader 來預載入常用類，與 Java 中的 BootClassLoader 不同，它並是由 C/C++ 程式碼實現，而是由 Java 實現的，1BootClassLoade1 的程式碼如下所示
// libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ClassLoader.java
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;
}
public BootClassLoader() {
super(null);
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
return Class.classForName(name, false, null);
}
...
}
複製程式碼
BootClassLoader 是 ClassLoader 的內部類，並繼承自 ClassLoader 。 BootClassLoader 是一個單例類， 需要注意的是 BootClassLoader 的訪問修飾符是預設的，只有在同一個包中才可以訪問，因此我們在應用程式中是無法直接呼叫的 。
PathClassLoader
Android 系統使用 PathClassLoader 來載入系統類和應用程式的類，如果是載入非系統應用程式類，則會載入 data/app/$packagename 下的 dex 檔案以及包含 dex 的 apk 檔案或 jar 檔案，不管是載入哪種檔案，最終都是要載入 dex 檔案，在這裡為了方便理解，我們將 dex 檔案以及包含 dex 的 apk 檔案或 jar 檔案統稱為 dex 相關檔案。 PathClassLoader 不建議開發直接使用。
// libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/PathClassLoader.java
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);
}
}
複製程式碼
PathClassLoader 繼承自 BaseDexClassLoader ，很明顯 PathClassLoader 的方法實現都在 BaseDexClassLoader 中。
PathClassLoader 的構造方法有三個引數：
- dexPath：dex 檔案以及包含 dex 的 apk 檔案或 jar 檔案的路徑集合，多個路徑用檔案分隔符分隔，預設檔案分隔符為‘：’。
- librarySearchPath：包含 C/C++ 庫的路徑集合，多個路徑用檔案分隔符分隔分割，可以為 null
- parent：ClassLoader 的 parent
DexClassLoader
DexClassLoader 可以載入 dex 檔案以及包含 dex 的 apk 檔案或 jar 檔案，也支援從 SD 卡進行載入，這也就意味著 DexClassLoader 可以在應用未安裝的情況下載入 dex 相關檔案。 因此，它是熱修復和外掛化技術的基礎。
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}
複製程式碼
DexClassLoader 構造方法的引數要比 PathClassLoader 多一個 optimizedDirectory 引數，引數 optimizedDirectory 代表什麼呢？應用程式在第一次被載入的時候，為了提高以後的啟動速度和執行效率，Android 系統會對 dex 相關檔案做一定程度的優化，並生成一個 ODEX 檔案，此後再執行這個應用程式的時候，只要載入優化過的 ODEX 檔案就行了，省去了每次都要優化的時間，而引數 optimizedDirectory 就是代表儲存 ODEX 檔案的路徑，這個路徑必須是一個內部儲存路徑。 PathClassLoader 沒有引數 optimizedDirectory ，這是因為 PathClassLoader 已經默認了引數 optimizedDirectory 的路徑為： /data/dalvik-cache 。 DexClassLoader 也繼承自 BaseDexClassLoader ，方法實現也都在 BaseDexClassLoader 中。
關於以上 ClassLoader 在 Android 系統中的建立過程，這裡牽扯到 Zygote 程序，非本文的重點，故不在此進行討論。
ClassLoader 繼承關係
-
ClassLoader是一個抽象類，其中定義了ClassLoader的主要功能。BootClassLoader是它的內部類。 -
SecureClassLoader類和JDK8中的SecureClassLoader類的程式碼是一樣的，它繼承了抽象類ClassLoader。SecureClassLoader並不是ClassLoader的實現類，而是拓展了ClassLoader類加入了許可權方面的功能，加強了ClassLoader的安全性。 -
URLClassLoader類和JDK8中的URLClassLoader類的程式碼是一樣的，它繼承自SecureClassLoader，用來通過URl路徑從 jar 檔案和資料夾中載入類和資源。 -
BaseDexClassLoader繼承自ClassLoader，是抽象類ClassLoader的具體實現類，PathClassLoader和DexClassLoader都繼承它。
下面看看執行一個 Android 程式需要用到幾種型別的類載入器
class MainActivity : AppCompatActivity() {
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
setContentView(R.layout.activity_main)
var classLoader = this.classLoader
// 列印 ClassLoader 繼承關係
while (classLoader != null) {
Log.d("MainActivity", classLoader.toString())
classLoader = classLoader.parent
}
}
}
複製程式碼
將 MainActivity 的類載入器打印出來，並且列印當前類載入器的父載入器，直到沒有父載入器，則終止迴圈。列印結果如下:
com.zhgqthomas.github.hotfixdemo D/MainActivity: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.zhgqthomas.github.hotfixdemo-2/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.zhgqthomas.github.hotfixdemo-2/lib/arm64, /oem/lib64, /system/lib64, /vendor/lib64]]] com.zhgqthomas.github.hotfixdemo D/MainActivity: java.lang.BootClassLoader@4d7e926 複製程式碼
可以看到有兩種類載入器，一種是 PathClassLoader ，另一種則是 BootClassLoader 。 DexPathList 中包含了很多路徑，其中 /data/app/com.zhgqthomas.github.hotfixdemo-2/base.apk 就是示例應用安裝在手機上的位置。
雙親委託模式
類載入器查詢 Class 所採用的是雙親委託模式，**所謂雙親委託模式就是首先判斷該 Class 是否已經載入，如果沒有則不是自身去查詢而是委託給父載入器進行查詢，這樣依次的進行遞迴，直到委託到最頂層的 BootstrapClassLoader ，如果 BootstrapClassLoader 找到了該 Class，就會直接返回，如果沒找到，則繼續依次向下查詢，如果還沒找到則最後會交由自身去查詢。這是 JDK 中 ClassLoader 的實現邏輯，Android 中的 ClassLoader 在 findBootstrapClassOrNull 方法的邏輯處理上存在差異。
// ClassLoader.java
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) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
// 委託父載入器進行查詢
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.
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
}
}
return c;
}
複製程式碼
上面的程式碼很容易理解，首先會查詢載入類是否已經被載入了，如果是直接返回，否則委託給父載入器進行查詢，直到沒有父載入器則會呼叫 findBootstrapClassOrNull 方法。
下面看一下 findBootstrapClassOrNull 在 JDK 和 Android 中分別是如果實現的
// JDK ClassLoader.java
private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name)
{
if (!checkName(name)) return null;
return findBootstrapClass(name);
}
複製程式碼
JDK 中 findBootstrapClassOrNull 會最終交由 BootstrapClassLoader 去查詢 Class 檔案，上面提到過 BootstrapClassLoader 是由 C++ 實現的，所以 findBootstrapClass 是一個 native 的方法
// JDK ClassLoader.java private native Class<?> findBootstrapClass(String name); 複製程式碼
在 Android 中 findBootstrapClassOrNull 的實現跟 JDK 是有差別的
// Android
private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name)
{
return null;
}
複製程式碼
Android 中因為不需要使用到 BootstrapClassLoader 所以該方法直接返回來 null
正是利用類載入器查詢 Class 採用的雙親委託模式，所以可以利用反射修改類載入器載入 dex 相關檔案的順序，從而達到熱修復的目的
類載入過程
通過上面分析可知
-
PathClassLoader可以載入 Android 系統中的 dex 檔案 -
DexClassLoader可以載入任意目錄的dex/zip/apk/jar檔案，但是要指定optimizedDirectory。
通過程式碼可知這兩個類只是繼承了 BaseDexClassLoader ，具體的實現依舊是由 BaseDexClassLoader 來完成。
BaseDexClassLoader
// libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java
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);
}
/**
* @hide
*/
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent, boolean isTrusted) {
super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);
if (reporter != null) {
reportClassLoaderChain();
}
}
...
public BaseDexClassLoader(ByteBuffer[] dexFiles, ClassLoader parent) {
// TODO We should support giving this a library search path maybe.
super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexFiles);
}
...
}
複製程式碼
通過 BaseDexClassLoader 構造方法可以知道，最重要的是去初始化 pathList 也就是 DexPathList 這個類，該類主要是用於管理 dex 相關檔案
// libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions); // 查詢邏輯交給 DexPathList
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;
}
複製程式碼
BaseDexClassLoader 中最重要的是這個 findClass 方法，這個方法用來載入 dex 檔案中對應的 class 檔案。而最終是交由 DexPathList 類來處理實現 findClass
DexPathList
// libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
final class DexPathList {
...
/** 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 Element[] dexElements;
...
DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
...
this.definingContext = definingContext;
ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
// save dexPath for BaseDexClassLoader
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
...
}
}
複製程式碼
檢視 DexPathList 核心建構函式的程式碼可知， DexPathList 類通過 Element 來儲存 dex 路徑 ，並且通過 makeDexElements 函式來載入 dex 相關檔案，並返回 Element 集合
// libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
private static Element[] makeDexElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
List<IOException> suppressedExceptions, ClassLoader loader, boolean isTrusted) {
Element[] elements = new Element[files.size()];
int elementsPos = 0;
/*
* Open all files and load the (direct or contained) dex files up front.
*/
for (File file : files) {
if (file.isDirectory()) {
// We support directories for looking up resources. Looking up resources in
// directories is useful for running libcore tests.
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else if (file.isFile()) {
String name = file.getName();
DexFile dex = null;
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) { // 判斷是否是 dex 檔案
// 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 { // 如果是 apk, jar, zip 等檔案
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);
}
// 將 dex 檔案或壓縮檔案包裝成 Element 物件，並新增到 Element 集合中
if (dex == null) {
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else {
elements[elementsPos++] = new Element(dex, file);
}
}
if (dex != null && isTrusted) {
dex.setTrusted();
}
} else {
System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
}
}
if (elementsPos != elements.length) {
elements = Arrays.copyOf(elements, elementsPos);
}
return elements;
}
複製程式碼
總體來說， DexPathList 的建構函式是將 dex 相關檔案（可能是 dex、apk、jar、zip , 這些型別在一開始時就定義好了）封裝成一個 Element 物件，最後新增到 Element 集合中
其實，Android 的類載入器不管是 PathClassLoader，還是 DexClassLoader，它們最後只認 dex 檔案，而 loadDexFile 是載入 dex 檔案的核心方法，可以從 jar、apk、zip 中提取出 dex
// libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
for (Element element : dexElements) {
Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
}
複製程式碼
在 DexPathList 的建構函式中已經初始化了 dexElements ，所以這個方法就很好理解了，只是對 Element 陣列進行遍歷，一旦找到類名與 name 相同的類時，就直接返回這個 class，找不到則返回 null
熱修復實現
通過上面的分析可以知道執行一個 Android 程式是使用到 PathClassLoader ，即 BaseDexClassLoader ,而 apk 中的 dex 相關檔案都會儲存在 BaseDexClassLoader 的 pathList 物件的 dexElements 屬性中。
那麼熱修復的原理就是將改好 bug 的 dex 相關檔案放進 dexElements 集合的頭部，這樣遍歷時會首先遍歷修復好的 dex 並找到修復好的類，因為類載入器的雙親委託模式，舊 dex 中的存有 bug 的 class 是沒有機會上場的。這樣就能實現在沒有釋出新版本的情況下，修復現有的 bug class
手動實現熱修復功能
根據上面熱修復的原理，對應的思路可歸納如下
- 建立
BaseDexClassLoader的子類DexClassLoader載入器 - 載入修復好的 class.dex (伺服器下載的修復包)
- 將自有的和系統的
dexElements進行合併，並設定自由的dexElements優先順序 - 通過反射技術，賦值給系統的
pathList