Android ClassLoader原始碼解析
提起熱修復以及外掛化，相信大家肯定不陌生，而無論是熱修復還是外掛化，其理論依據就是Android 類載入機制。今天我們從原始碼的角度一起學習下。
簡單來講，Android中的ClassLoader主要分為BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader這三種類型。BootClassLoader：主要負責載入Android FrameWork層中的位元組碼檔案； PathClassLoader：負責載入已經安裝到系統APK檔案中的位元組碼檔案；DexClassLoader：負責載入指定目錄中的位元組碼檔案；我們先來看下其原始碼實現：
#BootClassLoader
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);
}
...
}
由上述程式碼可以看出，BootClassLoader 繼承自ClassLoader抽象類，實現方式為單例模式，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，所以我們在應用程式中是無法直接呼叫到的。
#PathClassLoader
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
super((String)null, (File)null, (String)null, (ClassLoader)null);
}
public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super((String)null, (File)null, (String)null, (ClassLoader)null);
}
}
PathClassLoader繼承自BaseDexClassLoader ，由上述程式碼，很顯然，PathClassLoader中的方法實現都在其父類BaseDexClassLoader 中，在這裡我們分析下PathClassLoader構造方法中各個引數的含義：
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：所使用到的C/C++庫存放的路徑
parent：該ClassLoader所對應的父ClassLoader
#DexClassLoader
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super((String)null, (File)null, (String)null, (ClassLoader)null);
}
}
同樣，DexClassLoader 也是繼承自BaseDexClassLoader ，相比較PathClassLoader而言，DexClassLoader的構造方法中多了一個引數optimizedDirectory，我們看下這個引數的含義：
optimizedDirectory：Android系統將dex檔案進行優化後所生成的ODEX檔案的存放路徑，該路徑必須是一個內部儲存路徑。PathClassLoader中使用預設路徑“/data/dalvik-cache”，而DexClassLoader則需要我們指定ODEX優化檔案的存放路徑。
和Java中的ClassLoader類似，Android中的ClassLoader同樣遵循雙親委託機制。上述三種ClassLoader中，PathClassLoader的parent為BootClassLoader，DexClassLoader的parent同樣為BootClassLoader，下面我們來驗證下：
public class MainActivity extends Activity { @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) { super.onCreate(savedInstanceState); setContentView(R.layout.activity_main); ClassLoader classLoader = getClassLoader(); if (classLoader != null){ Log.e("MainActivity", classLoader.toString()); while (classLoader.getParent() != null){ classLoader = classLoader.getParent(); Log.e("MainActivity", classLoader.toString()); } } Log.e("MainActivity", "------------------"); TextView mText = findViewById(R.id.tv_text); Log.e("MainActivity-TextView", mText.getClass().getClassLoader().toString()); } }
輸出日誌為：
11-24 22:34:44.205 20274-20274/com.example.administrator.mdtest E/MainActivity: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/base.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.administrator.mdtest-2/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]] 11-24 22:34:44.205 20274-20274/com.example.administrator.mdtest E/MainActivity: java.lang.BootClassLoader@245c18f6 11-24 22:34:44.205 20274-20274/com.example.administrator.mdtest E/MainActivity: ------------------ 11-24 22:34:44.205 20274-20274/com.example.administrator.mdtest E/MainActivity-TextView: java.lang.BootClassLoader@245c18f6
由上述輸出日誌，我們不僅可以驗證，PathClassLoader的parent為BootClassLoader，同時還驗證了我們文章開始所說的應用程式的ClassLoader為PathClassLoader，FrameWork層的ClassLoader為BootClassLoader。
照例我們開啟原始碼，看下BootClassLoader是在哪裡作為parent參與構建PathClassLoader物件的：
#ClassLoader
private static ClassLoader createSystemClassLoader() {
String classPath = System.getProperty("java.class.path", ".");
String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", "");
// TODO Make this a java.net.URLClassLoader once we have those?
return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());
}
沒錯，正是在ClassLoader類中的createSystemClassLoader方法中。
好了，我們既然知道Android的ClassLoader遵循雙親委託機制，那麼肯定要看下ClassLoader類中的loadClass方法了：
#ClassLoader
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;
}
關於雙親委託機制，相信大家都瞭解，在這裡我就不詳細介紹了，需要注意的是，在Java中，類載入是通過defineClass方法，而在Android中，類載入則是通過findClass方法，我們跟進去findClass方法看下類載入的過程（由於BaseDexClassLoader對findClass方法進行了重寫，所以我們需要跟進到BaseDexClassLoader類中，而Android Studio中無法檢視到BaseDexClassLoader的具體原始碼，所以筆者在這裡通過原始碼線上檢視網站：ofollow,noindex">https://www.androidos.net.cn/sourcecode ）：
#BaseDexClassLoader
@Override
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;
}
可以看到，在BaseDexClassLoader的findClass方法中直接呼叫到pathList的findClass方法進行類載入操作，pathList是個什麼東東呢？我們看下它的定義：
private final DexPathList pathList;
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null);
if (reporter != null) {
reporter.report(this.pathList.getDexPaths());
}
}
由上述程式碼可以看到，pathList被定義為final型別，其物件是在BaseDexClassLoader的構造方法中建立的，也就是說在PathClassLoader物件建立的時候就建立了DexPathList物件，並將相應引數傳入。我們跟進去看下DexPathList的構造方法：
//定義所要載入檔案字尾
private static final String DEX_SUFFIX = ".dex";
//構造方法中傳入的ClassLoader
private final ClassLoader definingContext;
//Element為 DexPathList 中的內部類，其主要的成員變數為 dexFile
//DexFile：dex檔案在安卓虛擬機器中的具體實現
private Element[] dexElements;
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory) {
異常判斷操作...
//接收classloader物件
this.definingContext = definingContext;
ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
// save dexPath for BaseDexClassLoader
//重點，通過 makeDexElements 方法初始化 dexElements陣列
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext);
...
}
我們跟進去看下makeDexElements方法的實現：
private static Element[] makeDexElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
List<IOException> suppressedExceptions, ClassLoader loader) {
Element[] elements = new Element[files.size()];
int elementsPos = 0;
/*
* 遍歷所有的dex檔案
*/
for (File file : files) {
if (file.isDirectory()) {//判斷file是否為資料夾
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else if (file.isFile()) {//判斷file是否為檔案
//獲取檔名稱
String name = file.getName();
//判斷檔名稱是否以“.dex”結尾
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
// Raw dex file (not inside a zip/jar).
try {
//將dex檔案轉換為DexFile物件
DexFile dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
if (dex != null) {
//建立Element物件，將DexFile物件作為引數傳入，
//並將該Element物件新增到elements陣列中
elements[elementsPos++] = new Element(dex, null);
}
} catch (IOException suppressed) {
System.logE("Unable to load dex file: " + file, suppressed);
suppressedExceptions.add(suppressed);
}
} else {
DexFile dex = null;
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);
}
if (dex == null) {
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else {
elements[elementsPos++] = new Element(dex, file);
}
}
} else {
System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
}
}
if (elementsPos != elements.length) {
elements = Arrays.copyOf(elements, elementsPos);
}
return elements;
}
由上述程式碼，我們可以知道makeDexElements方法的主要作用為：遍歷指定路徑下的所有檔案，將其中的.dex檔案轉換成DexFile物件，最終儲存到elements陣列中。
由上述分析，我們知道類載入操作最終是由pathList的findClass方法來實現的，我們繼續跟進去pathList的findClass方法看下：
#DexPathList
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;
}
可以看到， DexPathList 的 findClass方法中簡單粗暴，對dexElements陣列進行遍歷，呼叫element的findClass方法來尋找當前需要的class位元組碼，簡單來講就是Android在進行類載入的時候，會遍歷我們的每一個dex檔案，來尋找所需的Class。
我們接著跟進去element的findClass方法去看下：
#Element
public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,
List<Throwable> suppressed) {
return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
: null;
}
可以看到，最終是呼叫到 DexFile 的loadClassBinaryName方法，我們接著跟：
#DexFile
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
}
...
private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed) {
Class result = null;
try {
result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);
} catch (NoClassDefFoundError e) {
if (suppressed != null) {
suppressed.add(e);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
if (suppressed != null) {
suppressed.add(e);
}
}
return result;
}
...
private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
DexFile dexFile)
可以看到最終是通過DexFile類中的defineClassNative方法來完成所需Class的查詢。
好了，Android ClassLoader原始碼解析到這裡就結束了，歡迎大家一起交流。