Android进阶学习|Android热更新详解
一 前言介绍 正好最近又看到热更新，对以前Android 热修复核心原理：ClassLoader类加载机制做了点补充。
从16年开始开始，热修复技术开始在安卓界流行，它以classloader类加载机制为核心，可以不发布新版本就修复线上 bug ，让线上版本有能力去进行全量或者增量更新。
常见的思路有两种：
- 【Android进阶学习|Android热更新详解】类加载方案，即 dex 插桩。该方案以腾讯系为主，包括微信的 Tinker、饿了么的 Amigo；
- 底层替换，即修改替换 ArtMethod。方案以阿里系的 AndFix 等为主；
1.1 ART 和 Dalvik
- Dex ：全称为Dalvik Executable Format，由很多 .class 文件处理压缩后的产物，最终可以在 Android 运行时环境执行。它适合于内存和处理器速度有限的系统。
- Dalvik：Google设计的Android平台的Java虚拟机。支持转换为.dex格式的Java程序运行。DVM默认使用CMS垃圾回收器。
- ART：Android Runtime，于Android 4.4 引入，在 Android 5.0 及更高版本作为默认的 Android 运行时。ART做出的具体改进可看安卓官方文档介绍：运行时：Android Runtime (ART) 和 Dalvik。ART 和 Dalvik 都是运行 Dex 字节码的兼容运行时，因此 ART 向下兼容Dalvik 开发的应用。
- AOT：ART在应用安装的时候预编译字节码到机器语言，这一机制叫Ahead-Of-Time(AOT)预编译。执行该操作后，应用程序安装会变慢，但是执行将更有效率，启动更快。
- dexopt：Dalvik虚拟机加载dex文件时，会对 dex 文件进行验证和优化，得到odex(Optimized dex) 文件。odex文件只是对dex文件使用了一些优化操作码。
- dex2oat：dex或者odex文件经过 AOT 预编译，即得到OAT（实际上是ELF文件）可执行文件（机器码）。（相比做过odex优化，未做过优化的dex转换成OAT要花费更长的时间）
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1.3 ART 和 Dalvik 对比
- 在Dalvik下，应用运行需要解释执行，常用热点代码通过即时编译器（JIT）将字节码转换为机器码，运行效率低。而在ART 环境中，应用在安装时，字节码预编译（AOT）成机器码，安装慢了，但运行效率会提高。
- ART占用空间比Dalvik大（字节码变为机器码）， “空间换时间"。
- 预编译也可以明显改善电池续航，因为应用程序每次运行时不用重复编译了，从而减少了 CPU 的使用频率，降低了能耗。
2.2 类加载工具ClassLoader 任何 Java 程序都是由一个或多个 class 文件组成，在程序运行时，需要通过 Java 的类加载机制将 class 文件加载到 JVM 中才可以使用。Java程序启动时不会一次性加载所有类，而是先把保证运行的基础类加载到jvm，其它类要用时再加载。这样的好处是节省了内存的开销，用时再加载这也是java动态性的一种体现。
这些类的加载就是通过ClassLoader来的，每个 Class 对象的内部都有一个 classLoader 字段来标识自己是由哪个 ClassLoader 加载的。安卓的
ClassLoader小改了java的ClassLoader。class Class {...
private transient ClassLoader classLoader;
...
}
常见的Android类加载器有如下四种：
- BootClassLoader ：加载Android Framework层中的class字节码文件（类似java的BootstrapClassLoader）
- PathClassLoader ：只能加载已经安装到Android系统中的Apk的 class 字节码文件，是Android默认使用的类加载器；（类似java的 AppClassLoader ）
- DexClassLoader ：可以加载加载制定目录的dex/jar/apk/zip文件文件（类似java中的 Custom ClassLoader ），比 PathClassLoader 更灵活，是实现热修复的重点；
- BaseDexClassLoader ： PathClassLoader 和 DexClassLoader 的父类
Log.e(TAG, "Activity.class 由：" + Activity.class.getClassLoader() +" 加载");
Log.e(TAG, "MainActivity.class 由：" + getClassLoader() +" 加载");
//输出：
Activity.class 由：java.lang.BootClassLoader@b1202a1 加载
MainActivity.class 由：dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/lib/x86, /system/lib, /vendor/lib]]] 加载
它们之间的关系如下：
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public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
}
}
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);
}
}
PathClassLoader 与 DexClassLoader 在构造函数中都调用了父类的构造函数，两者唯一的区别在于：
DexClassLoader多传了一个optimizedDirectory参数，并且会将其创建为File对象传给super，而PathClassLoader则直接给到null。因此两者都可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dexPathClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());
File dexOutputDir = context.getCodeCacheDir();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader("/sdcard/xx.dex",dexOutputDir.getAbsolutePath(), null,getClassLoader());
其实optimizedDirectory参数就是dexopt的产出目录(odex)。DexClassLoader不仅仅可以加载 dex文件，还可以加载jar、apk、zip文件中的dex。而jar、apk、zip其实就是一些压缩格式，要拿到压缩包里面的dex文件就需要解压，所以，DexClassLoader在调用父类构造函数时会指定一个解压的目录。那PathClassLoader创建时，这个目录为null，就意味着不进行dexopt？并不是，optimizedDirectory为null时的默认路径为：/data/dalvik-cache。
在API 26源码中，将DexClassLoader的optimizedDirectory标记为了 deprecated 弃用，实现也变得和PathClassLoader一摸一样了：
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
2.3 双亲委托机制 可以看到创建ClassLoader需要接收一个ClassLoader parent参数。这个parent的目的就在于实现类加载的双亲委托。即：某个类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。
protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
// 检查class是否有被加载
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();
try {if (parent != null) {//如果parent不为null，则调用parent的loadClass进行加载
c = parent.loadClass(name, false);
} else {//parent为null，则调用BootClassLoader进行加载
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {}
if (c == null) {// 如果都找不到就自己查找
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
}
}
return c;
}
值得注意的是：
c = findBootstrapClassOrNull(name);
按照方法名理解，应该是当parent为null时候，也能够加载BootClassLoader加载的类。但是实际上，Android当中的实现为：（Java不同）private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
{return null;
}
2.4 类加载器的三个机制（约束）
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双亲委托机制实际上是一种自上而下带缓存的加载，这种机制也决定它的一些特性：
委托：将类加载交由父类加载器加载，父不行再自己加载。
可见性：子类加载器可见所有的父类加载器加载的类，父类加载器不可见子类加载器加载的类。
单一性：一个类仅加载一次，子类加载器不会再次加载父类加载器加载过的类。
2.5 findClass 可以看到在所有父
ClassLoader无法加载Class时，则会调用自己的findClass方法。findClass在ClassLoader中的定义为:protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name);
}
其实任何ClassLoader子类，都可以重写loadClass与findClass。一般如果你不想使用双亲委托，则重写loadClass修改其实现。而重写findClass则表示在双亲委托下，父ClassLoader都找不到Class的情况下，定义自己如何去查找一个Class。而我们的PathClassLoader会自己负责加载MainActivity这样的程序中自己编写的类，利用双亲委托父ClassLoader加载Framework中的Activity。说明PathClassLoader并没有重写loadClass，因此我们可以来看看PathClassLoader中的 findClass 是如何实现的。
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,String
librarySearchPath, ClassLoader parent) { super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath,
optimizedDirectory);
}
@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { List suppressedExceptions = new ArrayList();
//查找指定的class
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;
}
实现非常简单，从pathList中查找class。继续查看DexPathList：
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory) { //.........
// splitDexPath 实现为返回 List.add(dexPath)
// makeDexElements 会去 List.add(dexPath) 中使用DexFile加载dex文件返回 Element数组
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext);
//.........}
public Class findClass(String name, List suppressed) {//从element中获得代表Dex的 DexFile
for (Element element : dexElements) {DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {//查找class
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
if (clazz != null) {return clazz;
}
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
}
可以看到， BaseDexClassLoader 的 findClass() 方法实际上是通过 DexPathList 的 findClass() 方法来获取class的，而这个 DexPathList 对象恰好在之前的 BaseDexClassLoader 构造函数中就已经被创建好了，里面解析了dex文件的路径，并将解析的dex文件都存在this.dexElements里面。DexPathList 类通过构造函数调用了
makeDexElements() 得到 Element 集makeDexElements()： //解析dex文件
private static Element[] makeDexElements(ArrayList files, File optimizedDirectory, ArrayList elements = new ArrayList();
// 2.遍历所有dex文件（也可能是jar、apk或zip文件）
for (File file : files) { ZipFile zip = null;
DexFile dex = null;
String name = file.getName();
...
// 如果是dex文件
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) { dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
// 如果是apk、jar、zip文件（这部分在不同的Android版本中，处理方式有细微差别）
} else { zip = file;
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
}
...
// 3.将dex文件或压缩文件包装成Element对象，并添加到Element集合中
if ((zip != null) || (dex != null)) { elements.add(new Element(file, false, zip, dex));
}
}
// 4.将Element集合转成Element数组返回
return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
} 可以看到，
DexPathList 的构造函数是将一个个的程序文件（可能是dex、apk、jar、zip）封装成一个个 Element 对象，最后添加到Element集合中。Android的类加载器（不管是PathClassLoader，还是DexClassLoader,它们最后在加载文件时，都只认dex文件，而loadDexFile()是加载dex文件的核心方法，他可以可以从jar、apk、zip中提取出dex。回头看一下PathClassLoader中的 findClass 方法：
Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
于是看到
DexPathList的findClass()方法。如下：public Class findClass(String name, List suppressed) {// 遍历从dexPath查询到的dex和资源Element
for (Element element : dexElements) {DexFile dex = element.dexFile;
// 如果当前的Element是dex文件元素
if (dex != null) {// 使用DexFile.loadClassBinaryName加载类
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
if (clazz != null) {return clazz;
}
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
} 对 Element 数组进行遍历，一旦找到类名与name相同的类时，就直接返回这个 class ，找不到则返回null。
通过如上分析，我们发现整个类加载流程就是：
- 类加载器
BaseDexClassLoader先将dex文件解析放到pathList到dexElements里面 - 加载类的时候从
dexElements里面去遍历，看哪个dex里面有这个类就去加载，生成class对象
在
PathClassLoader中的Element数组为：[patch.dex , classes.dex , classes2.dex]。如果存在Key.class位于patch.dex与classes2.dex中都存在一份，当进行类查找时，循环获得dexElements中的DexFile，查找到了Key.class则立即返回，不会再管后续的element中的DexFile是否能加载到Key.class了。因此一种热修复实现可以将出现Bug的class单独的制作一份fix.dex文件(补丁包)，然后在程序启动时，从服务器下载fix.dex保存到某个路径，再通过fix.dex的文件路径，用其创建Element对象，然后将这个Element对象插入到我们程序的类加载器PathClassLoader的pathList中的dexElements数组头部。这样在加载出现Bug的class时会优先加载fix.dex中的修复类，从而解决Bug。热修复的方式不止这一种，并且如果要完整实现此种热修复可能还需要注意一些其他的问题(如：反射兼容)。另外插件的形式常见的有apk
和dex文件。dex打包工具（d8） 更新的dex文件如何生成呢？
Android SDK提供了dex打包工具d8，在在Android 构建工具 28.0.1 及更高版本中可以找到：
文章图片
对正常的java文件，直接javac成class文件后，可直接用d8编译成dex文件：
./d8 XXX.class
如果你想更新的文件是apk格式的，可直接在Android Studio中对更新的Module/Lib直接打包成apk。
代码实现 dex替换：
//在Application中进行替换
public class MApplication extends Application {@Override
public void onCreate() {super.onCreate();
//dex作为插件进行加载
dexPlugin();
}
.../**
* dex作为插件加载
*/
private void dexPlugin(){//插件包文件
File file = new File("/sdcard/hotfix.dex");
if (!file.exists()) {Log.i("MApplication", "插件hotfix不存在");
return;
}
try {//获取到 BaseDexClassLoader 的pathList字段
// private final DexPathList pathList;
Field pathListField = BaseDexClassLoader.class.getDeclaredField("pathList");
//破坏封装，设置为可以调用
pathListField.setAccessible(true);
//拿到当前ClassLoader的pathList对象
Object pathListObj = pathListField.get(getClassLoader());
//获取当前ClassLoader的pathList对象的字节码文件（DexPathList ）
Class dexPathListClass = pathListObj.getClass();
//拿到DexPathList 的 dexElements字段
// private final Element[] dexElements；
Field dexElementsField = dexPathListClass.getDeclaredField("dexElements");
//破坏封装，设置为可以调用
dexElementsField.setAccessible(true);
//使用插件创建 ClassLoader
DexClassLoader pathClassLoader = new DexClassLoader(file.getPath(), getCacheDir().getAbsolutePath(), null, getClassLoader());
//拿到插件的DexClassLoader 的 pathList对象
Object newPathListObj = pathListField.get(pathClassLoader);
//拿到插件的pathList对象的 dexElements变量
Object newDexElementsObj = dexElementsField.get(newPathListObj);
//拿到当前的pathList对象的 dexElements变量
Object dexElementsObj=dexElementsField.get(pathListObj);
int oldLength = Array.getLength(dexElementsObj);
int newLength = Array.getLength(newDexElementsObj);
//创建一个dexElements对象
Object concatDexElementsObject = Array.newInstance(dexElementsObj.getClass().getComponentType(), oldLength + newLength);
//先添加新的dex添加到dexElement
for (int i = 0;
i < newLength;
i++) {Array.set(concatDexElementsObject, i, Array.get(newDexElementsObj, i));
}
//再添加之前的dex添加到dexElement
for (int i = 0;
i < oldLength;
i++) {Array.set(concatDexElementsObject, newLength + i, Array.get(dexElementsObj, i));
}
//将组建出来的对象设置给 当前ClassLoader的pathList对象
dexElementsField.set(pathListObj, concatDexElementsObject);
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
}
}apk：
// apk作为插件加载
private void apkPlugin() {//插件包文件
File file = new File("/sdcard/hotfix.apk");
if (!file.exists()) {Log.i("MApplication", "插件hotfix不存在");
return;
}
try {//获取到 BaseDexClassLoader 的pathList字段
// private final DexPathList pathList;
Field pathListField = BaseDexClassLoader.class.getDeclaredField("pathList");
//破坏封装，设置为可以调用
pathListField.setAccessible(true);
//拿到当前ClassLoader的pathList对象
Object pathListObj = pathListField.get(getClassLoader());
//获取当前ClassLoader的pathList对象的字节码文件（DexPathList ）
Class dexPathListClass = pathListObj.getClass();
//拿到DexPathList 的 dexElements字段
// private final Element[] dexElements；
Field dexElementsField = dexPathListClass.getDeclaredField("dexElements");
//破坏封装，设置为可以调用
dexElementsField.setAccessible(true);
//使用插件创建 ClassLoader
DexClassLoader pathClassLoader = new DexClassLoader(file.getPath(), getCacheDir().getAbsolutePath(), null, getClassLoader());
//拿到插件的DexClassLoader 的 pathList对象
Object newPathListObj = pathListField.get(pathClassLoader);
//拿到插件的pathList对象的 dexElements变量
Object newDexElementsObj = dexElementsField.get(newPathListObj);
//将插件的 dexElements对象设置给 当前ClassLoader的pathList对象
dexElementsField.set(pathListObj, newDexElementsObj);
} catch (Exception e) {e.printStackTrace();
}
}一些扩展
- 选择apk文件的方式一般就不对dexElements数组就行插前值操作了，而是直接替换整个dexElements数组。但是现实中，热更新可能只是更新某几个类或者资源文件，如果使用apk全量替换的方式，就很重，那么增量替换，即使用dex文件的方式，就是很好的方式；
- 更新的文件一般放服务器上需要客户端下载插前值；
- so库在Android代码中是通过调用System.loadLibrary函数实现的。动态注册的native方法调用一次JNI_OnLoad方法都会重新完成一次映射， 所以我们是否只要先加载原来的so库,，然后再加载补丁so库，就能完成Java层native方法到native层patch后的新方法映射， 这样就完成动态注册native方法的patch实时修复。
- 、资源文件的更新方式：加载apk，反射调用AssetManager的addAssetPath方法。
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