Android热修复学习之旅——HotFix完全解析

Posted 2020-09-05 伯努力不努力

在上一篇博客 Android热修复学习之旅开篇——热修复概述中，简单介绍了各个热修复框架的原理，本篇博客我将详细分析QQ空间热修复方案。

Android dex分包原理介绍

QQ空间热修复方案基于android dex分包基础之上，简单概述android dex分包的原理就是：就是把多个dex文件塞入到app的classloader之中，但是android dex拆包方案中的类是没有重复的，如果classes.dex和classes1.dex中有重复的类，当classes.dex和classes1.dex中都具有同一个类的时候，那么classloader会选择加载哪个类呢？这要从classloader的源码入手，加载类是通过classloader的loadClass方法实现的，所以我们看一下loadClass的源码：

/**
 * Loads the class with the specified name. Invoking this method is
 * equivalent to calling {@code loadClass(className, false)}.
 * <p>
 * <strong>Note:</strong> In the Android reference implementation, the
 * second parameter of {@link #loadClass(String, boolean)} is ignored
 * anyway.
 * </p>
 *
 * @return the {@code Class} object.
 * @param className
 *            the name of the class to look for.
 * @throws ClassNotFoundException
 *             if the class can not be found.
 */
public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(className, false);
}

protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    Class<?> clazz = findLoadedClass(className);

    if (clazz == null) {
        ClassNotFoundException suppressed = null;
        try {
            clazz = parent.loadClass(className, false);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            suppressed = e;
        }

        if (clazz == null) {
            try {
                clazz = findClass(className);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.addSuppressed(suppressed);
                throw e;
            }
        }
    }

    return clazz;
}

classloader是基于 双亲代理模型的，具体关于classloader的详细解析，可以查看我的这篇文章：Android插件化学习之路（二）之ClassLoader完全解析

简单来说就是ClassLoader用loadClass方法调用了findClass方法，点进去发现findClass是抽象方法，而这个方法的实现是在它的子类BaseDexClassLoader中，而BaseDexClassLoader重载了这个方法，得到BaseDexClassLoader，进入到BaseDexClassLoader类的findClass方法中

#BaseDexClassLoader
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    Class clazz = pathList.findClass(name);

    if (clazz == null) {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    return clazz;
}

#DexPathList
public Class findClass(String name) {
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;

        if (dex != null) {
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }

    return null;
}

#DexFile
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader) {
    return defineClass(name, loader, mCookie);
}
private native static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, int cookie);

一个ClassLoader可以包含多个dex文件，每个dex文件是一个Element，多个dex文件排列成一个有序的数组dexElements，当找类的时候，会按顺序遍历dex文件，然后从当前遍历的dex文件中找类，如果找类则返回，如果找不到从下一个dex文件继续查找。
理论上，如果在不同的dex中有相同的类存在，那么会优先选择排在前面的dex文件的类

所以，QQ空间正是基于ClassLoader的这个原理，把有问题的类打包到一个dex（patch.dex）中去，然后把这个dex插入到Elements的最前面

关于如何进行dex分包后面再单独开一篇博客进行分析。

CLASS_ISPREVERIFIED的问题

采用dex分包方案会遇到的问题，也就是CLASS_ISPREVERIFIED的问题，简单来概括就是：
在虚拟机启动的时候，当verify选项被打开的时候，如果static方法、private方法、构造函数等，其中的直接引用（第一层关系）到的类都在同一个dex文件中，那么该类就会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标志。
那么，我们要做的就是，阻止该类打上CLASS_ISPREVERIFIED的标志。
注意下，是阻止引用者的类，也就是说，假设你的app里面有个类叫做AClass，再其内部引用了BClass。发布过程中发现BClass有编写错误，那么想要发布一个新的BClass类，那么你就要阻止AClass这个类打上CLASS_ISPREVERIFIED的标志。
也就是说，你在生成apk之前，就需要阻止相关类打上CLASS_ISPREVERIFIED的标志了。如何阻止，简单来说，让AClass在构造方法中，去引用别的dex文件，比如：C.dex中的某个类即可。
所以总结下来，防止这个错误，只需要：
1、动态改变BaseDexClassLoader对象间接引用的dexElements；2、在app打包的时候，阻止相关类去打上CLASS_ISPREVERIFIED标志。

热修复框架HotFix解析

采用QQ空间的热修复方案而实现的开源热修复框架就是HotFix,说到了使用dex分包方案会遇到CLASS_ISPREVERIFIED问题，而解决方案就是在dx工具执行之前，将所有的class文件，进行修改，再其构造中添加System.out.println(dodola.hackdex.AntilazyLoad.class)，然后继续打包的流程。注意：AntilazyLoad.class这个类是独立在hack.dex中。

dex分包方案实现需要关注以下问题：
1.如何解决CLASS_ISPREVERIFIED问题
2.如何将修复的.dex文件插入到dexElements的最前面

那么如何达到这个目的呢？在HotFix中采用的javassist来达到这个目的，以下是HotFix中的PatchClass.groovy代码

public class PatchClass {
    /**
     * 植入代码
     * @param buildDir 是项目的build class目录,就是我们需要注入的class所在地
     * @param lib 这个是hackdex的目录,就是AntilazyLoad类的class文件所在地
     */
    public static void process(String buildDir, String lib) {

        println(lib)
        ClassPool classes = ClassPool.getDefault()
        classes.appendClassPath(buildDir)
        classes.appendClassPath(lib)

        //下面的操作比较容易理解,在将需要关联的类的构造方法中插入引用代码
        CtClass c = classes.getCtClass("dodola.hotfix.BugClass")
        if (c.isFrozen()) {
            c.defrost()
        }
        println("====添加构造方法====")
        def constructor = c.getConstructors()[0];
        constructor.insertBefore("System.out.println(dodola.hackdex.AntilazyLoad.class);")
        c.writeFile(buildDir)



        CtClass c1 = classes.getCtClass("dodola.hotfix.LoadBugClass")
        if (c1.isFrozen()) {
            c1.defrost()
        }
        println("====添加构造方法====")
        def constructor1 = c1.getConstructors()[0];
        constructor1.insertBefore("System.out.println(dodola.hackdex.AntilazyLoad.class);")
        c1.writeFile(buildDir)


    }

    static void growl(String title, String message) {
        def proc = ["osascript", "-e", "display notification \\"${message}\\" with title \\"${title}\\""].execute()
        if (proc.waitFor() != 0) {
            println "[WARNING] ${proc.err.text.trim()}"
        }
    }
}

其实内部做的逻辑就是：通过ClassPool对象，然后添加classpath。然后从classpath中找到LoadBugClass，拿到其构造方法，在其中插入一行代码。

到这里插入代码的操作已经完成，但是还存在另外一个问题，那就是如何在dx之前去进行上述脚本的操作？

答案就在HotFix的app/build.gradle中

apply plugin: 'com.android.application'

task('processWithJavassist') << {
    String classPath = file('build/intermediates/classes/debug')//项目编译class所在目录
    dodola.patch.PatchClass.process(classPath, project(':hackdex').buildDir
            .absolutePath + '/intermediates/classes/debug')//第二个参数是hackdex的class所在目录

}
buildTypes {
    debug {
        minifyEnabled false
        proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android.txt'), 'proguard-rules.pro'
    }
    release {
        minifyEnabled false
        proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android.txt'), 'proguard-rules.pro'
    }
}
applicationVariants.all { variant ->
    variant.dex.dependsOn << processWithJavassist //在执行dx命令之前将代码打入到class中
}

可以看到在build.gradle中，在执行dx之前，会先执行processWithJavassist这个任务。这样会执行PatchClass.groovy的脚本，在构造方法中进行注入

将修复的.dex文件插入dexElements
寻找class是遍历dexElements；然后我们的AntilazyLoad.class实际上并不包含在apk的classes.dex中，并且根据上面描述的需要，我们需要将AntilazyLoad.class这个类打成独立的hack_dex.jar，注意不是普通的jar，必须经过dx工具进行转化。

具体做法:

    jar cvf hack.jar dodola/hackdex/*
    dx  --dex --output hack_dex.jar hack.jar 

还记得之前我们将所有的类的构造方法中都引用了AntilazyLoad.class，所以我们需要把hack_dex.jar插入到dexElements，而在hotfix中，就是在Application中完成这个操作的

ublic class HotfixApplication extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        File dexPath = new File(getDir("dex", Context.MODE_PRIVATE), "hackdex_dex.jar");
        Utils.prepareDex(this.getApplicationContext(), dexPath, "hackdex_dex.jar");
        HotFix.patch(this, dexPath.getAbsolutePath(), "dodola.hackdex.AntilazyLoad");
        try {
            this.getClassLoader().loadClass("dodola.hackdex.AntilazyLoad");
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

在app的私有目录创建一个文件，然后调用Utils.prepareDex将assets中的hackdex_dex.jar写入该文件。 Utils.prepareDex中其实就是文件的读写操作，注意：前提是你把hackdex_dex.jar放入到assets中

public class Utils {
    private static final int BUF_SIZE = 2048;

    public static boolean prepareDex(Context context, File dexInternalStoragePath, String dex_file) {
        BufferedInputStream bis = null;
        OutputStream dexWriter = null;

        try {
            bis = new BufferedInputStream(context.getAssets().open(dex_file));
            dexWriter = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(dexInternalStoragePath));
            byte[] buf = new byte[BUF_SIZE];
            int len;
            while ((len = bis.read(buf, 0, BUF_SIZE)) > 0) {
                dexWriter.write(buf, 0, len);
            }
            dexWriter.close();
            bis.close();
            return true;
        } catch (IOException e) {
            if (dexWriter != null) {
                try {
                    dexWriter.close();
                } catch (IOException ioe) {
                    ioe.printStackTrace();
                }
            }
            if (bis != null) {
                try {
                    bis.close();
                } catch (IOException ioe) {
                    ioe.printStackTrace();
                }
            }
            return false;
        }
    }
}

接下来HotFix.patch就是去反射去修改dexElements了

public static void patch(Context context, String patchDexFile, String patchClassName) {
    if (patchDexFile != null && new File(patchDexFile).exists()) {
        try {
            if (hasLexClassLoader()) {
                injectInAliyunOs(context, patchDexFile, patchClassName);
            } else if (hasDexClassLoader()) {
                injectAboveEqualApiLevel14(context, patchDexFile, patchClassName);
            } else {

                injectBelowApiLevel14(context, patchDexFile, patchClassName);

            }
        } catch (Throwable th) {
        }
    }
}

可以看到patch方法中有几个分支，说白了是根据不同的系统中ClassLoader的类型来做相应的处理

private static void injectInAliyunOs(Context context, String patchDexFile, String patchClassName)
    throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException,
    InstantiationException, NoSuchFieldException {
    PathClassLoader obj = (PathClassLoader) context.getClassLoader();
    String replaceAll = new File(patchDexFile).getName().replaceAll("\\\\.[a-zA-Z0-9]+", ".lex");
    Class cls = Class.forName("dalvik.system.LexClassLoader");
    Object newInstance =
        cls.getConstructor(new Class[] {String.class, String.class, String.class, ClassLoader.class}).newInstance(
            new Object[] {context.getDir("dex", 0).getAbsolutePath() + File.separator + replaceAll,
                context.getDir("dex", 0).getAbsolutePath(), patchDexFile, obj});
    cls.getMethod("loadClass", new Class[] {String.class}).invoke(newInstance, new Object[] {patchClassName});
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mPaths",
        appendArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mPaths"), getField(newInstance, cls, "mRawDexPath")));
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mFiles",
        combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mFiles"), getField(newInstance, cls, "mFiles")));
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mZips",
        combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mZips"), getField(newInstance, cls, "mZips")));
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mLexs",
        combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mLexs"), getField(newInstance, cls, "mDexs")));
}

上述方法中的LexClassLoader应该是阿里自己的ClassLoader，可以看到上面将修复的文件的结尾都换成了.lex的结尾，这些文件就是专门需要通过LexClassLoader进行加载的

我们分 API 14以上和以下进行分析
API 14以下

private static void injectBelowApiLevel14(Context context, String str, String str2)
    throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    PathClassLoader obj = (PathClassLoader) context.getClassLoader();
    DexClassLoader dexClassLoader =
        new DexClassLoader(str, context.getDir("dex", 0).getAbsolutePath(), str, context.getClassLoader());
    dexClassLoader.loadClass(str2);
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mPaths",
        appendArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mPaths"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
                "mRawDexPath")
        ));
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mFiles",
        combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mFiles"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
                "mFiles")
        ));
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mZips",
        combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mZips"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
            "mZips")));
    setField(obj, PathClassLoader.class, "mDexs",
        combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mDexs"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
            "mDexs")));
    obj.loadClass(str2);
}

通过setField方法将mPaths属性，修改为通过appendArray方法创造的新元素

private static Object getField(Object obj, Class cls, String str)
    throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Field declaredField = cls.getDeclaredField(str);
    declaredField.setAccessible(true);
    return declaredField.get(obj);
}

private static Object appendArray(Object obj, Object obj2) {
    Class componentType = obj.getClass().getComponentType();
    int length = Array.getLength(obj);
    Object newInstance = Array.newInstance(componentType, length + 1);
    Array.set(newInstance, 0, obj2);
    for (int i = 1; i < length + 1; i++) {
        Array.set(newInstance, i, Array.get(obj, i - 1));
    }
    return newInstance;
}

而appendArray中就是创建一个新的Array，把obj2插入到obj的前面，注意这里的obj2长度只有1

所以，在injectBelowApiLevel14的以下方法中，就是把mRawDexPath的元素插入到mPaths中所有元素之前，而重新组合而成的新mPaths替换掉旧的mPaths

setField(obj, PathClassLoader.class, "mPaths",
    appendArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mPaths"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
            "mRawDexPath")
    ));

接下来的替换，是通过combineArray生成的新元素替换掉旧元素，这里分别是mFiles，mZips，mDexs

setField(obj, PathClassLoader.class, "mFiles",
    combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mFiles"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
            "mFiles")
    ));
setField(obj, PathClassLoader.class, "mZips",
    combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mZips"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
        "mZips")));
setField(obj, PathClassLoader.class, "mDexs",
    combineArray(getField(obj, PathClassLoader.class, "mDexs"), getField(dexClassLoader, DexClassLoader.class,
        "mDexs")));

于是我们需要看一下combineArray方法里面做了什么

private static Object combineArray(Object obj, Object obj2) {
    Class componentType = obj2.getClass().getComponentType();
    int length = Array.getLength(obj2);
    int length2 = Array.getLength(obj) + length;
    Object newInstance = Array.newInstance(componentType, length2);
    for (int i = 0; i < length2; i++) {
        if (i < length) {
            Array.set(newInstance, i, Array.get(obj2, i));
        } else {
            Array.set(newInstance, i, Array.get(obj, i - length));
        }
    }
    return newInstance;
}

逻辑也很简单，也就是两个数组的合并而已

API14以上

private static void injectAboveEqualApiLevel14(Context context, String str, String str2)
    throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    PathClassLoader pathClassLoader = (PathClassLoader) context.getClassLoader();
    Object a = combineArray(getDexElements(getPathList(pathClassLoader)),
        getDexElements(getPathList(
            new DexClassLoader(str, context.getDir("dex", 0).getAbsolutePath(), str, context.getClassLoader()))));
    Object a2 = getPathList(pathClassLoader);
    setField(a2, a2.getClass(), "dexElements", a);
    pathClassLoader.loadClass(str2);
}

根据context拿到PathClassLoader，然后通过getPathList(pathClassLoader)，拿到PathClassLoader中的pathList对象，在调用getDexElements通过pathList取到dexElements对象。

private static Object getDexElements(Object obj) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    return getField(obj, obj.getClass(), "dexElements");
}

private static Object getPathList(Object obj) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException,
    IllegalAccessException {
    return getField(obj, Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader"), "pathList");
}

同样是通过combineArray方法，对数组进行合并，合并完成后，将新的数组通过反射的方式设置给pathList.

通过上面的一系列流程，那么hack_dex.jar已经插入到dexElements最前面了，补丁插入的过程也和hack_dex.jar的插入流程是一致的

到这里，dex分包方案实现热修复的HotFix的分析就已经完毕了。

参考文献：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MTA1MzM2Nw==&mid=400118620&idx=1&sn=b4fdd5055731290eef12ad0d17f39d4a&scene=1&srcid=1106Imu9ZgwybID13e7y2nEi#wechat_redirect