Android热更新详解

Posted 2021-10-11 许进进

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Android热更新详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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：

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；

本文主要介绍第一种方案。

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。

1.2 dexopt与dexaot

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）

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。

二 ClassLoader

2.1 Android运行流程

Android程序编译的时候，会将.java文件编译时.class文件，然后将.class文件打包为.dex文件。Android程序运行时，Android的Dalvik/ART虚拟机就会加载.dex文件从中获得.class文件到内存中来使用。

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<T> {
  ...
  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：

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.dex

PathClassLoader 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）

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<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
    //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<File>.add(dexPath)
    // makeDexElements 会去 List<File>.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<Throwable> 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<File> files, File optimizedDirectory, ArrayList<I
 // 1.创建Element集合
 ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>();
 // 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<Throwable> 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

三热修复

接刚刚个类加载流程，热修复原理就是将补丁 dex 文件放到 dexElements 数组靠前位置，这样在加载 class 时，优先找到补丁包中的 dex 文件，加载到 class 之后就不再寻找，从而原来的 apk 文件中同名的类就不会再使用，从而达到修复的目的：

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：

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.以上是关于Android热更新详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
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