class, classloder, dex 详解

Posted 2020-10-18

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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class, classloder, dex 详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

class与dex文件

什么是class文件

class文件是一种能够被JVM识别，加载并且执行的文件格式。

class文件的作用

class文件的作用是记录一个类文件的所有信息。

例如记住了当前类的引用this、父类super等等。class文件记录的信息往往比java文件多。

class文件的结构

8位字节的二进制流文件
各个数据紧密排列，无间隙，减少了文件体积，加快加载速度
每个类或者接口单独占据一个class文件，每个类单独管理，没有交叉

class文件的弊端

内存占用大，不适合于移动端
堆栈的加载模式导致加载速度慢
文件IO操作多，类查找慢

什么是dex文件

能够被DVM或者Art虚拟机执行并且加载的文件格式。

dex文件的作用

dex文件的作用是记录整个工程（通常是一个android工程）的所有类文件的信息。

dex文件的结构

8位字节的二进制流文件
各个数据紧密排列，无间隙，减少了文件体积，加快加载速度
整个工程的类信息都存放在一个dex文件中（不考虑dex分包的情况下）

class文件与dex文件的比较

本质上都是一样的，都是二进制流文件格式，dex文件是从class文件演变而来的
class文件存在冗余信息，dex文件则去掉了冗余，并且整合了整个工程的类信息。

结构对比图如下：

类加载机制是做热修复以及插件化的很重要的理论基础。

Java中的ClassLoader回顾

如下图所示：

ClassLoader的特性

ClassLoader的主要特性是双亲委托机制，即加载一个类的时候，先判断已经存在的类是否被加载过，如果没有，先去委托父亲去加载。如果父亲都没有加载成功的话，那么最终由自己加载。最终这个类最终没有合适的CLassLoader加载，那么就会抛出异常，相关的ClassLoader源码如下：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
        // 先判断这个类是否已经被加载过
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 如果没有被加载过，那么委托父亲去加载
            long t0 = System.nanoTime();
            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
            }
            // 如果父亲没有加载，那么最终由自己（实现类）负责加载
            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;
}

其中CLassLoader的findClass方法是空实现，需要自己继承然后实现：

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

这种双亲委托机制有两种好处：

实现类加载的共享功能，提升类加载的效率。
实现类加载的隔离功能，提升系统的安全性。比如，通过这种方式，系统的String类只能由系统的ClassLoader加载。

Android中的ClassLoader整体概述

Android中的ClassLoader的整体架构继承关系如下：

其中，ClassLoader分别为：

BootClassLoader：与Java中的Bootstrap ClassLoader类似，主要加载Android Framework中的字节码文件。
PathClassLoader：与Java中的App ClassLoader类似，主要加载已经安装到系统中的APK中的字节码文件。
DexClassLoader：与Java中的Customer ClassLoader类似，主要加载自定义路径下的APK或者JAR中的字节码文件（Android中主要是指dex文件，即classes.dex）。

其中，BaseDexClassLoader是PathClassLoader以及DexClassLoader的父类，PathClassLoader以及DexClassLoader的逻辑都在这个父类中实现。

BootClassLoader和PathClassLoader是一个普通的APP所需要的（定制ROM另外说），最基本的ClassLoader，通过下面的代码可以证明：

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_main);

    ClassLoader cl = this.getClassLoader();
    Log.e(TAG, "onCreate: " + cl);
    while (cl.getParent() != null) {
        cl = cl.getParent();
        Log.e(TAG, "onCreate: " + cl);
    }

}

打印结果只有BootClassLoader和PathClassLoader：

09-06 14:29:01.571 3165-3165/com.nan.loadapkdemo E/MainActivity: onCreate: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/base.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/lib/x86, /system/lib, /vendor/lib]]]
09-06 14:29:01.571 3165-3165/com.nan.loadapkdemo E/MainActivity: onCreate: [email protected]

上面就分析完了classes.dex文件是如何通过ClassLoader的初始化装载进来的，下面继续分析一个类是如何通过PathClassLoader或者DexClassLoader进行加载的，这时候就需要看父类BaseDexClassLoader的findClass方法了：

@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;
}

这里面看到，实际上就是调用了PathList的findClass方法：

public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;

        if (dex != null) {
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
        suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
    }
    return null;
}

这个方法就是遍历初始化创建好的内部Element[]数组里面的DexFile对象，最终是通过DexFile的loadClassBinaryName进行加载的：

public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
    return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
}

defineClass的实现如下：

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;
}

到最后，defineClassNative是一个native方法：

private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, Object cookie, DexFile dexFile)

defineClassNative 是通过C/C++实现，这个方法去dex文件中查找指定name的类，并且拼接成Class字节码，返回给Java层。通过native实现是为了提高效率。

整个加载流程一气呵成，如下图所示：

实现动态加载

如下面所示，演示了最简单的动态加载的方案：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        String apkPath = getExternalCacheDir().getAbsolutePath() + "/bundle.apk";
        loadApk(apkPath);
    }

    private void loadApk(String apkPath) {
        File optFile = getDir("opt", MODE_PRIVATE);
        // 通过DexClassLoader加载制定的APK文件
        DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(apkPath, optFile.getAbsolutePath(), null, getClassLoader());
        try {
            // 通过反射去使用对象
            Class clz = dexClassLoader.loadClass("com.loubinfeng.www.boundle.Printer");
            if (clz != null) {
                Object instance = clz.newInstance();
                Method method = clz.getMethod("print");
                method.invoke(instance);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

实现动态加载的难点

实现动态加载难点比较多：

资源的访问问题
四大组件的生命周期管理问题
插件ClassLoader的管理
so库的动态加载等等

参考文章：

http://www.jianshu.com/p/37cad7a901b1

http://www.jianshu.com/p/2eb518941681

以上是关于class, classloder, dex 详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

class.dex好复杂啊！可以转换成class文件，又可以转换成smali文件，居然还可以转换成

什么是dex文件

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