反射与类加载之ClassLoader与类加载器

Posted 2021-03-24 android-alvin

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本篇文章将从以下几个内容来阐述反射与类加载:

• [动态代理模式]
• [Android 中的Dalvik和ART]
• [ PathClassLoader 和 DexClassLoader]
• [双亲委派机制]

一、动态代理模式

动态代理

所谓静态和动态指的是，接口方法的调用方式．静态代理，是真实对象显式地方法调用，而动态代理则是通过反射的方式调用真实对象的方法．

public class DynamicProxy implements InvocationHandler {
    // 这个就是我们要代理的真实对象
    private Object subject;
 
    // 构造方法，给我们要代理的真实对象赋初值
    public DynamicProxy(Object subject) {
        this.subject = subject;
    }
 
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        return method.invoke(subject, args);
    }
}
 
public class ProxyClient {
    public static void main(String[] args) {
        Subject realSubject = new RealSubject();
 
        InvocationHandler handler = new design.pattern.structure.proxy.demo.DynamicProxy(realSubject);
        Subject subject = (Subject) Proxy.newProxyInstance(handler.getClass().getClassLoader(), realSubject.getClass().getInterfaces(), handler);
        subject.operate1();
        subject.operate2("hello proxy");
    }
}

三大角色：接口类，真实对象，InvocationHandler的实现类

通过Java的Proxy.newProxyInstance的方法调用，给Subject生成了一个实例对象；接口方法的调用，会传递给handler中，handler通过invoke的执行，间接地调用了真实对象的方法．

二、Android 中的Dalvik和ART

2.1 什么是Dalvik？

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的虚拟机。
Dalvik虚拟机是Google等厂商合作开发的Android移动设备平台的核心组成部分之一。
它可以支持已转换为** .dex格式**的Java应用程序的运行，.dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。
Dalvik 经过优化，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。
很长时间以来，Dalvik虚拟机一直被用户指责为拖慢安卓系统运行速度不如ios的根源。
2014年6月25日，Android L 正式亮相于召开的谷歌I/O大会，Android L 改动幅度较大，谷歌将直接删除Dalvik，代替它的是传闻已久的ART。

2.2 Dalvik和JVM有啥关系？

主要区别：
Dalvik是基于寄存器的，而JVM是基于栈的。
Dalvik运行dex文件，而JVM运行java字节码
自Android 2.2开始，Dalvik支持JIT（just-in-time，即时编译技术）。
优化后的Dalvik较其他标准虚拟机存在一些不同特性:　
1.占用更少空间　
2.为简化翻译，常量池只使用32位索引　　
3.标准Java字节码实行8位堆栈指令,Dalvik使用16位指令集直接作用于局部变量。局部变量通常来自4位的“虚拟寄存器”区。这样减少了Dalvik的指令计数，提高了翻译速度。　
　当Android启动时，Dalvik VM 监视所有的程序（APK），并且创建依存关系树，为每个程序优化代码并存储在Dalvik缓存中。Dalvik第一次加载后会生成Cache文件，以提供下次快速加载，所以第一次会很慢。
　Dalvik解释器采用预先算好的Goto地址，每个指令对内存的访问都在64字节边界上对齐。这样可以节省一个指令后进行查表的时间。为了强化功能, Dalvik还提供了快速翻译器（Fast Interpreter）。

一般来说,基于堆栈的机器必须使用指令才能从堆栈上的加载和操作数据,因此,相对基于寄存器的机器，它们需要更多的指令才能实现相同的性能。但是基于寄存器机器上的指令必须经过编码,因此,它们的指令往往更大。

Dalvik虚拟机既不支持Java SE 也不支持Java ME类库(如：Java类,AWT和Swing都不支持)。 相反,它使用自己建立的类库（Apache Harmony Java的一个子集）。

2.3 什么是ART？

即Android Runtime
ART 的机制与 Dalvik 不同。在Dalvik下，应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器（just in time ，JIT）转换为机器码，这会拖慢应用的运行效率，而在ART 环境中，应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，使其成为真正的本地应用。这个过程叫做预编译（AOT,Ahead-Of-Time）。这样的话，应用的启动(首次)和执行都会变得更加快速。

2.4 ART有什么优缺点呢？

优点：
1、系统性能的显著提升。
2、应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。
3、更长的电池续航能力。
4、支持更低的硬件。
缺点：
1.机器码占用的存储空间更大，字节码变为机器码之后，可能会增加10%-20%（不过在应用包中，可执行的代码常常只是一部分。比如最新的 Google+ APK 是 28.3 MB，但是代码只有 6.9 MB。）
2.应用的安装时间会变长。

tips：现在智能手机大部分都可以让用户选择使用Dalvik还是ART模式。当然默认还是使用Dalvik模式。
用法：设置-辅助功能-开发者选项（开发人员工具）-选择运行环境（不同的手机设置的步骤可能不一样）。

三、ClassLoader 的构造函数

 

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3.1 BaseDexClassLoader 构造函数

PathClassLoader 和 DexClassLoader 都是继承了 BaseDexClassLoader，这里先看一下。 BaseDexClassLoader 的构造函数。

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    private final DexPathList pathList;

    /**
     * Constructs an instance.
     *
     * @param dexPath the list of jar/apk files containing classes and
     * resources, delimited by {@code File.pathSeparator}, which
     * defaults to {@code ":"} on Android
     * @param optimizedDirectory directory where optimized dex files
     * should be written; may be {@code null}
     * @param libraryPath the list of directories containing native
     * libraries, delimited by {@code File.pathSeparator}; may be
     * {@code null}
     * @param parent the parent class loader
     */
    public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
            String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
    }
}

BaseDexClassLoader 构造函数有四个参数，含义如下：

• dexPath: 需要加载的文件列表，文件可以是包含了 classes.dex 的 JAR/APK/ZIP，也可以直接使用 classes.dex 文件，多个文件用 “:” 分割
• optimizedDirectory: 存放优化后的 dex，可以为空
• libraryPath: 存放需要加载的 native 库的目录
• parent: 父 ClassLoader

通过构造函数我们大概可以了解到 BaseDexClassLoader 的运行方式，传入 dex 文件，然后进行优化，保存优化后的 dex 文件到 optimizedDirectory 目录。

3.2 PathClassLoader 构造函数

接着我们再看 PathClassLoader 的构造函数。

/**
 * Provides a simple {@link ClassLoader} implementation that operates on a list
 * of files and directories in the local file system, but does not attempt to
 * load classes from the network. Android uses this class for its system class
 * loader and for its application class loader(s).
 */
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }

    /**
     * Creates a {@code PathClassLoader} that operates on two given
     * lists of files and directories. The entries of the first list
     * should be one of the following:
     *
     * <ul>
     * <li>JAR/ZIP/APK files, possibly containing a "classes.dex" file as
     * well as arbitrary resources.
     * <li>Raw ".dex" files (not inside a zip file).
     * </ulyanzheng>
     *
     * The entries of the second list should be directories containing
     * native library files.
     *
     * @param dexPath the list of jar/apk files containing classes and
     * resources, delimited by {@code File.pathSeparator}, which
     * defaults to {@code ":"} on Android
     * @param libraryPath the list of directories containing native
     * libraries, delimited by {@code File.pathSeparator}; may be
     * {@code null}
     * @param parent the parent class loader
     */
    public PathClassLoader(String dexPath, String libraryPath,
            ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, libraryPath, parent);
    }
}

关于 PathClassLoader 有一点稍微注意一下，代码注释中对 PathClassLoader 的介绍是，用来操作文件系统上的一系列文件和目录 的 ClassLoader 实现。其中并没有提到只能加载安装后的 apk 文件。
PathClassLoader 有两个构造函数，区别在于传给 BaseDexClassLoader 的 libraryPath 是否为空。最终调用 BaseDexClassLoader 构造函数时，传入的 optimizedDirectory 为空。

3.3 DexClassLoader 构造函数

再来看看 DexClassLoader 的构造函数。和 BaseDexClassLoader 构造函数的参数是一样的。

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    /**
     * Creates a {@code DexClassLoader} that finds interpreted and native
     * code.  Interpreted classes are found in a set of DEX files contained
     * in Jar or APK files.
     *
     * <p>The path lists are separated using the character specified by the
     * {@code path.separator} system property, which defaults to {@code :}.
     *
     * @param dexPath the list of jar/apk files containing classes and
     *     resources, delimited by {@code File.pathSeparator}, which
     *     defaults to {@code ":"} on Android
     * @param optimizedDirectory directory where optimized dex files
     *     should be written; must not be {@code null}
     * @param librarySearchPath the list of directories containing native
     *     libraries, delimited by {@code File.pathSeparator}; may be
     *     {@code null}
     * @param parent the parent class loader
     */
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
    }
}

通过上面对构造函数的分析，我们可以明白，PathClassLoader 和 DexClassLoader 关键不同点，在 optimizedDirectory 参数上，PathClassLoader 传入的是 null，而 DexClassLoader 传入的是用户指定的目录。

四、双亲委派机制

4.1 模型说明

 

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image

4.2 工作流程讲解

• 双亲委派模型的工作流程代码实现在java.lang.ClassLoader的loadClass()中
• 具体如下

@Override 
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) 
        throws ClassNotFoundException { 
    Class<?> c = findLoadedClass(name); 

  // 检查需要加载的类是否已经被加载过
    if (c == null) { 
        try { 
             // 若没有加载，则调用父加载器的loadClass()方法
            if (parent != null) { 
                c = parent.loadClass(name, false); 
            }else{ 
                // 若父类加载器为空，则默认使用启动类加载器作为父加载器
                c=findBootstrapClassOrNull(name); 
            } 
        } catch (ClassNotFoundException e) { 
            // 若父类加载器加载失败会抛出ClassNotFoundException， 
            //说明父类加载器无法完成加载请求 
        } 
        if(c==null){ 
            // 在父类加载器无法加载时 
            // 再调用本身的findClass方法进行类加载 
            c=findClass(name); 
        } 
    } 
    if(resolve){ 
        resolveClass(c); 
    } 
    return c; 
}

步骤总结：若一个类加载器收到了类加载请求

1. 把 该类加载请求 委派给 父类加载器去完成，而不会自己去加载该类

每层的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应传送到顶层的启动类加载器中

1. 只有当 父类加载器 反馈 自己无法完成该加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会自己去加载

4.3 优点

Java类随着它的类加载器一起具备了一种带优先级的层次关系

1. 如：类 java.lang.Object（存放在rt.jar中）在加载过程中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终需委派给模型顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。
2. 若没有使用双亲委派模型（即由各个类加载器自行去加载）、用户编写了一个java.lang.Object的类(放在ClassPath中），那系统中将出现多个不同的Object类，Java体系中最基础的行为就无法保证

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在讲完系统的类加载器后，下面我将讲解如何根据需求自定义类加载器。
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参考：https://www.jianshu.com/p/8743d8062bb6
https://blog.csdn.net/m_sdn/article/details/84856273
https://www.jianshu.com/p/58f817d176b7
https://segmentfault.com/a/1190000020254261