Android热修复分析

Posted 2020-07-18 王永迪

针对app线上修复技术，目前有好几种解决方案，开源界往往一个方案会有好几种实现。重复的实现会有造轮子之嫌，但分析解决方案在技术上的探索和衍变，这轮子还是值得去推动的

关于Hot Fix技术

Hot Fix技术，简单来说就是针对线上已发布app出现了bug，在不推送新版本的情况下通过发布修复补丁进行修复。通常是刚上线的app，需要快速线上修复bug，类似的技术就叫做热修复或热补丁。

热修复技术能带来什么

• 让app具有了上线后被修复的可能性，增加事故风险可控性；
• 避免为修复bug而快速增发新版本，让用户“无感”，提升体验；
• 推送新版本app修复时，用户升级覆盖面无法保证；
• 避免增发修复版本的复杂流程，减少发布新版本app成本；

现有的技术方案

目前，从技术解决方案上来说，有以下几种思路： 

* Dexposed

来自阿里手淘团队，白衣（花名）基于Xposed实现了Dexposed，在此基础上手淘团队推出了HotPatch二方库。 
* AndFix 
出自阿里支付宝技术团队，同样是对方法的hook，但未基于Dexposed去实现，避免了在art上运行时存在兼容性问题。 
* 基于ClassLoader 
QQ空间终端开发团队提供了技术思路，目前基于此实现的热门的开源项目有Nuwa,HotFix,DroidFix，这三种方案的原理却徊然不同，各有优缺点。

关于三者技术的介绍，这里推荐一篇文章：各大热补丁方案分析和比较，这里不做细说。

技术调研

热修复 == 动态替换 == 动态加载

得出上面的等式，是因为热修复一般来说就是增发patch文件，避免用户调用错误代码，并不是直接修改了原来的代码。这相当于是对问题文件做了动态替换，而要实现动态替换就是避免默认的加载，改变成动态地加载替换文件。 
动态加载的基础是ClassLoader，Java程序在运行时加载对应的类是通过ClassLoader来实现的， Java 类可以被动态加载到 Java 虚拟机中并执行。所以ClassLoader所做的工作实质就是把类文件从硬盘读取到内存中。 

Java中ClassLoader的基本概念

* 类加载器的树状结构：在JVM中，所有类加载器实例按树状结构组织，根结点为引导类加载器。除根结点外的所有类加载器都有一个非空的父类加载器，从而构成树状结构； 
* 双亲委托（代理）模型：当类加载器收到加载类或资源的请求时，通常都是先委托给父类加载器加载，也就是说只有当父类加载器找不到指定类或资源时，自身才会执行实际的类加载过程；

代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由bootClassLoader来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。

• 类的判等：即使类完全相同（名称相同、字节码相同），不同类加载器实例加载的类对象也是不相等的；

  这条规则是Java类加载机制中非常核心的规则，它保证了类加载机制实现“类隔离”、“保护JDK中的基础类”等目标。

• 类的垃圾回收：只有当类加载器可被作为垃圾回收的前提下，其加载的类才有可能被回收；

源码分析ClassLoader机制

android的classLoader机制

Android的Dalvik/ART虚拟机如同标准JAVA的JVM虚拟机一样，在运行程序时首先需要将对应的类加载到内存中。因此可以利用这一点，在程序运行时手动加载Class，从而达到代码中动态加载可执行文件的目的。

在Android系统启动的时候会创建一个Boot类型的ClassLoader实例，用于加载一些系统Framework层级需要的类。由于Android应用里也需要用到一些系统的类，所以APP启动的时候也会把这个Boot类型的ClassLoader传进来。

此外，APP也有自己的类，这些类保存在APK的dex文件里面，所以APP启动的时候，也会创建一个自己的ClassLoader实例，用于加载自己dex文件中的类。 
下面实际验证看看：

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

      ClassLoader classLoader = getClassLoader();
      Log.i("ClassLoader" , "classLoader " + classLoader.toString());

      while (classLoader.getParent() != null) {
          classLoader = classLoader.getParent();
          if (classLoader != null) {
              Log.i("ClassLoader", "classLoaderParent " + classLoader.toString());
          }
     }
}
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输出结果为：

I/ClassLoader: classLoader dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.sunteng.classloader-1/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]]
I/ClassLoader: classLoaderParent [email protected]2d0a3af7
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可以看见有2个Classloader实例，一个是BootClassLoader（系统启动的时候创建的），另一个是PathClassLoader（应用启动时创建的，用于加载当前已安装app里面的类）。

Android经常使用的是PathClassLoader和DexClassLoader

• PathClassLoader 
  

  官方注释：一个简单的ClassLoader的实现，工作在本地文件系统中的文件和目录的列表上，但不尝试从网络加载类。 Android使用这个类为它的系统类加载器和应用类加载器。

可以看出，Android是使用这个类作为其系统类和应用类的加载器。并且对于这个类呢，只能去加载已经安装到Android系统中的apk文件。

• DexClassLoader 
  

  官方注释：一个ClassLoader的实现，从.jar和.apk文件内部加载classes.dex。这可以用于执行非安装程序作为已安装应用程序的一部分的代码。

也就是说可以加载比如sd目录下的dex文件，获取到不是已安装app里面的类。 Android中使用PathClassLoader类作为Android的默认的类加载器，PathClassLoade本身继承自BaseDexClassLoader，BaseDexClassLoader重写了findClass方法，该方法是ClassLoader的核心。

#BaseDexClassLoader
@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;
}
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看源码可知，BaseDexClassLoader将findClass方法委托给了pathList对象的findClass方法，pathList对象是在BaseDexClassLoader的构造函数中new出来的，它的类型是DexPathList。看下DexPathList.findClass源码是如何做的：

#DexPathList
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;
}

#DexFile 
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader) {
    return defineClass(name, loader, mCookie);
}
private native static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, int cookie);
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直接就是遍历dexElements列表，然后通过调用element.dexFile对象上的loadClassBinaryName方法来加载类，如果返回值不是null，就表示加载类成功，会将这个Class对象返回。而且dexElements对象是在DexPathList类的构造函数中完成初始化的。

this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory, suppressedExceptions);
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makeDexElements所做的事情就是遍历我们传递来的dexPath，然后一次加载每个dex文件。可以看出，BaseDexClassLoader中有个pathList对象，pathList中包含一个DexFile的集合dexElements，而对于类加载，就是遍历这个集合，通过DexFile去寻找。 这样的话，我们可以在这个dexElements中去做一些事情，比如在这个数组的第一个元素放置我们的patch.jar，里面包含修复过的类。当遍历findClass的时候，修复的类就会被查找到，从而替代有bug的类。

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

标准JVM中，ClassLoader是用defineClass加载类的，而Android中defineClass被弃用了，改用了loadClass方法，而且加载类的过程也挪到了DexFile中，在DexFile中加载类的具体方法也叫defineClass

ClassLoader特性

使用ClassLoader的一个特点就是，当ClassLoader在成功加载某个类之后，会把得到类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候，ClassLoader会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。也就是说，如果程序不重新启动，加载过一次的类就无法重新加载。

如果使用ClassLoader来动态升级APP或者动态修复BUG，都需要重新启动APP才能生效。

除了使用ClassLoader外，还可以使用jni hook的方式修改程序的执行代码。后者做的已经是Native层级的工作了，直接修改应用运行时的内存地址，所以使用jni hook的方式时，不用重新应用就能生效。 而阿里的dexposed和AndFix采用了jni hook方案 **Android程序比起一般Java程序在使用动态加载时麻烦在哪里** 使用ClassLoader动态加载一个外部的类是非常容易的事情，所以很容易就能实现动态加载新的可执行代码的功能，但是比起一般的Java程序，在Android程序中使用动态加载主要有两个麻烦的问题： * Android中许多组件类（如Activity、Service等）是需要在Manifest文件里面注册后才能工作的（系统会检查该组件有没有注册），所以即使动态加载了一个新的组件类进来，没有注册的话还是无法工作； * Res资源是Android开发中经常用到的，而Android是把这些资源用对应的R.id注册好，运行时通过这些ID从Resource实例中获取对应的资源。如果是运行时动态加载进来的新类，那类里面用到R.id的地方将会抛出找不到资源或者用错资源的异常，因为新类的资源ID根本和现有的Resource实例中保存的资源ID对不上； 说到底，一个Android程序和标准的Java程序最大的区别就在于他们的上下文环境（Context）不同。

Android中context可以给程序提供组件需要用到的功能，也可以提供一些主题、Res等资源，而现在的各种Android动态加载框架中，核心要解决的东西也正是如何给外部的新类提供上下文环境的问题。

希望最终的效果

能够简单地集成热修复sdk，开发者修改代码后能轻松地完成向用户发Patch操作，在用户无感知的情况下修复bug。

技术选型

• 对开发者友好，使用热修复要简单直接，能尽快解决问题；
• 对用户友好，尽量减少用户感知；
• 减小bug的影响，尽量扩大修复时覆盖的用户范围。

就一个理念：只有适合当前情况的才是最好的。

插件化和热修复

前面关于Android中ClassLoader的介绍，Android使用PathClassLoader作为其类加载器，DexClassLoader可以从.jar和.apk类型的文件内部加载classes.dex文件。

如果大家对于插件化有所了解，其实Android应用的插件化，就可以利用DexClassLoader来动态加载非安装应用的类来实现，当然也就可以做到只有单用户点击相应插件模块，才会从网络获取相应插件文件，再通过DexClassLoader实现类加载。

而热修复可以利用BaseDexClassLoader中的pathList对象，pathList中包含一个DexFile的集合dexElements，我们可以在这个dexElements中去做一些事情，比如在这个数组的第一个元素放置我们的patch.jar，里面包含修复过的类。

这样的话，当遍历findClass的时候，我们修复的类就会被查找到，从而替代有bug的类。不过这样处理还存在一个CLASS_ISPREVERIFIED的问题安卓App热补丁动态修复技术介绍。

热修复具体实施

上面分析了Android中的类的加载的流程，可以看出： 
* DexPathList对象中的dexElements列表是类加载的一个核心，一个类如果能被成功加载，那么它的dex一定会出现在dexElements所对应的dex文件中。 
* exElements中出现的顺序也很重要，在dexElements前面出现的dex会被优先加载，一旦Class被加载成功，就会立即返回。 
* 我们的如果想做hot fix，一定要保证我们的pacth dex文件出现在dexElements列表的前面。

要实现热修复，就需要我们在运行时去更改PathClassLoader.pathList.dexElements，由于这些属性都是private的，因此需要通过反射来修改。

另外，构造我们自己的dex文件所对应的dexElements数组的时候，我们也可以采取一个比较取巧的方式： 
* 通过构造一个DexClassLoader对象来加载我们的dex文件 
* 调用一次dexClassLoader.loadClass(dummyClassName)方法 
* 这样dexClassLoader.pathList.dexElements中就会包含我们的dex

通过把dexClassLoader.pathList.dexElements插入到系统默认的classLoader.pathList.dexElements列表前面，就可以让系统优先加载我们的dex中的类，从而可以实现热修复了。

自己的思考

通过分析三者的差异化对比，以及思考到底什么才是合适的，通过hook方法的方式实现起来确实最直接，但是问题却也很明显，首先成功覆盖率和稳定性是个问题，而且操作起来复杂性比较高。

而通过classloader考虑的是从系统动态加载的特性入手，所以理所当然以局限于系统的特性，比如由于对于已经加载的类，类加载器不会再调用loadClass方法，所以想要修复要等到下次启动程序才行。

Android项目中，动态加载技术按照加载的可执行文件的不同大致可以分为两种： 
1.动态加载so库； 
2.动态加载dex/jar/apk文件（通常都是这种）

所以理解起来就是： 
1.动态调用外部的Dex文件则是完全没有问题的。 
2.在APK文件中往往有一个或者多个Dex文件，我们写的每一句代码都会被编译到这些文件里面。 
3.Android应用运行的时候就是通过执行这些Dex文件完成应用的功能的。 
4.虽然一个APK一旦构建出来，我们是无法更换里面的Dex文件，但是我们可以通过加载外部的Dex文件来实现。

外部文件可以放在外部存储，或者从网络下载。

因此最极端的情况就是，直接把APK自身带有的Dex文件当做空壳，只是作为一个程序的入口，所有的功能都通过从服务器下载最新的Dex文件完成。 
当然，一般来说只要利用Android动态加载技术，通过动态加载新的dex的方式，完成对有bug类的“替换”，来达到避免调用存在bug的代码，这也就是所谓的Hot Fix。

总体的思路就是这样，至于具体的实现，就有很多环节需要细化的，因为Android本身也有很多自身的特性。

接下来就是考虑实际编码实现了。