六、【熱修復(fù)二】Java層類加載熱修復(fù)的簡單實(shí)現(xiàn)

使用到的技術(shù)點(diǎn)

1、Java類加載機(jī)制；
2、Android加載dex文件；
3、反射；

原理：

用修復(fù)好的類替換有問題的類。在App重新啟動(dòng)后讓Classloader去加載新的類。因?yàn)樵贏pp運(yùn)行到一半的時(shí)候，所有需要發(fā)生變更的類已經(jīng)被加載過了，在Android上是無法對一個(gè)類進(jìn)行卸載的。如果不重啟，原來的類還在虛擬機(jī)中，就無法加載新類。因此，只有在下次重啟的時(shí)候，在還沒有走到業(yè)務(wù)邏輯之前搶先加載補(bǔ)丁中的新類，這樣后續(xù)訪問這個(gè)類時(shí)，就會Resolve為新類。從而達(dá)到熱修復(fù)的目的。

關(guān)鍵問題是：

如何替換一個(gè)類？
這里沒有直接替換一個(gè)類，而是通過類加載機(jī)制，在加載問題類之前，先加載補(bǔ)丁類的方案達(dá)到替換的目的。具體操作的依據(jù)，首先因?yàn)橥粋€(gè)類加載器在嘗試加載一個(gè)類的時(shí)候，會先判斷這個(gè)類是否已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載則不會再次去加載；其次，Android加載dex時(shí)，會按照先后順序依次加載的。

一、Java加載機(jī)制

ClassLoader#loadClass()方法

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                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
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    c = findClass(name);
                }
            }
            return c;
    }

(1)、從當(dāng)前類加載器的已加載類緩存中根據(jù)類的全路徑名查詢是否存在該類，如果存在則直接返回。
(2)、如果當(dāng)前類存在父類加載器，則調(diào)用父類加載器的loadClass（name，false）方法對其進(jìn)行加載。
(3)、如果當(dāng)前類加載器不存在父類加載器，則直接調(diào)用啟動(dòng)類加載器對該類進(jìn)行加載。
(4)、如果當(dāng)前類的所有父類加載器都沒有成功加載class，則嘗試調(diào)用當(dāng)前類加載器的findClass方法對其進(jìn)行加載，該方法就是我們自定義加載器需要重寫的方法。
(5)、最后如果類被成功加載，則做一些性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。
(6)、由于loadClass指定了resolve為false，所以不會進(jìn)行連接階段的繼續(xù)執(zhí)行，這也就解釋了為什么通過類加載器加載類并不會導(dǎo)致類的初始化。

二、Android類加載的機(jī)制

Android中相關(guān)的類加載器PathClassLoader和DexClassLoader。

(1)、DexClassLoader：能夠加載自定義的jar/apk/dex
(2)、PathClassLoader：只能加載系統(tǒng)中已經(jīng)安裝過的apk
所以Android系統(tǒng)默認(rèn)的類加載器為PathClassLoader，而DexClassLoader可以像JVM的ClassLoader一樣提供動(dòng)態(tài)加載。

Android類加載器的繼承關(guān)系.png

PathClassLoader和DexClassLoader加載Class的相關(guān)源碼：

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    private final DexPathList pathList;

    @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;
    }
}

DexPathList #findClass()

final class DexPathList {
    /**
     * List of dex/resource (class path) elements.
     * Should be called pathElements, but the Facebook app uses reflection
     * to modify 'dexElements' (http://b/7726934).
     */
    private Element[] dexElements;

    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#loadClassBinaryName()

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

    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;
    }

從上面的源碼可以得知，當(dāng)Android中類加載器嘗試加載類的時(shí)候，會調(diào)用DexPathList 的findClass()方法，通過遍歷dexElements中的Element，得到DexFile，再通過DexFile調(diào)用loadClassBinaryName()方法加載類。類加載成功后，就直接返回。因此，可以通過將修復(fù)好的dex插入到dexElements的集合（出現(xiàn)bug的xxx.class所在的dex的前面）的位置，就可以達(dá)到間接替換bug類的目的。
最本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)原理：類加載器去加載某個(gè)類的時(shí)候，是去dexElements里面從頭往下查找的。fixed.dex,classes1.dex,classes2.dex,classes3.dex

三、具體實(shí)現(xiàn)

Class  BaseDexClassLoader{
    private DexPathList pathList；
}

Class  DexPathList{
    private Element[] dexElements;
}

先獲取到已安裝App中原有的dexElements(appDexElements)和通過DexClassLoader加載已經(jīng)修復(fù)好的dex得到的dexElements(fixedDexElements)。然后再將appDexElements和fixedDexElements合并成一個(gè)新的dexElements(newDexElements)。

類加載修復(fù)的流程.png

核心類代碼
FixDexUtils

public class FixDexUtils {
    private static HashSet<File> sLoadedDexFiles = new HashSet();

    static {
        sLoadedDexFiles.clear();
    }

    public static void loadFixedDex(Context context){
        File fileDir = context.getDir(Constants.DEX_DIR, Context.MODE_PRIVATE);
        File[] dexFiles = fileDir.listFiles();
        for(File file:dexFiles){
            if(file.getName().startsWith("classes") && file.getName().endsWith(".dex")){
                sLoadedDexFiles.add(file);
            }
        }

        doDexInject(context, fileDir, sLoadedDexFiles);
    }

    private static void doDexInject(final Context context, File filesDir, HashSet<File> loadedDexs){
        String optimizedDir = filesDir.getAbsolutePath() + File.separator + Constants.OPT_DEX;
        File fopt = new File(optimizedDir);
        if(!fopt.exists()){
            fopt.mkdirs();
        }
        try {
            PathClassLoader pathClassLoader = (PathClassLoader) context.getClassLoader();
            for(File dex:loadedDexs){
                DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(dex.getAbsolutePath(), fopt.getAbsolutePath(), null, pathClassLoader);

                Object dexObj = getPathList(dexClassLoader);
                Object pathObj = getPathList(pathClassLoader);

                Object dexElementsList = getDexElements(dexObj);
                Object pathDexElementsList = getDexElements(pathObj);

                //合并dexElements
                Object dexElements = combineArray(dexElementsList, pathDexElementsList);

                //重新給PathList里面的Element[] dexElements賦值
                Object pathList = getPathList(pathClassLoader);
                setFiled(pathList, pathList.getClass(), "dexElements", dexElements);
                Object finalElementsList = getDexElements(pathList);
                System.out.println("--------"+finalElementsList);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void setFiled(Object obj, Class<?> clazz, String fieldName, Object value) throws Exception {
        Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        field.set(obj, value);
    }

    private static Object getField(Object obj, Class<?> clazz, String fieldName) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        return field.get(obj);
    }

    private static Object getPathList(Object baseDexClassLoader) throws Exception {
        return getField(baseDexClassLoader, Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader"), "pathList");
    }

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

    private static Object combineArray(Object arrLhs, Object arrRhs){
        Class<?> clazz = arrLhs.getClass().getComponentType();
        int i = Array.getLength(arrLhs);
        int len = i + Array.getLength(arrRhs);
        Object arrResult = Array.newInstance(clazz, len);
        for(int k = 0; k < len; k++){
            if(k < i){
                Array.set(arrResult, k, Array.get(arrLhs, k));
            }else{
                Array.set(arrResult, k, Array.get(arrRhs, k - i));
            }
        }
        return arrResult;
    }

}

FMApplication

public class FMApplication extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        ClassLoader classLoader = getClassLoader();
        System.out.println("--------onCreate---ClassLoader:"+getClassLoader());
        super.onCreate();
    }

    @Override
    protected void attachBaseContext(Context base) {
        System.out.println("--------attachBaseContext");
        MultiDex.install(base);
        FixDexUtils.loadFixedDex(base);
        super.attachBaseContext(base);

    }


}

app#build.gradle的核心配置
android {
    compileSdkVersion 27
    defaultConfig {
        ...
        multiDexEnabled true
        ...
    }

    buildTypes {
        release {
            //指定單獨(dú)打到一個(gè)dex的類
            multiDexKeepFile file('dex.keep')
            def myFile = file('dex.keep')
            println("isFileExists:"+myFile.exists())
            println "dex keep"

            minifyEnabled false
          
        }
    }

}

dependencies {
   ...
    implementation 'com.android.support:multidex:1.0.1'
  ...
}
dex.keep的配置和目錄.png

四、關(guān)于FixedClass.class打包成classes.dex

dx.bat所在目錄：

sdk\build-tools\27.0.3

dx --dex --output=D:\Users\x\Desktop\dex\classes2.dex D:\Users\x\Desktop\dex

命令解釋：
--output=D:\Users\x\Desktop\dex\classes2.dex 指定輸出路徑
D:\Users\x\Desktop\dex 最后指定去打包哪個(gè)目錄下面的class字節(jié)文件(注意要包括全路徑的文件夾，也可以有多個(gè)class)


class_2_dex.png
class_2_dex命令.png
class_2_dex結(jié)果.png

五、Java反射機(jī)制可以動(dòng)態(tài)修改實(shí)例中final修飾的成員變量嗎？

回答是分兩種情況的。

  1. 當(dāng)final修飾的成員變量在定義的時(shí)候就初始化了值，那么java反射機(jī)制就已經(jīng)不能動(dòng)態(tài)修改它的值了。
  2. 當(dāng)final修飾的成員變量在定義的時(shí)候并沒有初始化值的話，那么就還能通過java反射機(jī)制來動(dòng)態(tài)修改它的值。

【相關(guān)源碼】HotFixJava

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