1.引言

上節(jié)我問過自己?jiǎn)栴}dvm，將Class轉(zhuǎn)成成.dex文件，然后再將.dex文件轉(zhuǎn)換成Class文件。那么為什么要這樣做。這樣做不是多此一舉嗎，為什么不直接用Class文件，這樣做豈不是很方面嗎？解決這些問題之前我首要的是要明白什么是.dex，內(nèi)部結(jié)構(gòu),有什么用。接下來我將談?wù)?dex。主要參考著幾篇優(yōu)秀的文章。Android中dex文件的加載與優(yōu)化流程 。
分析的參考博客.dex淺析在此感謝他們的付出。

2.正題

2.1 .dex的結(jié)構(gòu)

.dex結(jié)構(gòu)分成三部分:
文件頭:表明了是dex文件，已經(jīng)文件的大小等等數(shù)據(jù)
索引頭:如下圖所示
數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū),就像是jvm中的堆保存方法+變量。(寫在這對(duì)jvm的常量池,堆棧，寄存器不是很清楚，準(zhǔn)備專門在寫一篇文章記錄下加強(qiáng)自己的記憶)

Paste_Image.png

2.2 odex文件

odex是OptimizedDEX的縮寫,表示對(duì)dex的優(yōu)化。寫到這讓我想起上一篇DexClassLoad的構(gòu)造方法.里面需要傳入一個(gè)OptimizedPath。這個(gè)OptimizedPath大概就是這個(gè)odex的路徑。

2.3 DexFile文件

DexFile是dex文件被映射到內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)，出了基本的dex文件結(jié)構(gòu)外，還包含了DexOptHead和尾部附加的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是Android系統(tǒng)為了結(jié)合當(dāng)前平臺(tái)特性對(duì)dex文件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和擴(kuò)充，是運(yùn)行效率更高。

Paste_Image.png

從上面的圖可以看出。DexFile 保存了一個(gè)Class對(duì)象的屬性+方法的索引。也就是說 我們可以根據(jù)一個(gè)DexFile 得到一個(gè)Class對(duì)象。

2.4 .dex的加載過程

**加載過程略微的繁瑣，了解下過程就像。我直接復(fù)制過來的 **
Android提供了一個(gè)專門驗(yàn)證與優(yōu)化dex文件的工具dexopt。其源碼位于Android系統(tǒng)源碼的dalvik/dexopt目錄下，Dalvik虛擬機(jī)在加載一個(gè)dex文件時(shí)，通過指定的驗(yàn)證與優(yōu)化選項(xiàng)來調(diào)用dexopt進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證與優(yōu)化操作。
dexopt的主程序?yàn)镺ptMain.cpp，其中處理apk/jar/zip文件中的classes.dex的函數(shù)為extractAndProcessZip(),extractAndProcessZip()首先通過dexZipFindEntry()函數(shù)檢查目標(biāo)文件中是否擁有class.dex，如果沒有就失敗返回，成功的話就調(diào)用dexZipGetEntryInfo()函數(shù)來讀取classes.dex的時(shí)間戳與crc校驗(yàn)值，如果這一步?jīng)]有問題，接著調(diào)用dexZipExtractEntryTo-File()函數(shù)釋放classes.dex為緩存文件，然后開始解析傳遞過來的驗(yàn)證與優(yōu)化選項(xiàng)，驗(yàn)證選項(xiàng)使用“v=”指出，優(yōu)化選項(xiàng)使用“o=”指出。所有的預(yù)備工作都做完后，調(diào)用dvmPrepForDexOpt()函數(shù)啟動(dòng)一個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)程，在這個(gè)函數(shù)中，優(yōu)化選項(xiàng)dexOptMode與驗(yàn)證選項(xiàng)varifyMode被傳遞到了全局DvmGlobals結(jié)構(gòu)gDvm的dexOptMode與classVerifyMode字段中。這時(shí)候所有的初始化工作已經(jīng)完成，dexopt調(diào)用dvmContinueOptimization()函數(shù)開始真正的驗(yàn)證和優(yōu)化工作。
dvmContinueOptimization()函數(shù)的調(diào)用鏈比較長(zhǎng)。首先從OptMain.cpp轉(zhuǎn)移到、dalvik/vm/analysis/DexPrepare.cpp,因?yàn)檫@里有dvmContinueOptimization()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。函數(shù)首先對(duì)dex文件做簡(jiǎn)單的檢查，確保傳遞進(jìn)來的目標(biāo)文件屬于dex或odex,接著調(diào)用mmap()函數(shù)將整個(gè)文件映射到內(nèi)存中，然后根據(jù)gDvm的dexOptMode與classVerifyMode字段來設(shè)置doVarify與doOpt兩個(gè)布爾值，接著調(diào)用rewriteDex()函數(shù)來重寫dex文件，這里的重寫內(nèi)容包括字符調(diào)整、結(jié)構(gòu)重新對(duì)齊、類驗(yàn)證信息以及輔助數(shù)據(jù)。rewriteDex()函數(shù)調(diào)用dexSwapAndVerify()調(diào)整字節(jié)序，接著調(diào)用dvmDexFileOpenPartial()創(chuàng)建DexFile結(jié)構(gòu)，dvmDexFileOpenPartial()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)在Android系統(tǒng)源碼dalvik/vm/DvmDex.cpp文件中，該函數(shù)調(diào)用dexFileParse()函數(shù)解析dex文件，dexFileParse()函數(shù)讀取dex文件的頭部，并根據(jù)需要調(diào)用驗(yàn)證dexComputeChecksum()函數(shù)或調(diào)用dexComputeOptChecksum()函數(shù)來驗(yàn)證dex或odex文件愛你頭的checksum與signature字段。
接著回到DvmDex.cpp文件繼續(xù)看代碼，當(dāng)驗(yàn)證成功后，dvmDexFileOpenPartial()函數(shù)調(diào)用allocateAuxStructures()函數(shù)設(shè)置DexFile結(jié)構(gòu)輔助數(shù)據(jù)的相關(guān)字段，最后執(zhí)行完后返回到rewriteDex()函數(shù)。rewriteDex()接下來調(diào)用loadAllClasses()加載dex文件中所有的類，如果這一步失敗了，程序等不到后面的優(yōu)化與驗(yàn)證就退出了，如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生，會(huì)調(diào)用verifyAndOptimizeClasses()函數(shù)進(jìn)行真正的驗(yàn)證工作，這個(gè)函數(shù)會(huì)調(diào)用verifyAndOptimizeClass()函數(shù)來優(yōu)化與驗(yàn)證具體的類，而verifyAndOptimizeClass()函數(shù)會(huì)細(xì)分這些工作，調(diào)用dvmVerifyClass()函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，再調(diào)用dvmOptimizeClass()函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
dvmVerifyClass()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼位于Android系統(tǒng)源碼的dalvik/vm/analysis/DexVerify.cpp文件中。這個(gè)函數(shù)調(diào)用verifyMethod()函數(shù)對(duì)類的所有直接方法與虛方法進(jìn)行驗(yàn)證，verifyMethod()函數(shù)具體的工作是先調(diào)用verifyInstructions()函數(shù)來驗(yàn)證方法中的指令及其數(shù)據(jù)的正確性，再調(diào)用dvmVerifyCodeFlow()函數(shù)來驗(yàn)證代碼流的正確性。
dvmOptimizeClass()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼位于Android系統(tǒng)源碼的dalvik/vm/analysis/Optimize.cpp文件愛你中。這個(gè)函數(shù)調(diào)用optimizeMethod()函數(shù)對(duì)類的所有直接方法與虛方法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的主要工作是進(jìn)行“指令替換”，替換原則的優(yōu)先級(jí)為“volatile”替換-正確性替換-高性能替換。比如指令iget-wide會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)替換為“volatile”形式的iget-wide-volatile，而不是高性能的iget-wide-quick.
rewriteDex函數(shù)返回后，會(huì)再次調(diào)用dvmDexFileOpenPartial()來驗(yàn)證odex文件，接著調(diào)用dvmGenerateRegisterMaps()函數(shù)來填充輔助數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)，填充結(jié)構(gòu)完成后，接下來調(diào)用updateChecksum()函數(shù)重寫dex文件愛你的checksum值，再往下就是writeDependencies()與writeOptData()了。

流程圖：

Paste_Image.png

Paste_Image.png

Paste_Image.png

3.0 源碼分析

結(jié)合上面的概念。對(duì)DexFile等有所了解?，F(xiàn)在我結(jié)合一個(gè)大神的博客，將源碼分析也貼出來吧。個(gè)人覺得他的源碼分析很貼切，很有條理。

DexClassLoader的源碼

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), libraryPath, parent);
    }
}

**BaseDexClassLoader **

public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
            String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
}

接下來看DexPathList：

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
            String libraryPath, File optimizedDirectory) {
    //省略參數(shù)校驗(yàn)以及異常處理的代碼
        this.definingContext = definingContext;
        ……
        this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                                           suppressedExceptions);
        ……
        this.nativeLibraryDirectories = splitLibraryPath(libraryPath);
}

我們繼續(xù)閱讀DexPathList.java文件中makeDexElements 的關(guān)鍵代碼：

private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory,
                                             ArrayList<IOException> suppressedExceptions) {
     // ……
        for (File file : files) {
            File zip = null;
            DexFile dex = null;
            String name = file.getName();
            if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {   //.dex文件
                // Raw dex file (not inside a zip/jar).
                try {
                    dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
                } catch (IOException ex) {
                    System.logE("Unable to load dex file: " + file, ex);
                }
            } else if (name.endsWith(APK_SUFFIX) || name.endsWith(JAR_SUFFIX)
                    || name.endsWith(ZIP_SUFFIX)) {
                    //.apk  .jar  .zip文件
                zip = file;
                try {
                    dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
                } catch (IOException suppressed) {
                    suppressedExceptions.add(suppressed);
                }
            } else if (file.isDirectory()) {
                // We support directories for looking up resources.
                // This is only useful for running libcore tests.
                elements.add(new Element(file, true, null, null));
            } else {
                System.logW("Unknown file type for: " + file);
            }
        }
                    //……
        return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
    }

從上面的代碼可以看出ArrayList<File> files。就是我們所有的dex文件。根絕后綴判斷文件的類型。然后調(diào)用loadDexFile。得到一個(gè)DexFile。前面說到了DexFile 是包含了一個(gè)Class類里面屬性+方法的索引。然后根據(jù)new Element(file, true, null, null) 得到一個(gè)Element,添加到了elements中。

接下來看下loadDexFile：

private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory)
            throws IOException {
        if (optimizedDirectory == null) {
            return new DexFile(file);
        } else {
            String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
            return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0);
        }
    }


//生成odex的目錄
private static String optimizedPathFor(File path,
            File optimizedDirectory) {
        String fileName = path.getName();
        if (!fileName.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
            int lastDot = fileName.lastIndexOf(".");
            if (lastDot < 0) {
                fileName += DEX_SUFFIX;
            } else {
                StringBuilder sb = new StringBuilder(lastDot + 4);
                sb.append(fileName, 0, lastDot);
                sb.append(DEX_SUFFIX);
                fileName = sb.toString();
            }
        }
        File result = new File(optimizedDirectory, fileName);
        return result.getPath();
    }

optimizedPathFor 方法：就是將dex 優(yōu)化形成optimizedDex文件。然后
通過DexFile的靜態(tài)方法將.dex文件。或者apk，.jar加載成DexFile文件。DexFile 是C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體，里面保存的都是一些指針。經(jīng)過不斷的校檢，最后通過dvm里面的c代碼處理，得到DexFile。

總結(jié)：
我們可以簡(jiǎn)要總結(jié)下整個(gè)的加載流程，首先是對(duì)文件名的修正，后綴名置為”.dex”作為輸出文件，然后生個(gè)一個(gè)DexPathList對(duì)象函數(shù)直接返回一個(gè)DexPathList對(duì)象，

在DexPathList的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用makeDexElements()函數(shù)，在makeDexElement()函數(shù)中調(diào)用loadDexFile()開始對(duì).dex或者是.jar .zip .apk文件進(jìn)行處理，

跟入loadDexFile()函數(shù)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)里面做的工作很簡(jiǎn)單，調(diào)用optimizedPathFor()函數(shù)對(duì)optimizedDiretcory路徑進(jìn)行修正。

之后才真正通過DexFile.loadDex()開始加載文件中的數(shù)據(jù)，其中的加載也只是返回一個(gè)DexFile對(duì)象。

在DexFile類的構(gòu)造函數(shù)中，重點(diǎn)便放在了其調(diào)用的openDexFile()函數(shù)，在openDexFile()中調(diào)用了openDexFileNative()真正進(jìn)入native層，

在openDexFileNative()的真正實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于后綴名為.dex的文件或者其他文件(.jar .apk .zip)分開進(jìn)行處理：

.dex文件調(diào)用dvmRawDexFileOpen()；
其他文件調(diào)用dvmJarFileOpen()。

在dvmRawDexFileOpen()函數(shù)中，檢驗(yàn)dex文件的標(biāo)志，檢驗(yàn)odex文件的緩存名稱，之后將dex文件拷貝到odex文件中，并對(duì)odex進(jìn)行優(yōu)化

調(diào)用dvmDexFileOpenFromFd()對(duì)優(yōu)化后的odex文件進(jìn)行映射，通過mprotect置為"只讀"屬性并將映射的內(nèi)存結(jié)構(gòu)保存在DvmDex*結(jié)構(gòu)中。

dvmJarFileOpen()先對(duì)文件進(jìn)行映射，結(jié)構(gòu)保存在ZipArchive中，然后再嘗試以文件名作為dex文件名來“打開”文件，
如果失敗，則調(diào)用dexZipFindEntry在ZipArchive的名稱hash表中找名為"class.dex"的文件,然后創(chuàng)建odex文件，下面就和
dvmRawDexFileOpen()一樣了，就是對(duì)dex文件進(jìn)行優(yōu)化和映射。

也只是分析了一個(gè)大概流程，還有很多有待之后進(jìn)行深入。而這里對(duì)于閱讀Android源碼，有了新的體會(huì)，首先是工具上，我之前一直是用Source InSight 但是對(duì)于一些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，找起來卻是不太方便，因?yàn)楸仨氁獙⒑瘮?shù)實(shí)現(xiàn)的文件導(dǎo)入到工程中，而用VS來閱讀源碼，利用Ctrl+Shift+F的功能，在Android源碼目錄下搜索更為方便，然后可以在Source InSight中進(jìn)行導(dǎo)入，閱讀。其次不得不說閱讀源碼真的是一個(gè)比較痛苦的過程，但真的學(xué)習(xí)下來，收獲還是很大的。