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浅谈Android热更新的前因后果

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Rouse
发布2021-07-08 14:49:33
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发布2021-07-08 14:49:33
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文章被收录于专栏:Android补给站Android补给站

00000000000000000000000000000作者:Petterp 链接:https://juejin.cn/post/6968827359197659166

什么是热修复?它可以帮我解决什么问题?

其实简单来说,热修复就是一种动态加载技术,比如你线上某个产品此时出现了bug:

传统流程:debug->测试->发布新版 ->用户安装(各平台审核时间不一,而且用户需要手动下载或者更新) 集成热修复情况下:dubug->测试->推送补丁->自动下载补丁修复 (用户不知情况,自动下载补丁并修复)

对比下来,我们不难发现,传统流程存在这几大弊端:

  1. 发版代价大
  2. 用户下载安装的成本过高
  3. bug修复不及时,取决于各平台的审核时间等等

热修复产生背景?

  • app发版成本高
  • 用H5集成某些经常变动的业务逻辑,但这种方案需要学习成本,而且对于无法转为H5形式的代码仍旧是无法修复;
  • Instant Run

上面三个原因中,我们主要来谈一下 Instant Run:

Android Studio2.0时,新增了一个 Instant Run的功能,而各大厂的热修复方案,在代码,资源等方面的实现都是很大程度上参考了Instant Run的代码。所以可以说 Instant Run 是推进Android 热修复的主因。

那Instant Run内部是如何做到这一点呢?

  1. 构建一个新的 AssetManager(资源管理框架),并通过反射调用这个 addAssetPath,把这个完整的新资源加入到 AssetManager中,这样就得到了一个含有所有新资源的 AssetManager.
  2. 找到所有之前引用到原有AssetManager的地方,通过反射,把引用出替换为新的AssetManager.

参考自 <深入探索Android热修复技术原理>

热修复的原理是什么?

我们都知道热修复都相当于动态加载,那么动态加载到底动态在哪里了呢。

说到这个就躲不过一个关键点 ClassLoader(类加载器) ,所以我们先从Java开始。

我们都知道Java的类加载器有四种,分别为:

  • Bootstarp ClassLoader
  • Extension ClassLoader
  • App ClassLoader 加载应用ClassLoader
  • Custom ClassLoader 加载自己的class文件

类加载过程如下:

过程:加载-连接(验证-准备-解析)-初始化

  1. 加载 将类的信息(字节码)从文件中获取并载入到JVM的内存中
  2. 连接 验证:检查读入的结构是否符合JVM规范 准备:分配一个结构来存储类的信息 解析:将类的常量池中的所有引用改变成直接引用
  3. 初始化 执行静态初始化程序,把静态变量初始化成指定的值

其中用到的三个主要机制:

  1. 双亲委托机制
  2. 全盘负责机制
  3. 缓存机制

其实后面的两个机制都是主要从双亲委托机制延续而来。

在说明了Java 的ClassLoader之后,我们接下来开始Android的ClassLoader,不同于Java的是,Java中的ClassLoader可以加载 jar 文件和 Class文件,而Android中加载的是Dex文件,这就需要重新设计相关的ClassLoader类。所以Android 的ClassLoader 我们会说的详细一点

源码解析

在这里,顺便提一下,这里贴的代码版本是Android 9.0,在8.0以后,PathClassLoader和DexClassLoader并没有什么区别,因为唯一的一个区别参数 optimizedDirectory已经被废弃。

首先是 loadClass,也就是我们类加载的核心方法方法:

代码语言:javascript
复制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
        // First, check if the class has already been loaded
        //查找当前类是否被加载过
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            try {
                if (parent != null) {
                  //查看父加载器是否加载过
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                  //如果没有加载过,调用根加载器加载,双亲委托模式的实现
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }
      
      //找到根加载器依然为null,只能自己加载了
            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                c = findClass(name);
            }
        }
        return c;
}

这里有个问题,JVM双亲委托机制可以被打破吗?先保留疑问。

我们主要去看他的 findClass方法

代码语言:javascript
复制
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

这个方法是一个null实现,也就是需要我们开发者自己去做。

从上面基础我们知道,在Android中,是有 PathClassLoader和 DexClassLoader,而它们又都继承与 BaseDexClassLoader,而这个BaseDexClassLoader又继承与 ClassLoader,并将findClass方法交给子类自己实现,所以我们从它的两个子类 PathClassLoader和 DexClassLoader入手,看看它们是怎么处理的。

这里碍于Android Studio无法查看相关具体实现源码,所以我们从源码网站上查询:

PathClassLoader

代码语言:javascript
复制
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }
  
   // 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
 // librarySearchPath: 存放需要加载的 native 库的目录
 // parent: 父 ClassLoader
    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

由注释看可以发现PathClassLoader被用来加载本地文件系统上的文件或目录,因为它调用的 BaseDexClassLoader的第二个参数为null,即未传入优化后的Dex文件。

注意:Android 8.0之后,BaseClassLoader第二个参数为(optimizedDirectory)为null,所以DexClassLoader与PathClassLoader并无区别

DexClassLoader

代码语言:javascript
复制
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
   // 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
 // librarySearchPath: 存放需要加载的 native 库的目录
 // parent: 父 ClassLoader  
  public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

DexClassLoader用来加载jar、apk,其实还包括zip文件或者直接加载dex文件,它可以被用来执行未安装的代码或者未被应用加载过的代码,也就是我们修复过的代码。

注意:Android 8.0之后,BaseClassLoader第二个参数为(optimizedDirectory)为null,所以DexClassLoader与PathClassLoader并无区别

从上面我们可以看到,它们都继承于BaseDexClassLoader,并且它们真正的实现行为都是调用的父类方法,所以我们来看一下BaseDexClassLoader.

BaseDexClassLoader

代码语言:javascript
复制
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {

  private static volatile Reporter reporter = null;
 
  //核心关注点
   private final DexPathList pathList;

 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
 // librarySearchPath: 存放需要加载的 native 库的目录
 // parent: 父 ClassLoader
   public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
           String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
       //classloader,dex路径,目录列表,内部文件夹
       this(dexPath, optimizedDirectory, librarySearchPath, parent, false);
   }


   public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
           String librarySearchPath, ClassLoader parent, boolean isTrusted) {
       super(parent);
       this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);

       if (reporter != null) {
           reportClassLoaderChain();
       }
   }
  
  ...
 
    public BaseDexClassLoader(ByteBuffer[] dexFiles, ClassLoader parent) {
        // TODO We should support giving this a library search path maybe.
        super(parent);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexFiles);
    }
 
  //核心方法
    @Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
     //异常处理
        List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
     //这里也只是一个中转,关注点在 DexPathList
        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;
    }

 
  ...
}

从上面我们可以发现,BaseDexClassLoader其实也不是主要处理的类,所以我们继续去查找 DexPathList.

DexPathList

代码语言:javascript
复制
final class DexPathList {
  //文件后缀
 private static final String DEX_SUFFIX = ".dex";
 private static final String zipSeparator = "!/";

** class definition context */
private final ClassLoader definingContext;

//内部类 Element
private Element[] dexElements;

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
        String librarySearchPath, File optimizedDirectory) {
    this(definingContext, dexPath, librarySearchPath, optimizedDirectory, false);
}

DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
        String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
    if (definingContext == null) {
        throw new NullPointerException("definingContext == null");
    }

    if (dexPath == null) {
        throw new NullPointerException("dexPath == null");
    }

    if (optimizedDirectory != null) {
        if (!optimizedDirectory.exists())  {
            throw new IllegalArgumentException(
                    "optimizedDirectory doesn't exist: "
                    + optimizedDirectory);
        }

        if (!(optimizedDirectory.canRead()
                        && optimizedDirectory.canWrite())) {
            throw new IllegalArgumentException(
                    "optimizedDirectory not readable/writable: "
                    + optimizedDirectory);
        }
    }

    this.definingContext = definingContext;

    ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
    // save dexPath for BaseDexClassLoader
   //我们关注这个 makeDexElements 方法
    this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                                       suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
    this.nativeLibraryDirectories = splitPaths(librarySearchPath, false);
    this.systemNativeLibraryDirectories =
            splitPaths(System.getProperty("java.library.path"), true);
    List<File> allNativeLibraryDirectories = new ArrayList<>(nativeLibraryDirectories);
    allNativeLibraryDirectories.addAll(systemNativeLibraryDirectories);

    this.nativeLibraryPathElements = makePathElements(allNativeLibraryDirectories);

    if (suppressedExceptions.size() > 0) {
        this.dexElementsSuppressedExceptions =
            suppressedExceptions.toArray(new IOException[suppressedExceptions.size()]);
    } else {
        dexElementsSuppressedExceptions = null;
    }
}
  
  
  
static class Element {
 //dex文件为null时表示 jar/dex.jar文件
 private final File path;
 
 //android虚拟机文件在Android中的一个具体实现
 private final DexFile dexFile;

 private ClassPathURLStreamHandler urlHandler;
 private boolean initialized;

 /**
  * Element encapsulates a dex file. This may be a plain dex file (in which case dexZipPath
  * should be null), or a jar (in which case dexZipPath should denote the zip file).
  */
 public Element(DexFile dexFile, File dexZipPath) {
     this.dexFile = dexFile;
     this.path = dexZipPath;
 }

 public Element(DexFile dexFile) {
     this.dexFile = dexFile;
     this.path = null;
 }

 public Element(File path) {
   this.path = path;
   this.dexFile = null;
 }
 
 public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,
               List<Throwable> suppressed) {
        //核心点,DexFile
           return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
                   : null;
       }
  
 /**
  * Constructor for a bit of backwards compatibility. Some apps use reflection into
  * internal APIs. Warn, and emulate old behavior if we can. See b/33399341.
  *
  * @deprecated The Element class has been split. Use new Element constructors for
  *             classes and resources, and NativeLibraryElement for the library
  *             search path.
  */
 @Deprecated
 public Element(File dir, boolean isDirectory, File zip, DexFile dexFile) {
     System.err.println("Warning: Using deprecated Element constructor. Do not use internal"
             + " APIs, this constructor will be removed in the future.");
     if (dir != null && (zip != null || dexFile != null)) {
         throw new IllegalArgumentException("Using dir and zip|dexFile no longer"
                 + " supported.");
     }
     if (isDirectory && (zip != null || dexFile != null)) {
         throw new IllegalArgumentException("Unsupported argument combination.");
     }
     if (dir != null) {
         this.path = dir;
         this.dexFile = null;
     } else {
         this.path = zip;
         this.dexFile = dexFile;
     }
 }
  ...
}

  
  
 ...
//主要作用就是将 我们指定路径中所有文件转化为DexFile,同时存到Eelement数组中
//为什么要这样做?目的就是为了让findClass去实现
private static Element[] makeDexElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
  List<IOException> suppressedExceptions, ClassLoader loader, boolean isTrusted) {
  Element[] elements = new Element[files.size()];
  int elementsPos = 0;
  //遍历所有文件
  for (File file : files) {
      if (file.isDirectory()) {
          //如果存在文件夹,查找文件夹内部查询
          elements[elementsPos++] = new Element(file);
        //如果是文件
      } else if (file.isFile()) {
          String name = file.getName();
          DexFile dex = null;
        //判断是否是dex文件
          if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
              // Raw dex file (not inside a zip/jar).
              try {
                 //创建一个DexFile
                  dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
                  if (dex != null) {
                      elements[elementsPos++] = new Element(dex, null);
                  }
              } catch (IOException suppressed) {
                  System.logE("Unable to load dex file: " + file, suppressed);
                  suppressedExceptions.add(suppressed);
              }
          } else {
              try {
                  dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
              } catch (IOException suppressed) {
                  /*
                   * IOException might get thrown "legitimately" by the DexFile constructor if
                   * the zip file turns out to be resource-only (that is, no classes.dex file
                   * in it).
                   * Let dex == null and hang on to the exception to add to the tea-leaves for
                   * when findClass returns null.
                   */
                  suppressedExceptions.add(suppressed);
              }

              if (dex == null) {
                  elements[elementsPos++] = new Element(file);
              } else {
                  elements[elementsPos++] = new Element(dex, file);
              }
          }
          if (dex != null && isTrusted) {
            dex.setTrusted();
          }
      } else {
          System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
      }
  }
  if (elementsPos != elements.length) {
      elements = Arrays.copyOf(elements, elementsPos);
  }
  return elements;
}
  
  ---
 private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory, ClassLoader loader,
Element[] elements)throws IOException {
     //判断可复制文件夹是否为null
     if (optimizedDirectory == null) {
         return new DexFile(file, loader, elements);
     } else {
        //如果不为null,则进行解压后再创建
         String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
         return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0, loader, elements);
     }
 }
  
  -----
public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
    //遍历初始化好的DexFile数组,并由Element调用 findClass方法去生成
    for (Element element : dexElements) {
       //
        Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
        if (clazz != null) {
            return clazz;
        }
    }

    if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
        suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
    }
    return null;
}

上面的代码有点复杂,我摘取了其中一部分我们需要关注的点,便于我们进行分析:

在BaseDexClassLoader中,我们发现最终加载类的是由 DexPathList 来进行的,所以我们进入了 DexPathList 这个类中,我们可以发现 在初始化的时候,有一个关键方法需要我们注意 makeDexElements。而这个方法的主要作用就是将 我们指定路径中所有文件转化为 DexFile ,同时存到 Eelement 数组中。

而最开始调用的 DexPathList中的findClass() 反而是由Element 调用的 findClass方法,而Emement的findClass方法中实际上又是 DexFile 调用的 loadClassBinaryName 方法,所以带着这个疑问,我们进入 DexFile这个类一查究竟。

DexFile

代码语言:javascript
复制
public final class DexFile {
*
 If close is called, mCookie becomes null but the internal cookie is preserved if the close
 failed so that we can free resources in the finalizer.
/
@ReachabilitySensitive
private Object mCookie;

private Object mInternalCookie;
private final String mFileName;
...
DxFile(String fileName, ClassLoader loader, DexPathList.Element[] elements) throws IOException {
     mCookie = openDexFile(fileName, null, 0, loader, elements);
     mInternalCookie = mCookie;
     mFileName = fileName;
     //System.out.println("DEX FILE cookie is " + mCookie + " fileName=" + fileName);
 }
  
 //关注点在这里
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 {
       //这里调用了一个 JNI层方法
         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;
 }

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

我们从 loadClassBinaryName 方法中发现,调用了 defineClass 方法,最终又调用了 defineClassNative 方法,而 defineClassNative 方法是一个JNI层的方法,所以我们无法得知具体如何。但是我们思考一下,从开始的 BaseDexClassLoader一直到现在的 DexFile,我们一直从入口找到了最底下,不难猜测,这个 defineClassNative 方法内部就是 C/C++帮助我们以字节码或者别的生成我们需要的 dex文件,这也是最难的地方所在。

最后我们再用一张图来总结一下Android 中类加载的过程。

在了解完上面的知识之后,我们来总结一下,Android中热修复的原理?

Android中既然已经有了DexClassLoader和 PathClassLoader,那么我在加载过程中直接替换我自己的Dex文件不就可以了,也就是先加载我自己的Dex文件不就行了,这样不就实现了热修复。

热修复的注意事项

有了热修复,我们就可以为所欲为了吗?

开始讲骚话:

并不是,热修复受限于各种机型设备,而且也有失败的可能性,所以我们开发者,对于补丁包同样也要抱有敬畏之心。

对于热修复同样也由于严格的过程,但是我们日常开发至少要保证以下几点:

debug-> 打补丁包->开发设备测试->灰度下发(条件下发)->全量下发

下面针对我开发中遇到的问题,给出解决方案。

热修复与多渠道

多渠道打包使用 美团 的一键打包方案。补丁包的话,其实并不会影响,因为补丁包一般改动的代码相同,但前提是需要保证我们每个渠道基准包没问题。如果改动代码有区别,那就需要针对这个渠道单独打补了。

自动化构建与热修复

Android开发一般集成了 Jenkins 或者别的自动化打包工具,我们一般基准包都在 app/build/bakApk目录下,所以我们可以通过编写 shell 命令,在jenkins中打包时,将生成的基准包移动到一个特定的文件夹即可。tinker,Sophix都是支持服务器后台的,所以我们也可以通过自动化构建工具上传补丁包,如果相应的热修复框架不支持服务器管理的话,那么可以将补丁包上传的指定的文件夹,然后我们app打开时,访问我们的服务器接口下拉最新的补丁包,然后在service中合成。不过 Tinker(bugly), Sophix 都是支持后台管理,所以具体使用那种方案我们自行选择。

关于热修复的到这里就基本写完了,散散落落居然写了这么多,其实难的不是热修复,而是Android中类加载的过程及一些基础相关知识,理解了这些,我们才能真正明白那些优秀的框架到底是怎样去修复的。

如果本文有帮到你的地方,不胜荣幸。如果有什么地方有错误或者疑问,也欢迎大家提出。

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  • 什么是热修复?它可以帮我解决什么问题?
  • 热修复产生背景?
  • 热修复的原理是什么?
    • 源码解析
      • PathClassLoader
        • DexClassLoader
          • BaseDexClassLoader
            • DexPathList
              • DexFile
              • 热修复的注意事项
              • 热修复与多渠道
              • 自动化构建与热修复
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