Java中的ClassLoader是加載class文件，而Android中的虛擬機(jī)無(wú)論是dvm還是art都只能識(shí)別dex文件。
1 Android中的ClassLoader
因此Java中的ClassLoader在Android中不適用。Android中的java.lang.ClassLoader這個(gè)類也不同于Java中的java.lang.ClassLoader。
Android中的ClassLoader類型也可分為系統(tǒng)ClassLoader和自定義ClassLoader。
其中系統(tǒng)ClassLoader包括3種分別是：
- BootClassLoader，Android系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)使用BootClassLoader來(lái)預(yù)加載常用類，與Java中的Bootstrap ClassLoader不同的是，它并不是由C/C++代碼實(shí)現(xiàn)，而是由Java實(shí)現(xiàn)的。BootClassLoader是ClassLoader的一個(gè)內(nèi)部類。
-
PathClassLoader，全名是
dalvik/system.PathClassLoader，可以加載已經(jīng)安裝的Apk，也就是/data/app/package 下的apk文件，也可以加載/vendor/lib, /system/lib下的nativeLibrary。 -
DexClassLoader，全名是
dalvik/system.DexClassLoader，可以加載一個(gè)未安裝的apk文件。
PathClassLoader和DexClasLoader都是繼承自 dalviksystem.BaseDexClassLoader，它們的類加載邏輯全部寫在BaseDexClassLoader中。
Android中的ClassLoader中的繼承體系，其中SecureClassLoader和UrlClassLoader是在Java中的類加載器，在Android中是沒(méi)法辦使用的。
在MainActivity中打印當(dāng)前的ClassLoader
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
ClassLoader classLoader = getClassLoader();
while (classLoader != null) {
System.out.println("classLoader: " + classLoader);
classLoader = classLoader.getParent();
}
}
}
結(jié)果如下：
dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.sososeen09.classloadtest-1/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]]
java.lang.BootClassLoader@aced87d
從打印的結(jié)果也可以證實(shí)：App系統(tǒng)類加載器是PathClassLoader，而BootClassLoader是其parent類加載器。
2 ClassLoader源碼分析
在Android中我們主要關(guān)心的是PathClassLoader和DexClassLoader。
2.1 PathClassLoader
PathClassLoader用來(lái)操作本地文件系統(tǒng)中的文件和目錄的集合。并不會(huì)加載來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)中的類。Android采用這個(gè)類加載器一般是用于加載系統(tǒng)類和它自己的應(yīng)用類。這個(gè)應(yīng)用類放置在data/data/包名下。
package dalvik.system;
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, null, parent);
}
public PathClassLoader(String dexPath, String libraryPath,
ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, libraryPath, parent);
}
}
2.2 DexClassLoader
DexClassLoader可以加載一個(gè)未安裝的APK，也可以加載其它包含dex文件的JAR/ZIP類型的文件。
DexClassLoader需要一個(gè)對(duì)應(yīng)用私有且可讀寫的文件夾來(lái)緩存優(yōu)化后的class文件。而且一定要注意不要把優(yōu)化后的文件存放到外部存儲(chǔ)上，避免使自己的應(yīng)用遭受代碼注入攻擊。
package dalvik.system;
import java.io.File;
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String libraryPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, new File(optimizedDirectory), libraryPath, parent);
}
}
PathClassLoader和DexClassLoader除了構(gòu)造方法傳參不同，其它的邏輯都是一樣的。要注意的是DexClassLoader構(gòu)造方法第2個(gè)參數(shù)指的是dex優(yōu)化緩存路徑，這個(gè)值是不能為空的。而PathClassLoader對(duì)應(yīng)的dex優(yōu)化緩存路徑為null是因?yàn)锳ndroid系統(tǒng)自己決定了緩存路徑。
2.3 BaseDexClassLoader
BaseDexClassLoader的構(gòu)造方法有四個(gè)參數(shù)：
- dexPath，指的是在Androdi包含類和資源的jar/apk類型的文件集合，指的是包含dex文件。多個(gè)文件用“：”分隔開(kāi)，用代碼就是File.pathSeparator。
- optimizedDirectory，指的是odex優(yōu)化文件存放的路徑，可以為null，那么就采用默認(rèn)的系統(tǒng)路徑。
- libraryPath，指的是native庫(kù)文件存放目錄，也是以“：”分隔。
- parent，parent類加載器
可以看到，在BaseDexClassLoader類中初始化了DexPathList這個(gè)類的對(duì)象。這個(gè)類的作用是存放指明包含dex文件、native庫(kù)和優(yōu)化目錄。
# dalvik.system.BaseDexClassLoader
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
String libraryPath, ClassLoader parent) {
super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
}
dalvik.system.DexPathList封裝了dex路徑，是一個(gè)final類，而且訪問(wèn)權(quán)限是包權(quán)限，也就是說(shuō)外界不可繼承，也不可訪問(wèn)這個(gè)類。
2.4 DexPathList
BaseDexClassLoader在其構(gòu)造方法中初始化了DexPathList對(duì)象，我們來(lái)看一下DexPathList的源碼，我們需要重點(diǎn)關(guān)注一下它的成員變量dexElements，它是一個(gè)Element[]數(shù)組，是包含dex的文件集合。
Element是DexPathList的一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類。DexPathList的構(gòu)造方法有4個(gè)參數(shù)。從其構(gòu)造方法中也可以看到傳遞過(guò)來(lái)的classLoader對(duì)象和dexPath不能為null，否則就拋出空指針異常。
# dalvik.system.DexPathList
private final Element[] dexElements;
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String libraryPath, File optimizedDirectory) {
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);
}
// 如果文件不是可讀可寫的也會(huì)拋出異常
if (!(optimizedDirectory.canRead()
&& optimizedDirectory.canWrite())) {
throw new IllegalArgumentException(
"optimizedDirectory not readable/writable: "
+ optimizedDirectory);
}
}
this.definingContext = definingContext;
ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
// 通過(guò)makeDexElements方法來(lái)獲取Element數(shù)組
// splitDexPath(dexPath)方法是用來(lái)把我們之前按照“：”分隔的路徑轉(zhuǎn)為File集合。
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions);
if (suppressedExceptions.size() > 0) {
this.dexElementsSuppressedExceptions =
suppressedExceptions.toArray(new IOException[suppressedExceptions.size()]);
} else {
dexElementsSuppressedExceptions = null;
}
this.nativeLibraryDirectories = splitLibraryPath(libraryPath);
}
makeDexElements方法的作用是獲取一個(gè)包含dex文件的元素集合。
# dalvik.system.DexPathList
private static Element[] makeDexElements(ArrayList<File> files, File optimizedDirectory,
ArrayList<IOException> suppressedExceptions) {
ArrayList<Element> elements = new ArrayList<Element>();
// 遍歷打開(kāi)所有的文件并且加載直接或者間接包含dex的文件。
for (File file : files) {
File zip = null;
DexFile dex = null;
String name = file.getName();
if (file.isDirectory()) {
// We support directories for looking up resources.
// This is only useful for running libcore tests.
// 可以發(fā)現(xiàn)它是支持傳遞目錄的，但是說(shuō)只測(cè)試libCore的時(shí)候有用
elements.add(new Element(file, true, null, null));
} else if (file.isFile()){
// 如果文件名后綴是.dex，說(shuō)明是原始dex文件
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
// Raw dex file (not inside a zip/jar).
try {
//調(diào)用loadDexFile()方法，加載dex文件，獲得DexFile對(duì)象
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
} catch (IOException ex) {
System.logE("Unable to load dex file: " + file, ex);
}
} else {
// dex文件包含在其它文件中
zip = file;
try {
// 同樣調(diào)用loadDexFile()方法
dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
} catch (IOException suppressed) {
// 和加載純dex文件不同的是，會(huì)把異常添加到異常集合中
/*
* 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);
}
}
} else {
System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
}
// 如果zip或者dex二者一直不為null，就把元素添加進(jìn)來(lái)
// 注意，現(xiàn)在添加進(jìn)來(lái)的zip存在不為null也不包含dex文件的可能。
if ((zip != null) || (dex != null)) {
elements.add(new Element(file, false, zip, dex));
}
}
return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
}
通過(guò)上面的代碼也可以看到，加載一個(gè)dex文件調(diào)用的是loadDexFile()方法。
# dalvik.system.DexPathList
private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory)
throws IOException {
// 如果緩存存放目錄為null就直接創(chuàng)建一個(gè)DexFile對(duì)象返回
if (optimizedDirectory == null) {
return new DexFile(file);
} else {
// 根據(jù)緩存存放目錄和文件名得到一個(gè)優(yōu)化后的緩存文件路徑
String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
// 調(diào)用DexFile的loadDex()方法來(lái)獲取DexFile對(duì)象。
return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0);
}
}
DexFile的loadDex()方法如下，內(nèi)部也做了一些調(diào)用。拋開(kāi)這些細(xì)節(jié)來(lái)講，它的作用就是加載DexFile文件，而且會(huì)把優(yōu)化后的dex文件緩存到對(duì)應(yīng)目錄。
# dalvik.system.DexFile
static public DexFile loadDex(String sourcePathName, String outputPathName,
int flags) throws IOException {
/*
* TODO: we may want to cache previously-opened DexFile objects.
* The cache would be synchronized with close(). This would help
* us avoid mapping the same DEX more than once when an app
* decided to open it multiple times. In practice this may not
* be a real issue.
*/
//loadDex方法內(nèi)部就是調(diào)用了DexFile的一個(gè)構(gòu)造方法
return new DexFile(sourcePathName, outputPathName, flags);
}
private DexFile(String sourceName, String outputName, int flags) throws IOException {
if (outputName != null) {
try {
String parent = new File(outputName).getParent();
if (Libcore.os.getuid() != Libcore.os.stat(parent).st_uid) {
throw new IllegalArgumentException("Optimized data directory " + parent
+ " is not owned by the current user. Shared storage cannot protect"
+ " your application from code injection attacks.");
}
} catch (ErrnoException ignored) {
// assume we'll fail with a more contextual error later
}
}
mCookie = openDexFile(sourceName, outputName, flags);
mFileName = sourceName;
guard.open("close");
//System.out.println("DEX FILE cookie is " + mCookie + " sourceName=" + sourceName + " outputName=" + outputName);
}
private static long openDexFile(String sourceName, String outputName, int flags) throws IOException {
// Use absolute paths to enable the use of relative paths when testing on host.
return openDexFileNative(new File(sourceName).getAbsolutePath(),
(outputName == null) ? null : new File(outputName).getAbsolutePath(),
flags);
}
private static native long openDexFileNative(String sourceName, String outputName, int flags);
分析到這，我們可以小結(jié)一下：在BaseDexClassLoader對(duì)象構(gòu)造方法內(nèi)，創(chuàng)建了PathDexList對(duì)象。而在PathDexList構(gòu)造方法內(nèi)部，通過(guò)調(diào)用一系列方法，把直接包含或者間接包含dex的文件解壓縮并緩存優(yōu)化后的dex文件，通過(guò)PathDexList的成員變量 Element[] dexElements來(lái)指向這個(gè)文件。
2.5 ClassLoader的loadeClass()
Java類加載器，類加載是按需加載，也就是說(shuō)當(dāng)明確需要使用class文件的時(shí)候才會(huì)加載。
在Android中ClassLoader的loadeClass()方法。
與在Java中的loadClass()方法主要流程是類似的，不過(guò)因?yàn)锳ndroid中BootClassLoader是用Java代碼寫的，所以可以直接當(dāng)作系統(tǒng)類加載器的parent類加載器。
在Android中如果parent類加載器找不到類，最終還是會(huì)調(diào)用ClassLoader對(duì)象自己的findClass()方法。
protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
if (clazz == null) {
ClassNotFoundException suppressed = null;
try {
clazz = parent.loadClass(className, false);
} catch (ClassNotFoundException e) {
suppressed = e;
}
if (clazz == null) {
try {
clazz = findClass(className);
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.addSuppressed(suppressed);
throw e;
}
}
}
return clazz;
}
我們可以去看一下BaseDexClassLoader類的findClass()方法。
# dalvik.system.BaseDexClassLoader
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
// 調(diào)用DexPathList對(duì)象的findClass()方法
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;
}
可以看到，實(shí)際上BaseDexClassLoader調(diào)用的是其成員變量DexPathList pathList的findClass()方法。
# dalvik.system.DexPathList
public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
// 遍歷Element
for (Element element : dexElements) {
// 獲取DexFile，然后調(diào)用DexFile對(duì)象的loadClassBinaryName()方法來(lái)加載Class文件。
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;
}
從上面的代碼中我們也可以看到，實(shí)際上DexPathList最終還是遍歷其自身的Element[]數(shù)組，獲取DexFile對(duì)象來(lái)加載Class文件。我們之前講DexPathList構(gòu)造方法內(nèi)是調(diào)用其makeDexElements()方法來(lái)創(chuàng)建Element[]數(shù)組的，而且也提到了如果zip文件或者dex文件二者之一不為null，就把元素添加進(jìn)來(lái)，而添加進(jìn)來(lái)的zip存在不為null也不包含dex文件的可能。從上面的代碼中也可以看到，獲取Class的時(shí)候跟這個(gè)zip文件沒(méi)什么關(guān)系，調(diào)用的是dex文件對(duì)應(yīng)的DexFile的方法來(lái)獲取Class。
數(shù)組的遍歷是有序的，假設(shè)有兩個(gè)dex文件存放了二進(jìn)制名稱相同的Class，類加載器肯定就會(huì)加載在放在數(shù)組前面的dex文件中的Class。現(xiàn)在很多熱修復(fù)技術(shù)就是把修復(fù)的dex文件放在DexPathList中Element[]數(shù)組的前面，這樣就實(shí)現(xiàn)了修復(fù)后的Class搶先加載了，達(dá)到了修改bug的目的。
2.6 DexFile的defineClass()
Android加載一個(gè)Class是調(diào)用DexFile的defineClass()方法。而不是調(diào)用ClassLoader的defineClass()方法。這一點(diǎn)與Java不同，畢竟Android虛擬機(jī)加載的dex文件，而不是class文件。
# dalvik.system.DexFile
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
return defineClass(name, loader, mCookie, suppressed);
}
private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, long cookie,
List<Throwable> suppressed) {
Class result = null;
try {
result = defineClassNative(name, loader, cookie);
} catch (NoClassDefFoundError e) {
if (suppressed != null) {
suppressed.add(e);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
if (suppressed != null) {
suppressed.add(e);
}
}
return result;
}
在Android中ClassLoader的defineClass()方法已經(jīng)不能用了。可以看到它的方法體里直接拋出異常了，而且在BaseDexClassLoader中也沒(méi)有重寫這個(gè)方法，畢竟BaseDexClassLoader加載類的邏輯已經(jīng)變了。
# java.lang.ClassLoader
protected final Class<?> defineClass(String className, byte[] classRep, int offset, int length,
ProtectionDomain protectionDomain) throws java.lang.ClassFormatError {
throw new UnsupportedOperationException("can't load this type of class file");
}
Android中加載一個(gè)類是遍歷PathDexList的Element[]數(shù)組，這個(gè)Element包含了DexFile，調(diào)用DexFile的方法來(lái)獲取Class文件，如果獲取到了Class，就跳出循環(huán)。否則就在下一個(gè)Element中尋找Class。
4使用DexClassLoader加載類
寫一個(gè)Test類
class Test {
public Test() {
}
public void print() {
System.out.println("this is Test Class");
}
}
通過(guò)javac命令生成class文件，然后通過(guò)Android中的dex工具生成dex文件。
為了方便測(cè)試，我把生成的dex文件放在了assets文件中。
測(cè)試的時(shí)候，先把a(bǔ)ssets中的classes.dex文件復(fù)制到本地一個(gè)目錄。
主要代碼如下：
// 1. 先把a(bǔ)ssets中的classes.dex文件復(fù)制到一個(gè)本地目錄中
File originDex = null;
try {
InputStream open = getAssets().open("classes.dex");
File dexOutputDir = getCacheDir();
originDex = new File(dexOutputDir, "classes.dex");
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(originDex);
byte[] bytes = new byte[1024];
int len = 0;
while ((len = open.read(bytes)) != -1) {
fileOutputStream.write(bytes, 0, len);
}
fileOutputStream.close();
open.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
// 2. 創(chuàng)建DexClassLoader加載dex文件中的類
if (originDex != null) {
File dexOptimizeDir = getDir("dex", Context.MODE_PRIVATE);
String dexOutputPath = dexOptimizeDir.getAbsolutePath();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(originDex.getAbsolutePath(), dexOutputPath, null, getClassLoader());
try {
Class<?> clazz = dexClassLoader.loadClass("com.sososeen09.Test");
System.out.println("loaded class: " + clazz);
System.out.println("class loader: " + clazz.getClassLoader());
System.out.println("class loader parent: " + clazz.getClassLoader().getParent());
Constructor constructor = clazz.getConstructor();
constructor.setAccessible(true);
Object o = constructor.newInstance();
Method print = clazz.getDeclaredMethod("print");
print.setAccessible(true);
print.invoke(o);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
打印結(jié)果：
I/System.out: loaded class: class com.sososeen09.Test
I/System.out: class loader: dalvik.system.DexClassLoader[DexPathList[[dex file "/data/data/com.sososeen09.android_basic_knowledge/cache/classes.dex"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]]
I/System.out: class loader parent: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/base.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.sososeen09.android_basic_knowledge-2/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]]
I/System.out: this is Test Class
可以看到我們通過(guò)DexClassLoader對(duì)象正確的加載到了我們自己的dex文件中的類。
4. 總結(jié)
Android中的類加載器是BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader，其中BootClassLoader是虛擬機(jī)加載系統(tǒng)類需要用到的，PathClassLoader是App加載自身dex文件中的類用到的，DexClassLoader可以加載直接或間接包含dex文件的文件，如APK等。
PathClassLoader和DexClassLoader都繼承自BaseDexClassLoader，它的一個(gè)DexPathList類型的成員變量pathList很重要。DexPathList中有一個(gè)Element類型的數(shù)組dexElements，這個(gè)數(shù)組中存放了包含dex文件（對(duì)應(yīng)的是DexFile）的元素。BaseDexClassLoader加載一個(gè)類，最后調(diào)用的是DexFile的方法進(jìn)行加載的。
無(wú)論是熱修復(fù)還是插件化技術(shù)中都利用了類加載機(jī)制，所以深入理解Android中的類加載機(jī)制對(duì)于理解這些技術(shù)的原理很有幫助。
