熱更新是Android工程師必學的技能之一，其理論基礎就是ClassLoader類加載器。
我們知道，在Java程序中JVM虛擬機通過類加載器ClassLoader來加載class文件和jar文件（本質還是class文件）。Android與Java類似，只不過Android使用的是Dalvik/ART虛擬機，加載的是dex文件，即一種對class文件優化的產物。Android中類加載器分為兩種類型，分別是系統ClassLoader和自定義ClassLoader，其中系統ClassLoader包括三種分別是BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。
一、Android中的ClassLoader
從上圖中ClassLoader的繼承關系可知：
- ClassLoader是一個抽象類，其中定義了ClassLoader的主要功能；
- BootClassLoader是ClassLoader的內部類，用于預加載preload()常用類以及一些系統Framework層級需要的類；
- BaseDexClassLoader繼承ClassLoader，是抽象類ClassLoader的具體實現類，PathClassLoader和DexClassLoader都繼承它；
- PathClassLoader加載系統類和應用程序的類，如果是加載非系統應用程序類，則會加載data/app/目錄下的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件；
- DexClassLoader可以加載自定義的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件，也支持從SD卡進行加載。
1.1 抽象類ClassLoader
public abstract class ClassLoader {
private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
this.parent = parent;
}
protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
this(checkCreateClassLoader(), parent);
}
protected ClassLoader() {
this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
}
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
return SystemClassLoader.loader;
}
static private class SystemClassLoader {
public static ClassLoader loader = ClassLoader.createSystemClassLoader();
}
private static ClassLoader createSystemClassLoader() {
String classPath = System.getProperty("java.class.path", ".");
String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", "");
return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());
}
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
return loadClass(name, false);
}
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;
}
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
}
從ClassLoader源碼的可知，其構造函數分為2中，一種是顯示傳入一個父類構造器，另一種是無參默認構造。同時，在默認無父構造器傳入的情況下，默認父構造器為一個PathClassLoader。
loadClass()方法是ClassLoader的核心方法，我們從中可以看到在加載類時，首先判斷這個類之前是否已經被加載過，如果已經被加載過則直接返回，如果沒有則委托其父加載器進行查找，這樣依次的進行遞歸，直到委托到最頂層的BootClassLoader，如果BootClassLoader找到了該Class，就會直接返回，如果沒找到，則繼續依次向下查找，如果還沒找到則最后會交由自身去查找，這就是所謂的雙親委派模型。
雙親委派模型優點：
- 可以避免重復加載，如果已經加載過一次Class，就不需要再次加載；
- 更加安全，因為只有兩個類名一致并且被同一個類加載器加載的類，虛擬機才會認為它們是同一個類。
1.2 BootClassLoader
Android系統啟動時會使用BootClassLoader來預加載常用類，其核心代碼如下所示。
class BootClassLoader extends ClassLoader {
private static BootClassLoader instance;
@FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new BootClassLoader();
}
return instance;
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
return Class.classForName(name, false, null);
}
@Override
protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
if (clazz == null) {
clazz = findClass(className);
}
return clazz;
}
}
由BootClassLoader源碼可知，BootClassLoader是ClassLoader的內部類，并繼承自ClassLoader。同時，BootClassLoader是一個單例，且訪問修飾符是默認的，只有在同一個包中才可以訪問，因此我們在應用程序中無法直接調用。
1.3 PathClassLoader
Android系統使用PathClassLoader來加載系統類和應用程序的類，也就是說App安裝到手機后，apk里面的class.dex均是通過PathClassLoader來加載的，其源代碼如下。
/**
* Provides a simple {@link ClassLoader} implementation that operates on a list
* of files and directories in the local file system, but does not attempt to
* load classes from the network. Android uses this class for its system class
* loader and for its application class loader(s).
*/
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, null, parent);
}
public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent){
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}
由其源碼可知，PathClassLoader繼承自BaseDexClassLoader，構造方法都直接調用了其父類的構造方法，很明顯PathClassLoader的方法實現都在BaseDexClassLoader中。
下面我們重點來分析一下BaseDexClassLoader，首先一起來看下它的核心源碼。
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
private final DexPathList pathList;
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
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);
...
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
...
Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
...
return c;
}
}
首先解釋一下BaseDexClassLoader的構造方法參數：
- dexPath：包含類和資源的jar / apk文件列表，由 File.pathSeparator分隔，在Android上默認為":"。
- optimizedDirectory：由于dex文件被包含在apk或者jar文件中，因此在類加載之前需要先從apk或jar文件中解壓出dex文件，該參數就是制定解壓出的dex 文件存放的路徑。
- librarySearchPath：指目標類中所使用的C/C++庫存放的路徑，可以為null。
- parent：父ClassLoader引用。
我們可以看到，在BaseDexClassLoader的構造過程中，創建了一個DexPathList對象，并將其賦值給成員變量pathList。同時，BaseDexClassLoader重寫了findClass()方法，通過該方法進行類查找的時候，會委托給pathList對象的findClass()方法進行相應的類查找。
那么，顯然我們需要繼續分析一下DexPathList的源碼實現。
final class DexPathList {
private Element[] dexElements;
DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted) {
...
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
...
}
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;
for (File file : files) {
if (file.isDirectory()) {
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else if (file.isFile()) {
String name = file.getName();
DexFile dex = null;
if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
// Raw dex file (not inside a zip/jar).
try {
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) {
suppressedExceptions.add(suppressed);
}
if (dex == null) {
elements[elementsPos++] = new Element(file);
} else {
elements[elementsPos++] = new Element(dex, file);
}
}
} else {
System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
}
}
return elements;
}
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;
}
}
由DexPathList的源碼可知，在DexPathList構造方法中，通過makeDexElements()方法初始化Element數組并將其賦值給成員變量dexElements。而且，通過makeDexElements()方法源碼我們可以看到它所做的事情就是遍歷傳遞過來的dexPath，然后依次加載每個dex文件。
那么，通過上面的分析，現在應該就很明了了，下面總結一下類加載過程：
- PathClassLoader調用父類BaseDexClassLoader的構造方法；
- BaseDexClassLoader構造方法創建DexPathList對象并賦值給成員變量pathList；
- DexPathList構造方法中通過makeDexElements()方法遍歷傳遞過來的dexPath，然后依次加載每個dex文件，并把Element數組賦值給成員變量dexElements；
- BaseDexClassLoader通過findClass()方法進行類查找，實際是委托給pathList對象的findClass()方法進行類查找，最終是直接遍歷DexPathList 類中成員變量dexElements，然后通過調用element.dexFile對象上的loadClassBinaryName方法來加載類，如果返回值不是null，就表示加載類成功，并將這個Class對象返回。
1.4 DexClassLoader
DexClassLoader可以加載自定義的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件，也支持從SD卡進行加載，其源碼如下。
/**
* A class loader that loads classes from {@code .jar} and {@code .apk} files
* containing a {@code classes.dex} entry. This can be used to execute code not
* installed as part of an application.
*/
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}
由其源碼可知，DexClassLoader同樣繼承自BaseDexClassLoader，構造方法直接調用了其父類的構造方法，同樣DexClassLoader的方法實現都在BaseDexClassLoader中。
那么，對比一下PathClassLoader，DexClassLoader與其不同的點就在于它可以加載任意目錄下的dex/jar/apk/zip文件，比PathClassLoader更加靈活，是實現熱修復和插件化技術的重點。
二、Android熱更新實現原理
Android熱更新技術是以ClassLoader類加載為基礎的，經過上面對BootClassLoader、PathClassLoader、DexClassLoader、BaseDexClassLoader、DexPathList的分析，我們可以看出來DexPathList對象中的dexElements數組是類加載的一個核心。
通過以上對類加載流程的分析，可以看出一個類加載時會先從DexPathList對象中的dexElements數組中獲取，如果一個類能夠被成功加載，那么它的dex一定會出現在dexElements所對應的dex文件中。同時，由于采用的是數組遍歷的方式，所以dexElements中dex出現的順序也非常重要，在dexElements前面出現的dex會被優先加載，一旦Class被加載成功， 就會立即返回。也就是說，我們如果想實現熱更新，就一定要保證我們的熱更新dex文件出現在原先dexElements數組之前。
到此為止，那么我們的目標就很明確了，就是要在運行時去修改PathClassLoader.pathList.dexElements，具體實現步驟如下：
- 通過構造一個DexClassLoader對象來加載我們的熱更新dex文件；
- 通過反射獲取系統默認的PathClassLoader.pathList.dexElements；
- 將我們的熱更新dex與系統默認的Elements數組合并，同時保證熱更新dex在系統默認Elements數組之前；
- 將合并完成后的數組設置回PathClassLoader.pathList.dexElements。
