Android热修复及插件化原理示例详解
作者：baima
1.前言
热修复一直是这几年来很热门的话题，主流方案大致有两种，一种是微信Tinker的dex文件替换，另一种是阿里的Native层的方法替换。这里重点介绍Tinker的大致原理。
2.类加载机制
介绍Tinker原理之前，我们先来回顾一下类加载机制。
我们编译好的class文件，需要先加载到虚拟机然后才会执行，这个过程是通过ClassLoader来完成的。
双亲委派模型：
- 1.加载某个类的时候，这个类加载器不会自己立刻去加载，它会委托给父类去加载
- 2.如果这个父类还存在父类加载器，则进一步委托，直到最顶层的类加载器
- 3.如果父类加载器可以完成加载任务，就成功返回，否则就再委派给子类加载器
- 4.如果都未加载成功就抛出ClassNotFoundException
作用：
1.避免类的重复加载。
比如有两个类加载器，他们都要加载同一个类，这时候如果不是委托而是自己加载自己的，则会将类重复加载到方法区。
2.避免核心类被修改。
比如我们在自定义一个 java.lang.String 类，执行的时候会报错，因为 String 是 java.lang 包下的类，应该由启动类加载器加载。
JVM并不会一开始就加载所有的类，它是当你使用到的时候才会去通知类加载器去加载。
3.Android类加载
当我们new一个类时，首先是Android的虚拟机（Dalvik/ART虚拟机）通过ClassLoader去加载dex文件到内存。
Android中的ClassLoader主要是PathClassLoader和DexClassLoader,这两者都继承自BaseDexClassLoader。它们都可以理解成应用类加载器。
PathClassLoader和DexClassLoader的区别：
- PathClassLoader只能指定加载apk包路径，不能指定dex文件解压路径。该路径是写死的在/data/dalvik-cache/路径下。所以只能用于加载已安装的apk。
- DexClassLoader可以指定apk包路径和dex文件解压路径（加载jar、apk、dex文件）
当ClassLoader加载类时，会调用它的findclass方法去查找该类。
下方是BaseDexClassLoader的findClass方法实现：
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
...
@UnsupportedAppUsage
private final DexPathList pathList;
...
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
// 首先检查该类是否存在shared libraries中.
if (sharedLibraryLoaders != null) {
for (ClassLoader loader : sharedLibraryLoaders) {
try {
return loader.loadClass(name);
} catch (ClassNotFoundException ignored) {
}
}
}
//再调用pathList.findClass去查找该类，结果为null则抛出错误。
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;
}
}
接下来我们再来看看DexPathList的findClass实现：
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String librarySearchPath) {
...
/**
* List of dex/resource (class path) elements.
* 存放dex文件的一个数组
*/
@UnsupportedAppUsage
private Element[] dexElements;
...
public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
//遍历Element数组，去查寻对应的类，找到后就立刻返回了
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;
}
...
}
4.Tinker原理
- 1.使用DexClassLoader加载补丁包的dex文件
- 2.通过反射获取DexClassLoader类的pathList，再次通过反射获得dexElements数组。
- 3.获取加载应用类的PathClassLoader，同样通过反射获取它的dexElements数组。
- 4.合并两个dexElements数组，且将补丁包的dex文件放在前面。
根据类加载机制，一个类只会被加载一次，DexPathList.findClass方法中是顺序遍历数组，所以将补丁的dex文件放在前面，这样bug修复类会被优先加载，而原来的bug类不会被加载，达到了替换bug类的功能（补丁包中的修复类名、包名要和bug类相同） - 5.再次通过反射将合并后的dexElements数组赋值给PathClassLoader.dexElements属性。
加载类时，Dalvik/ART虚拟机会通过PathClassLoader去查找已安装的apk文件中的类。
Ok，这样就替换成功了，重启App，再调用原来的bug类，将会优先使用补丁包中的修复类。
为什么要重启：因为双亲委派模型，一个类只会被ClassLoader加载一次，且加载过后的类不能卸载。
代码实现
接下来我们动手撸一个乞丐版的Tinker。
首先我们写一个bug类。
package com.baima.plugin;
class BugClass {
public String getTitle(){
return "这是个Bug";
}
}
接着我们新建一个module来生成补丁包apk。
创建bug修复类，注意包名类名要一样。
package com.baima.plugin;
class BugClass {
public String getTitle(){
return "修复成功";
}
}
生成补丁apk，让用户下载这个补丁包。接下来就是加载这个apk文件并替换了。
public void loadDexAndInject(Context appContext, String dexPath, String dexOptPath) {
try {
// 加载应用程序dex的Loader
PathClassLoader pathLoader = (PathClassLoader) appContext.getClassLoader();
//dexPath 补丁dex文件所在的路径
//dexOptPath 补丁dex文件被写入后存放的路径
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(dexPath, dexOptPath, null, pathLoader);
//利用反射获取DexClassLoader和PathClassLoader的pathList属性
Object dexPathList = getPathList(dexClassLoader);
Object pathPathList = getPathList(pathLoader);
//同样用反射获取DexClassLoader和PathClassLoader的dexElements属性
Object leftDexElements = getDexElements(dexPathList);
Object rightDexElements = getDexElements(pathPathList);
//合并两个数组，且补丁包的dex文件在数组的前面
Object dexElements = combineArray(leftDexElements, rightDexElements);
//反射将合并后的数组赋值给PathClassLoader的pathList.dexElements
Object pathList = getPathList(pathLoader);
Class<?> pathClazz = pathList.getClass();
Field declaredField = pathClazz.getDeclaredField("dexElements");
declaredField.set看，ccessible(true);
declaredField.set(pathList, dexElements);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static Object getPathList(Object classLoader) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Class<?> cl = Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
Field field = cl.getDeclaredField("pathList");
field.setAccessible(true);
return field.get(classLoader);
}
private static Object getDexElements(Object pathList) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Class<?> cl = pathList.getClass();
Field field = cl.getDeclaredField("dexElements");
field.setAccessible(true);
return field.get(pathList);
}
private static Object combineArray(Object arrayLeft, Object arrayRight) {
Class<?> clazz = arrayLeft.getClass().getComponentType();
int i = Array.getLength(arrayLeft);
int j = Array.getLength(arrayRight);
int k = i + j;
Object result = Array.newInstance(clazz, k);// 创建一个类型为clazz，长度为k的新数组
System.arraycopy(arrayLeft, 0, result, 0, i);
System.arraycopy(arrayRight, 0, result, i, j);
return result;
}
ok,乞丐版Tinker完成了，使用时先在Splash界面检查是否有插件补丁，有的话执行替换，这时你再使用bug类会发现它已经被替换成补丁中的修复类了。
5.插件化
插件化开发模式，打包时是一个宿主apk+多个插件apk。
组件化开发模式，打包时是一个apk，里面分多个module。
优点:
- 安装的主apk包会小好多
- 给开发者提供了业务功能扩展，并且不需要用户进行更新
- 在非主apk包中的功能出现BUG时，可以及时修复
- 用户不需要的功能，完全就不会出现在系统里面，减轻设备的负担
需要掌握的知识：
- 1.类加载机制
- 2.四大组件启动流程
- 3.AIDL、Binder机制
- 4.Hook、反射、代理
5.1 Activity启动流程简单介绍
上图是普通的Activity启动流程，和根Activity启动流程的区别是不用创建应用程序进程（Application Thread）。
启动过程：
- 应用程序进程中的Activity向AMS请求创建普通Activity
- AMS会对这个Activty的生命周期管和栈进行管理，校验Activity等等
- 如果Activity满足AMS的校验，AMS就会请求应用程序进程中的ActivityThread去创建并启动普通Activity
他们之间的跨进程通信是通过Binder实现的。
5.2 插件化原理
通过上面介绍的热修复，我们有办法去加载插件apk里面的类，但是还没有办法去启动插件中的Activity，因为如果要启动一个Activity，那么这个Activity必须在AndroidManifest.xml中注册。
这里介绍插件化的一种主流实现方式--Hook技术。
- 1.宿主App预留占坑Activity
- 2.使用classLoader加载dex文件到内存
- 3.先使用占坑Activity绕过AMS验证，接着用插件Activity替换占坑的Activity。
步骤1、2这里就不在赘述了，2就是上面讲到的热修复技术。
5.2.1 绕开验证
AMS是在SystemServer进程中，我们无法直接进行修改，只能在应用程序进程中做文章。
介绍一个类--IActivityManager，IActivityManager它通过AIDL（内部使用的是Binder机制）和SystemServer进程的AMS通讯。所以IActivityManager很适合作为一个hook点。
Activity启动时会调用IActivityManager.startActivity方法向AMS发出启动请求，该方法参数包含一个Intent对象，它是原本要启动的Activity的Intent。
我们可以动态代理IActivityManager的startActivity方法，将该Intent换为占坑Activity的Intent，并将原来的Intent作为参数传递过去，以此达到欺骗AMS绕开验证。
public class IActivityManagerProxy implements InvocationHandler {
private Object mActivityManager;
private static final String TAG = "IActivityManagerProxy";
public IActivityManagerProxy(Object activityManager) {
this.mActivityManager = activityManager;
}
@Override
public Object invoke(Object o, Method method, Object[] args) throws Throwable {
if ("startActivity".equals(method.getName())) {
Intent intent = null;
int index = 0;
for (int i = 0; i < args.length; i++) {
if (args[i] instanceof Intent) {
index = i;
break;
}
}
intent = (Intent) args[index];
Intent subIntent = new Intent();
String packageName = "com.example.pluginactivity";
subIntent.setClassName(packageName,packageName+".StubActivity");
subIntent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENT, intent);
args[index] = subIntent;
}
return method.invoke(mActivityManager, args);
}
}
接下来就通过反射的方式，将ActivityManager中的IActivityManager替换成我们的代理对象。
public void hookAMS() {
try {
Object defaultSingleton = null;
if (Build.VERSION.SDK_INT >= 26) {
Class<?> activityManagerClazz = Class.forName("android.app.ActivityManager");
defaultSingleton = FieldUtil.getObjectField(activityManagerClazz, null, "IActivityManagerSingleton");
} else {
Class<?> activityManagerNativeClazz = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative");
defaultSingleton = FieldUtil.getObjectField(activityManagerNativeClazz, null, "gDefault");
}
Class<?> singletonClazz = Class.forName("android.util.Singleton");
Field mInstanceField = FieldUtil.getField(singletonClazz, "mInstance");
Object iActivityManager = mInstanceField.get(defaultSingleton);
Class<?> iActivityManagerClazz = Class.forName("android.app.IActivityManager");
Object proxy = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(), new Class<?>[]{iActivityManagerClazz}, new IActivityManagerProxy(iActivityManager));
mInstanceField.set(defaultSingleton, proxy);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
Note: 这里获取IActivityManager实例会因为Android版本不同而不同，具体获取方法就需要去看源码了解了。这里的代码Android 8.0是可以运行的。
5.2.2还原插件Activity
ActivityThread启动Activity的过程如下所示：
ActivityThread会通过H在主线程中去启动Activity,H类是ActivityThread的内部类并继承自Handler。
private class H extends Handler {
public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
public static final int PAUSE_ACTIVITY = 101;
...
public void handleMessage(Message msg) {
if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, ">>> handling: " + codeToString(msg.what));
switch (msg.what) {
case LAUNCH_ACTIVITY: {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStart");
final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;
r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
} break;
...
}
...
}
H中重写的handleMessage方法会对LAUNCH_ACTIVITY类型的消息进行处理，最终会调用Activity的onCreate方法。那么在哪进行替换呢？接着来看Handler的dispatchMessage方法：
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
}
}
Handler的dispatchMessage用于处理消息，可以看到如果Handler的Callback类型的mCallback不为null，就会执行mCallback的handleMessage方法。因此，mCallback可以作为Hook点，我们可以用自定义的Callback来替换mCallback，自定义的Callback如下所示。
public class HCallback implements Handler.Callback{
public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
Handler mHandler;
public HCallback(Handler handler) {
mHandler = handler;
}
@Override
public boolean handleMessage(Message msg) {
if (msg.what == LAUNCH_ACTIVITY) {
Object r = msg.obj;
try {
//得到消息中的Intent(启动占坑Activity的Intent)
Intent intent = (Intent) FieldUtil.getField(r.getClass(), r, "intent");
//得到此前保存起来的Intent(启动插件Activity的Intent)
Intent target = intent.getParcelableExtra(HookHelper.TARGET_INTENT);
//将占坑Activity的Intent替换为插件Activity的Intent
intent.setComponent(target.getComponent());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
mHandler.handleMessage(msg);
return true;
}
}
最后一步就是用反射将我们自定义的callBack设置给ActivityThread.sCurrentActivityThread.mH.mCallback。
public void hookHandler() {
try {
Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Object currentActivityThread = FieldUtil.getObjectField(activityThreadClass, null, "sCurrentActivityThread");
Field mHField = FieldUtil.getField(activityThreadClass, "mH");
Handler mH = (Handler) mHField.get(currentActivityThread);
FieldUtil.setObjectField(Handler.class, mH, "mCallback", new HCallback(mH));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
其实要想启动一个Activity到这步还没有完，一个完整的Activity应该还需要布局文件，而我们的宿主APP并不会包含插件的资源。
5.3 加载插件资源
5.3.1 Resources&AssetManager
android中的资源大致分为两类：一类是res目录下存在的可编译的资源文件，比如anim，string之类的，第二类是assets目录下存放的原始资源文件。因为Apk编译的时候不会编译这些文件，所以不能通过id来访问，当然也不能通过绝对路径来访问。于是Android系统让我们通过Resources的getAssets方法来获取AssetManager，利用AssetManager来访问这些文件。
其实Resource的getString, getText等各种方法都是通过调用AssetManager的私有方法来完成的。 过程就是Resource通过resource.arsc(AAPT工具打包过程中生成的文件)把ID转换成资源文件的名称，然后交由AssetManager来加载文件。
AssetManager里有个很重要的方法addAssetPath(String path)方法，App启动的时候会把当前apk的路径传进去，然后AssetManager就能访问这个路径下的所有资源也就是宿主apk的资源了。我们可以通过hook这个方法将插件的path传进去，得到的AssetManager就能同时访问宿主和插件的所有资源了。
public void hookAssets(Activity activity,String dexPath){
try {
AssetManager assetManager = activity.getResources().getAssets();
Method addAssetPath = assetManager.getClass().getMethod("addAssetPath",String.class);
addAssetPath.invoke(assetManager,dexPath);
Resources mResources = new Resources(assetManager, activity.getResources().getDisplayMetrics(), activity.getResources().getConfiguration());
//接下来我们要将宿主原有Resources替换成我们上面生成的Resources。
FieldUtil.setObjectField(ContextWrapper.class,activity.getResources(),"mResources",mResources);
} catch (NoSuchMethodException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
5.3.2 id冲突
新的问题又出现了，宿主apk和插件apk是两个不同的apk，他们在编译时都会产生自己的resources.arsc。即他们是两个独立的编译过程。那么它们的resources.arsc中的资源id必定是有相同的情况。这样我们上面生成的新Resources中就出现了资源id重复的情况，这样在运行的时候使用资源id来获取资源就会报错。
怎么解决资源Id冲突的问题？这里介绍一下VirtualApk采用的方案。
修改aapt的产物。即编译后期重新整理插件Apk的资源，编排ID，更新R文件
VirtualApkhook了ProcessAndroidResourcestask。这个task是用来编译Android资源的。VirtualApk拿到这个task的输出结果，做了以下处理:
- 1.根据编译产生的R.txt文件收集插件中所有的资源
- 2.根据编译产生的R.txt文件收集宿主apk中的所有资源
- 3.过滤插件资源:过滤掉在宿主中已经存在的资源
- 4.重新设置插件资源的资源ID
- 5.删除掉插件资源目录下前面已经被过滤掉的资源
- 6.重新编排插件resources.arsc文件中插件资源ID为新设置的资源ID
- 7.重新产生R.java文件
大致原理是这样的，但如何保证新的Id不会重复了，这里在介绍一下资源Id的组成。
packageId: 前两位是packageId，相当于一个命名空间，主要用来区分不同的包空间(不是不同的module)。目前来看，在编译app的时候，至少会遇到两个包空间：android系统资源包和咱们自己的App资源包。大家可以观察R.java文件，可以看到部分是以0x01开头的，部分是以0x7f开头的。以0x01开头的就是系统已经内置的资源id，以0x7f开头的是咱们自己添加的app资源id。
typeId：typeId是指资源的类型id，我们知道android资源有animator、anim、color、drawable、layout，string等等，typeId就是拿来区分不同的资源类型。
entryId：entryId是指每一个资源在其所属的资源类型中所出现的次序。注意，不同类型的资源的Entry ID有可能是相同的，但是由于它们的类型不同，我们仍然可以通过其资源ID来区别开来。
所以为了避免冲突，插件的资源id通常会采用0x02 - 0x7e之间的数值。
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