一、初识MultiDex

开发Android应用的小伙伴，在经历了众多版本迭代、PM不断加入新功能、尝试新技术引入类库之后，产物Apk急剧膨胀；最终会遇到那个传说中的Android64K方法数问题；具体表现：

Conversion to Dalvik format failed:Unable to execute dex: method ID not in [0, 0xffff]: 65536

编译打包失败，不能愉快的开发了。

超过最大方法数限制的问题，是由于Dex文件格式限制，一个Dex文件中method个数采用使用原生类型short来索引文件中的方法，4个字节共计最多表达65536个method，field/class的个数也均有此限制。生成Dex文件的过程，是将工程所需全部class文件合并且压缩到一个Dex文件期间，也就是Android打包的Dex过程中，单个Dex文件可被引用的方法总数（自己开发的代码以及所引用的Android框架、类库的代码）被限制为65536；

但是这种小问题怎么能难倒程序猿哥哥呢，相信大家或多或少都听说过Multidex：Google官方对64K方法数问题的一种补救措施，通俗的讲就是：既然你的代码这么多，一个Dex装不下，那就给你多个Dex来装呗。Multidex在构建打包阶段将Class拆分到多个Dex，使之不超过单Dex最大方法数的限制；这样打包就不会失败了。

但是只解决分Dex打包的问题还不够，我们知道Dalvik虚拟机应用启动时默认只会装载classes.dex，那ClassLoader肯定是无法从别的Dex中查找Class的，从而程序运行过程中的各种ClassNotFoundException画面太美简直不敢想象。于是机智如Google又赋予MultiDex另外一项能力：在运行时动态装载别的非主Dex，于是乎一个看似完美的分Dex加载方案就诞生了。

具体的使用指南可以异步官方文档;

二、Multidex工作流程

在分析源码之前，我们先来看一下MultiDex的工作流程，对它有一个初步的认识；

屏幕快照 2016-12-14 下午8.41.00.png

总结：

运行时提取别的非主Dex出来，然后动态装载执行。
需要在源码分析过程中重点关注提取Dex以及动态装载这两个过程。

三、源码分析

MultiDex入口：MultiDex.install();

public static void install(Context context) {
    Log.i("MultiDex", "install");
    if(IS_VM_MULTIDEX_CAPABLE) {
        //判断VM是否支持Multidex，本身就支持的话MultiDex库则被禁用；
        Log.i("MultiDex", "VM has multidex support, MultiDex support library is disabled.");
    } else if(VERSION.SDK_INT < 4) {
        //最低兼容SDK版本是4，不过现在4以下的机器已经是纪念品了吧；
        throw new RuntimeException("Multi dex installation failed. SDK " + VERSION.SDK_INT + " is unsupported. Min SDK version is " + 4 + ".");
    } else {
        try {
            //获取Apk信息；
            ApplicationInfo e = getApplicationInfo(context);
            if(e == null) {
                return;
            }
            Set var2 = installedApk;
            //加锁保证只执行一次；
            synchronized(installedApk) {
                String apkPath = e.sourceDir;
                if(installedApk.contains(apkPath)) {
                    return;
                }
                installedApk.add(apkPath);
                if(VERSION.SDK_INT > 20) {
                    Log.w("MultiDex", "MultiDex is not guaranteed to work in SDK version " + VERSION.SDK_INT + ": SDK version higher than " + 20 + " should be backed by " + "runtime with built-in multidex capabilty but it\'s not the " + "case here: java.vm.version=\"" + System.getProperty("java.vm.version") + "\"");
                }
                ClassLoader loader;
                try {
                    //获取当前ClassLoader实例，提取出来的Dex需要通过ClassLoader真正的被加载执行；
                    loader = context.getClassLoader();
                } catch (RuntimeException var9) {
                    Log.w("MultiDex", "Failure while trying to obtain Context class loader. Must be running in test mode. Skip patching.", var9);
                    return;
                }
                if(loader == null) {
                    Log.e("MultiDex", "Context class loader is null. Must be running in test mode. Skip patching.");
                    return;
                }
                try {
                    //清除OldDexDir的目录；此处有歧义，下面讲。
                    clearOldDexDir(context);
                } catch (Throwable var8) {
                    Log.w("MultiDex", "Something went wrong when trying to clear old MultiDex extraction, continuing without cleaning.", var8);
                }
                //创建提取Dex缓存的路径。
                File dexDir = new File(e.dataDir, SECONDARY_FOLDER_NAME);

                //重要方法！！！提取除主Dex之外别的Dex出来；
                List files = MultiDexExtractor.load(context, e, dexDir, false);
                //校验提取出来的Dex文件的合法性；
                if(checkValidZipFiles(files)) {

                    //重要方法！！！合法的话则进入安装过程；
                    installSecondaryDexes(loader, dexDir, files);
                } else {
                    //校验不合法，强制重新执行一次Dex的提取，不抛弃、不放弃，哈哈。
                    Log.w("MultiDex", "Files were not valid zip files.  Forcing a reload.");
                    files = MultiDexExtractor.load(context, e, dexDir, true);
                    if(!checkValidZipFiles(files)) {
                        //提取出来再次校验，仍然不合法，不能忍，放弃！分分钟抛异常给你看！
                        throw new RuntimeException("Zip files were not valid.");
                    }
                    //合法的话则进入安装过程；
                    installSecondaryDexes(loader, dexDir, files);
                }
            }
        } catch (Exception var11) {
            Log.e("MultiDex", "Multidex installation failure", var11);
            throw new RuntimeException("Multi dex installation failed (" + var11.getMessage() + ").");
        }
        Log.i("MultiDex", "install done");
    }
}

总结：

进行各种预校验以及获取需要的信息；
重要方法：MultiDexExtractor.load(context, e, dexDir, false)，将Dex文件提取出来；
重要方法：installSecondaryDexes(loader, dexDir, files)，安装提取出来的Dex文件。

提取器MultiDexExtractor.load

  //重要方法
  static List load(Context context, ApplicationInfo applicationInfo, File dexDir, boolean forceReload) throws IOException {
    Log.i("MultiDex", "MultiDexExtractor.load(" + applicationInfo.sourceDir + ", " + forceReload + ")");
    File sourceApk = new File(applicationInfo.sourceDir);
    //获取Crc校验码，做文件完整性校验；
    long currentCrc = getZipCrc(sourceApk);
    List files;
    //是否是强制性提取或者源文件发生了变化
    if(!forceReload && !isModified(context, sourceApk, currentCrc)) {
        try {
            //非强制性提取，且源文件未发生变化，直接使用缓存的dex文件。
            files = loadExistingExtractions(context, sourceApk, dexDir);
        } catch (IOException var9) {
            Log.w("MultiDex", "Failed to reload existing extracted secondary dex files, falling back to fresh extraction", var9);
            //异常则重新执行强制性提取，并更新提取出来的Dex信息，存在SharedPreference中。
            files = performExtractions(sourceApk, dexDir);
            //缓存下来lastModified时间戳；Crc校验码，Dex的总数量等信息用于下次比对。
            putStoredApkInfo(context, getTimeStamp(sourceApk), currentCrc, files.size() + 1);
        }
    } else {
        //强制性提取，并更新提取出来的Dex信息，存在SharedPreference中。
        Log.i("MultiDex", "Detected that extraction must be performed.");
        files = performExtractions(sourceApk, dexDir);
        //缓存下来lastModified时间戳；Crc校验码，Dex的总数量等信息用于下次比对。
        putStoredApkInfo(context, getTimeStamp(sourceApk), currentCrc, files.size() + 1);
    }

    Log.i("MultiDex", "load found " + files.size() + " secondary dex files");
    return files;
}

总结：

制性提取或者源文件发生变化则重新提取，否则直接使用缓存dex文件；

performExtractions()

  //重要方法
  private static List performExtractions(File sourceApk, File dexDir) throws IOException {
    //匹配的后缀；
    String extractedFilePrefix = sourceApk.getName() + ".classes";
    //准备Dex缓存的路径；
    prepareDexDir(dexDir, extractedFilePrefix);
    ArrayList files = new ArrayList();
    ZipFile apk = new ZipFile(sourceApk);
    try {
        int e = 2;
        for(ZipEntry dexFile = apk.getEntry("classes" + e + ".dex"); dexFile != null; dexFile = apk.getEntry("classes" + e + ".dex")) {
            String fileName = extractedFilePrefix + e + ".zip";
            //提取出来的文件，zip格式。
            File extractedFile = new File(dexDir, fileName);
            files.add(extractedFile);
            Log.i("MultiDex", "Extraction is needed for file " + extractedFile);
            int numAttempts = 0;
            boolean isExtractionSuccessful = false;
            //每个dex的提取都尝试三次；
            while(numAttempts < 3 && !isExtractionSuccessful) {
                ++numAttempts;
                //真正的提取。将源Apk解压，将非主Dex文件写为zip文件。
                extract(apk, dexFile, extractedFile, extractedFilePrefix);
                isExtractionSuccessful = verifyZipFile(extractedFile);
                Log.i("MultiDex", "Extraction " + (isExtractionSuccessful?"success":"failed") + " - length " + extractedFile.getAbsolutePath() + ": " + extractedFile.length());
                if(!isExtractionSuccessful) {
                    //提取出来的文件未校验通过则删除。
                    extractedFile.delete();
                    if(extractedFile.exists()) {
                        Log.w("MultiDex", "Failed to delete corrupted secondary dex \'" + extractedFile.getPath() + "\'");
                    }
                }
            }
            if(!isExtractionSuccessful) {
                throw new IOException("Could not create zip file " + extractedFile.getAbsolutePath() + " for secondary dex (" + e + ")");
            }
            ++e;
        }
    } finally {
        try {
            apk.close();
        } catch (IOException var16) {
            Log.w("MultiDex", "Failed to close resource", var16);
        }
    }
    return files;
}

总结：

准备Dex缓存的目录，并且删除其中不是以name.apk.classes开头的文件；
每个Dex的提取最多尝试三次；

真实提取extract(apk, dexFile, extractedFile, extractedFilePrefix);

/**
 * 重要方法
 * @param apk apk源文件：/data/app/apkName.apk；
 * @param dexFile apk源文件解压出来的Dex文件：classes2.dex等；
 * @param extractTo 提取出来的文件；
 * @param extractedFilePrefix 提取出来的文件前缀；
 * @throws IOException
 * @throws FileNotFoundException
 */
private static void extract(ZipFile apk, ZipEntry dexFile, File extractTo, String extractedFilePrefix) throws IOException, FileNotFoundException {
    InputStream in = apk.getInputStream(dexFile);
    ZipOutputStream out = null;
    File tmp = File.createTempFile(extractedFilePrefix, ".zip", extractTo.getParentFile());
    Log.i("MultiDex", "Extracting " + tmp.getPath());
    try {
        out = new ZipOutputStream(new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(tmp)));
        try {
            ZipEntry classesDex = new ZipEntry("classes.dex");
            classesDex.setTime(dexFile.getTime());
            out.putNextEntry(classesDex);
            byte[] buffer = new byte[16384];

            for(int length = in.read(buffer); length != -1; length = in.read(buffer)) {
                out.write(buffer, 0, length);
            }
            out.closeEntry();
        } finally {
            out.close();
        }
        Log.i("MultiDex", "Renaming to " + extractTo.getPath());
        if(!tmp.renameTo(extractTo)) {
            throw new IOException("Failed to rename \"" + tmp.getAbsolutePath() + "\" to \"" + extractTo.getAbsolutePath() + "\"");
        }
    } finally {
        closeQuietly(in);
        tmp.delete();
    }
}

总结：

将Apk源文件进行解压，将其中的非主Dex文件提取为zip文件。

终于将非主Dex文件提取出来了，接下来就是令人激动的安装过程了。
分析SDK19以上的为例：

  private static void installSecondaryDexes(ClassLoader loader, File dexDir, List files) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException, NoSuchFieldException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException, IOException {
    //根据不同版本做不同处理；
    if(!files.isEmpty()) {
        if(VERSION.SDK_INT >= 19) {
            MultiDex.V19.install(loader, files, dexDir);
        } else if(VERSION.SDK_INT >= 14) {
            MultiDex.V14.install(loader, files, dexDir);
        } else {
            MultiDex.V4.install(loader, files);
        }
    }
}

private static final class V19 {
    private V19() {
    }

    private static void install(ClassLoader loader, List additionalClassPathEntries, File optimizedDirectory) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException, NoSuchFieldException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {
        //反射获取到应用ClassLoader的pathList字段；
        Field pathListField = MultiDex.findField(loader, "pathList");
        Object dexPathList = pathListField.get(loader);
        ArrayList suppressedExceptions = new ArrayList();
        //将刚刚提取出来的zip文件包装成Element对象，并扩展DexPathList中的dexElements数组字段；
        MultiDex.expandFieldArray(dexPathList, "dexElements", makeDexElements(dexPathList, new ArrayList(additionalClassPathEntries), optimizedDirectory, suppressedExceptions));
        if(suppressedExceptions.size() > 0) {
            Iterator suppressedExceptionsField = suppressedExceptions.iterator();

            while(suppressedExceptionsField.hasNext()) {
                IOException dexElementsSuppressedExceptions = (IOException)suppressedExceptionsField.next();
                Log.w("MultiDex", "Exception in makeDexElement", dexElementsSuppressedExceptions);
            }

            Field suppressedExceptionsField1 = MultiDex.findField(loader, "dexElementsSuppressedExceptions");
            IOException[] dexElementsSuppressedExceptions1 = (IOException[])((IOException[])suppressedExceptionsField1.get(loader));
            if(dexElementsSuppressedExceptions1 == null) {
                dexElementsSuppressedExceptions1 = (IOException[])suppressedExceptions.toArray(new IOException[suppressedExceptions.size()]);
            } else {
                IOException[] combined = new IOException[suppressedExceptions.size() + dexElementsSuppressedExceptions1.length];
                suppressedExceptions.toArray(combined);
                System.arraycopy(dexElementsSuppressedExceptions1, 0, combined, suppressedExceptions.size(), dexElementsSuppressedExceptions1.length);
                dexElementsSuppressedExceptions1 = combined;
            }

            suppressedExceptionsField1.set(loader, dexElementsSuppressedExceptions1);
        }
    }

    private static Object[] makeDexElements(Object dexPathList, ArrayList files, File optimizedDirectory, ArrayList suppressedExceptions) throws IllegalAccessException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {
        //反射调用DexPathList对象中的makeDexElements方法，将刚刚提取出来的zip文件包装成Element对象；
        Method makeDexElements = MultiDex.findMethod(dexPathList, "makeDexElements", new Class[]{ArrayList.class, File.class, ArrayList.class});
        return (Object[])((Object[])makeDexElements.invoke(dexPathList, new Object[]{files, optimizedDirectory, suppressedExceptions}));
    }
}

/**
 * makeDexElements方法最终会调用到这个方法；
 * 其中会在Native执行dexopt的优化操作，生成odex文件，此是一个耗时的操作。
 * 
 * @param file dex文件
 * @param optimizedDirectory 优化后文件的保存路径
 * @return
 * @throws IOException
 */
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);
    }
}

总结：

反射获取ClassLoader中的pathList字段；
反射调用DexPathList对象中的makeDexElements方法，将刚刚提取出来的zip文件包装成Element对象；
将包装成的Element对象扩展到DexPathList中的dexElements数组字段里；
makeDexElements中有dexopt的操作，是一个耗时的过程，产物是一个优化过的odex文件。

至此：提取出来的dex文件也被加到了ClassLoader里，而那些Class也就可以被ClassLoader所找到并使用。

跟随源码一步步揭开了Multidex的神秘面纱，再回头看Multidex的工作流程图，就更加清晰明了。

四、问题

1、clearOldDexDir(context)是干嘛的？每一次都清除上一次提取并缓存的Dex？

No，如果只看multidex-1.0.1的代码，clearOldDexDir其实什么事情都没干，因为清除的是data/data/packageName/files/secondary-dexes文件夹下的文件，但是这个文件夹从始至终都没有被使用过。看最新MultiDex库文件Master分支的代码：
获取缓存Dex目录的时候出现过，如果正常缓存目录创建失败，则data/data/packageName/files/secondary-dexes作为临时缓存目录。

/**
 * 获取缓存Dex文件的目录
 *
 * @param context
 * @param applicationInfo
 * @return
 * @throws IOException
 */
private static File getDexDir(Context context, ApplicationInfo applicationInfo)
        throws IOException {
    File cache = new File(applicationInfo.dataDir, CODE_CACHE_NAME);
    try {
        // 优先在data/data/pgn/code_cache/secondary-dexes目录创建；
        mkdirChecked(cache);
    } catch (IOException e) {
        //创建失败则在data/data/pgn/files/secondary-dexes目录下创建，作为临时存储目录。
        /* If we can't emulate code_cache, then store to filesDir. This means abandoning useless
         * files on disk if the device ever updates to android 5+. But since this seems to
         * happen only on some devices running android 2, this should cause no pollution.
         */
        cache = new File(context.getFilesDir(), CODE_CACHE_NAME);
        mkdirChecked(cache);
    }
    File dexDir = new File(cache, CODE_CACHE_SECONDARY_FOLDER_NAME);
    mkdirChecked(dexDir);
    return dexDir;
}

发布的multidex-1.0.1其实不会出现这个目录，而且这段的逻辑也不严谨，如果临时目录也创建失败了呢？

2、动态装载Dex的过程为什么反射那些字段、方法就可以了？

这就涉及到Android中的Class加载机制了，ClassLoader加载Class调用的是BaseDexClassLoader中findClass方法，会调用到DexPathList的findClass方法，其中会对dexElements数组进行遍历，数组每一个元素对应了一个DexFile，真正的加载是在DexFile实现。而正是因为这个数组，使我们有机会将Dex包装成的Element对象扩展到其中。这样ClassLoader加载Class的时候就也会遍历调用到加进来的Dex，从而找到需要的Class。

3、为什么上面写这是一个看似完美的分Dex加载方案？

①INSTALL_FAILED_DEXOPT；在部分机型会出现无法安装的问题没有解决。

这是由于dexopt的LinearAlloc限制引起的，在Android版本不同分别经历了4M/5M/8M/16M限制，4.2.x系统上可能都已到16M，在Gingerbread或者以下系统LinearAllocHdr分配空间只有5M大小的，高于Gingerbread的系统提升到了8M。Dalvik linearAlloc是一个固定大小的缓冲区。在应用的安装过程中，系统会运行一个名为dexopt的程序为该应用在当前机型中运行做准备。dexopt使用LinearAlloc来存储应用的方法信息。Android 2.2和2.3的缓冲区只有5MB，Android 4.x提高到了8MB或16MB。当方法数量过多导致超出缓冲区大小时，会造成dexopt崩溃。

也就是说，即便是方法数不超标，也不能保证一定能安装成功，因为DexOpt过程可能因为LinearAlloc的限制而失败。但是这个问题为什么之前没有提出呢？因为这个问题对目前的Android市场机型基本不存在，现在一般Android应用的最低兼容版本都是4.0，最可能出现这个问题的2.3之前的版本都不在考虑之列，而且目前5.0以上的机型占有率已经接近70%，低版4.0本机型已经越来越少，而且基本是4.0机型，也只是有可能触发这个限制，因此对目前来讲是个不是问题的问题。

②ANR的问题：从以上MultiDex的工作流程可以看到：MultiDex工作在主线程，而Dex的提取与DexOpt的过程都是耗时的操作，所以ANR的问题是必然存在；而且业务量越大，拆分出来的Dex越多，对应ANR的几率也就越高。

五、结语

既然ANR的问题这么严重，那MultiDex的方案还可以被用到实际场景吗？那必须，不给程序猿哥哥制造挑战的方案绝对不是好方案，经过优化之后依然可以是好同志嘛！

关于MultiDex的优化方案请关注后续文章。

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