安卓虚拟机系列二：深入分析ClassLoader 机制

WAsbry
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Android 中各种ClassLoader的作用

本文概述：

  • 此为android 虚拟机系列第二篇文章，文章重点探究了android 平台中的类加载器，涵盖类加载器作用，常见的类加载器，重要类加载器工作流程，双亲委派机制，对于部分重难点深入源码进行了细致剖析

大体描述：

  • ClassLoader 作用：加载类，联通真实的类文件与内存中使用的类

  • 安卓中有哪些ClassLoader：查看继承关系

    • 补充知识：Class

      • 在Class 中有一个成员属性 classLoader

         private transient ClassLoader classLoader;

      • 使用 .getClassLoader() 方法即可查看这个对象对应的类是由哪一个类加载器加载的

    • ClassLoader：继承关系

      • SecureClassLoader：安卓中用不到这个

      • BaseClassLoader

        • PathClassLoader
        • ImMemoryDexClassLoader：android 8.0后出现的
        • DexClassLoader

      • BootClassLoader：用来加载android FrameWork层的类

        • android FrameWork层的类(手机内置的)：String，Activity

          • 使用 .getClassLoader() 方法即可查看这个对象对应的类是由哪一个类加载器加载的

        • AppCompatActivity 就不是，这个只是Google的一个官方类

          • 由PathClassLoader 加载

  • PathClassLoader ：安卓程序的类加载器

    • 从上下文中调用getClassLoader，得到的是整个程序的类加载器(PathClassLoader)

    • 这个跟BootClassLoader的区别

      • BC：加载的是系统层的东西，PC加载的是用户层的东西

    • 安卓中的类加载器针对于android 平台构建，但顶层的抽象类(ClassLoader )，大家都是一样的

    • Java 中加载 .class 流程

      • 读取真实的 .class 文件，按照一定格式，解析成 JVM中的Class对象，然后使用
      • 耗时 ---> 缓存机制

    • 安卓中加载 .dex

      • 解析成Class，然后使用

    • 工作流程：PathClassLoader

      • 需要使用这个类(实例化)，通过程序的ClassLoader(PathClassLoader)，调用loadClass方法

ClassLoader 加载流程与双亲委派机制

怎么去加载一个类？

 //返回一个Class 对象
 Class classObject = getClassLoader().loadClass("需要加载类的全类名")

PathClassLoader.loadClass() 在哪里？

  • 这个里面是没有 loadClass方法的：查看其父类BaseDexClassLoader

    image-20220702204051860

  • BaseDexClassLoader 里面没有：再进入父类ClassLoader

    image-20220702204112368

  • 这个里面就有了：有两个，有一个重载，查看关键的哪一个

    image-20220702204307091

源码分析：LoadClass

  • 签名：传入全类名，加载一个类

     protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)

  • 寻找缓存：之前加载了的就不加载了，节省时间，缓存命中(return)，没有命中进入if

     Class<?> c = findLoadedClass(name);

    • Java 中会 I/O(读取真实的 .class文件，耗时)，然后解析

    • 最终会调用到一个native方法：JIN层的C/C++

       native static Class findLoadedClass(ClassLoader c1,String name);

  • 进入 if ：

    • 拿到当前对象的父类加载器： BootClassLoader 不是这个类(PathCladdLoader)的父类(BaseClassLoader)

       c = parent.loadClass(name, false);

      • 抽象类ClassLoader 存在类属性parent

         private final ClassLoader parent;

    • 执行流程：向上加载，双亲委派机制

      • 假设当前对象的父类加载器，还有父类加载器，就一直向上调用

      • 这里的parent 是ClassLoader的一个属性，并不是这个类的父类

        • 比如，创建一个PathClassLoader

           //classLoader：传入BootClassLoader(由系统调用的)，赋值给PathClassLoader 的类属性 parent
 new PathClassLoader(String string,ClassLoader classLoader);

        • 为什么要设置成BootClassLoader

双亲委派机制

  • 工作流程：先让父类加载器去加载，找不到自己再去找

  • 细节：

    • 避免重复：

      • 如果类A已经被类加载器B加载了，那么从B 的缓存中去找 A的信息，这样就不用自己再去找一次，
      • 如果说又加载了一次，引发了异常

    • 数据结构：map<k,v>

      • K：类加载器
      • V：类的信息

    • 加载问题：

      • PathClassLoader 是由BootClassLoader加载
      • BootClassLoader：Linux层加载的

    • 整体流程：责任链设计模式

      • 当类属性 parent存在，交给下面的去执行

      • 补充：责任链设计模式的应用

        • OkHttp 的五大拦截器、View的绘制流程、事件处理与分发

  • 安全性考虑：

    • 没有双亲委派机制：意味着不存在缓存

       if (parent != null) {
     c = parent.loadClass(name, false);
 }

      • 当使用String类，找到的是用户自定义的，虽然包名相同但逻辑不同 ---> 相当于破坏系统源码了；

         //用户自定义的代码
 package java.lang;
 public class String{
     ……
 }

    • 当存在双亲委派机制：存在缓存

      • String类的寻找，先从BootClassLoader找，发现有，那么直接用，不去加载用户自定义的String类；

那么用户自定义的类：例如MainActivity这些去哪里找

  • 执行流程：

    • 使用PathClassLoader 寻找程序的类(自定义的)；但PathClassLoader 没有findClass 方法，进入其父类加载器BaseDexClassLoader ，通过里面的findClass 方法去找；
    • BaseDexClassLoader.findClass 去调用DexPathList.findClass，因为DexPathList 存在element数组，其中的每一个元素相当于一个dex，此时去遍历这个数组，拿到dex之后去调用dexFile.loadClassBinaryName 去找
    • 最终是调用到native方法：
     private static native Class defineClassNative(String name,ClassLoader loader,Object cookie) throws ClassLoaderNotFoundException,NoClassDeffFoundError;

  • 图示：

    image-20220703104239858

  • 示意图：

    image-20220703102902707

  • 具体分析过程：都是使用PathClassLoader加载，

     //创建时会传入dex/Apk的地址：就是当前程序对应的文件
 public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
     super(dexPath, null, null, parent);
 }

  • 此时应该调用LoadClass 中自己找的部分

     if (c == null) {
     // If still not found, then invoke findClass in order
     // to find the class.
     c = findClass(name);
 }
    • 调用 PathClassLoader，看其中有无findClass方法，没有，那么进入其父类BaseDexClassLoader，发现有

  • BaseDexClassLoader.findClass

    • 执行流程：

      • 查看共享文件中有没有
       //这是一个：protected final ClassLoader[] sharedLibraryLoaders;
 在BaseDexClassLoader构造时初始化
     public BaseDexClassLoader(String dexPath,
             String librarySearchPath, ClassLoader parent, ClassLoader[] libraries)
 ​
 if (sharedLibraryLoaders != null) {
     ……
      • 找类
       Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);

      • 此时调用DexPathList.findClass 去遍历element数组

         //去拿到每一个element，再拿到里面的dexFile，就是dex文件了
 for (Element element : dexElements) {

        • 拿具体的dex 文件，找不到就返回null，后面就抛出异常了

           Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);

问题：

  • dex 文件是哪里来的？

    • APK里面的

  • Element 数组中有多少个元素

    • Apk 中有多少个dex文件，那么就有多少个元素

  • ClassLoader 是怎么跟文件关联的：通过传参(将dex 的地址传进来)

 public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
     super(dexPath, null, null, parent);
 }

  • 操作与对应的配置文件：

    • 操作jar 包：jarFile
    • 操作dex 文件：dexFile
  • PathList 是什么
 private final DexPathList pathList;

  • 在BaseDexClassLoader 构造中实例化

    • 传入需要加载的应用(jar)的dex/apk地址
     public BaseDexClassLoader(String dexPath,
             String librarySearchPath, ClassLoader parent, ClassLoader[] sharedLibraryLoaders,
             boolean isTrusted) {
         super(parent);
         
         this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);
     }

  • DexPathList 干了什么？

    • 判空，抛出空指针异常
     if (definingContext == null) {
     throw new NullPointerException("definingContext == null");
 }
    • 根据dexPath：传入应用对应的APK文件
     this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
                                    suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
    • 最终封装成element数组：
     //一个dex,一个element对象，可能存在多个，那就搞一个数组
 private Element[] dexElements;

    • PathClassLoader 为什么可以处理多个dex文件：splitDexPath 的作用：进行分组、拆组

      • 比如目录A里面a.dex 与 b.dex，那么就传入下面这样的字符串

         /a/a.dex:/a/d.dex

      • 根据 : 分割出一个List 集合，一个冒号，集合中两个item属性

    • findClass原代码

     protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
     // First, check whether the class is present in our shared libraries.
     if (sharedLibraryLoaders != null) {
         for (ClassLoader loader : sharedLibraryLoaders) {
             try {
                 return loader.loadClass(name);
             } catch (ClassNotFoundException ignored) {
             }
         }
     }
     // Check whether the class in question is present in the dexPath that
     // this classloader operates on.
     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;
 }
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