1 虚拟机
1.1 ART 和 Dalvik
Android 虚拟机技术从初始版本到现今的发展历程
1. Dalvik VM
(Android 1.0 - Android 4.4)
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特点：
- Dalvik 是 Android 的第一代虚拟机，专为移动设备设计。
- 使用 .dex（Dalvik Executable）文件格式，将多个 Java 类文件打包成一个文件，优化了加载和运行效率。
- Dalvik 是基于寄存器的虚拟机，与传统的基于栈的 JVM 不同。寄存器架构在处理性能和代码效率方面表现更优。
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优点：
- 节省内存：为低内存设备优化，支持有限的硬件资源。
- 电池优化：专注于降低功耗。
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缺点：
- 性能限制：JIT（Just-In-Time）编译器在运行时编译字节码，效率不高。
- 难以利用多核处理器的优势。
2. ART (Android Runtime)
(Android 5.0 开始取代 Dalvik)
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特点：
- ART 取代 Dalvik，成为默认的运行时。
- 引入 AOT（Ahead-Of-Time）编译：在应用安装时，将字节码编译为本地机器码，提升运行性能。
- 支持混合编译模式，结合 AOT 和 JIT 的优势。
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改进点：
- 启动速度更快：应用的本地化编译避免了每次运行时的即时编译开销。
- 内存效率提升：AOT 编译优化了内存使用，减少垃圾回收的频率和时长。
- 多核支持：更好地利用现代多核处理器的性能。
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缺点：
- 安装时间较长：AOT 编译发生在应用安装阶段，导致安装时间变长。
- 占用更多存储空间：本地化编译后的代码文件较大。
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dexopt
在Dalvik中虚拟机在加载一个dex文件时，对 dex 文件 进行 验证 和 优化的操作，其对 dex 文件的优化结果变成了 odex(Optimized dex) 文件，这个文件和 dex 文件很像，只是使用了一些优化操作码。
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dex2oat
ART 预先编译机制，Dalvik下应用在安装的过程，会执行一次优化，将dex字 节码进行优化生成odex文件。而Art 下将应用的dex字节码翻译成本地机器码的最恰当AOT时机也就发生在应用安装的时候。ART引入了预先编译机制(Ahead Of Time) , 在安装时, ART使用设备自带的dex2oat工具来编译应用，dex中的字节码将被编译成本地机器码
3. JIT 优化和混合模式
(Android 7.0 开始)
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背景：
- 纯 AOT 的安装时间和存储空间问题成为瓶颈。
- Android 7.0（Nougat）引入了新的混合模式，结合了 AOT 和 JIT 的优点。
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新特性：
- JIT 回归：在运行时动态优化代码，减少不常用代码的 AOT 编译。
- Profile-Guided Compilation：基于用户行为的热点分析，在后台按需优化应用性能。
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优点：
- 缩短安装时间：部分编译推迟到运行时完成。
- 灵活性提升：结合动态和静态编译的优势。
4. R8 和 D8 工具链优化
(Android 8.0 及以后)
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D8 替代 DX：
- D8 是更高效的字节码到 dex 编译工具，生成更小的 .dex 文件，提升运行时性能。
- 支持更好的错误报告和调试。
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R8 替代 ProGuard：
- 提供代码压缩、混淆和优化功能。
- 直接集成到构建工具链中，提升开发效率。
DVM也是实现了JVM规范的一个虚拟器，默认使用CMS垃圾回收器，但是与JVM运行 Class 字节码不同，DVM 执行 Dex(Dalvik Executable Format) ——专为 Dalvik 设计的一种压缩格式。Dex 文件是很多 .class 文件处理压缩后的产物，最终可以在 Android 运行时环境执行。
而ART（Android Runtime） 是在 Android 4.4 中引入的一个开发者选项，也是 Android 5.0 及更高版本的默认 Android 运行时。ART 和 Dalvik 都是运行 Dex 字节码的兼容运行时，因此针对 Dalvik 开发的应用也能在 ART 环境中运作。
2 ClassLoader介绍
任何一个 Java 程序都是由一个或多个 class 文件组成，在程序运行时，需要将 class 文件加载到 JVM 中才可以使用，负责加载这些 class 文件的就是 Java 的类加载机制。ClassLoader 的作用简单来说就是加载 class 文件，提供给程序运行时使用。每个 Class 对象的内部都有一个 classLoader 字段来标识自己是由哪个 ClassLoader 加载的。
class Class<T> {
...
private transient ClassLoader classLoader;
...
}
ClassLoader是一个抽象类，而它的具体实现类主要有：
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BootClassLoader用于加载Android Framework层class文件。
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PathClassLoader用于Android应用程序类加载器。可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex
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DexClassLoader用于加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex
很多博客里说PathClassLoader只能加载已安装的apk的dex，其实这说的应该是在dalvik虚拟机上。
但现在一般不用关心dalvik了。
Log.e(TAG, "Activity.class 由：" + Activity.class.getClassLoader() +" 加载");
Log.e(TAG, "MainActivity.class 由：" + getClassLoader() +" 加载");
//输出：
Activity.class 由：java.lang.BootClassLoader@d3052a9 加载
MainActivity.class 由：dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/base.apk"],
nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.enjoy.enjoyfix-1/lib/x86, /system/lib, /vendor/lib]]] 加载
它们之间的关系如下：
PathClassLoader与DexClassLoader的共同父类是BaseDexClassLoader。
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
}
}
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);
}
}
可以看到两者唯一的区别在于：创建DexClassLoader需要传递一个optimizedDirectory参数，并且会将其创建为File对象传给super，而PathClassLoader则直接给到null。因此两者都可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex
PathClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());
File dexOutputDir = context.getCodeCacheDir();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader("/sdcard/xx.dex",dexOutputDir.getAbsolutePath(), null,getClassLoader());
其实,optimizedDirectory参数就是dexopt的产出目录(odex)。那PathClassLoader创建时，这个目录为null，就意味着不进行dexopt？并不是，optimizedDirectory为null时的默认路径为： /data/dalvik-cache。
在API 26源码中，将DexClassLoader的optimizedDirectory标记为了 deprecated 弃用，实现也变为了：
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
......和PathClassLoader一摸一样了！
2.1 双亲委托机制
可以看到创建ClassLoader需要接收一个ClassLoader parent参数。这个parent的目的就在于实现类加载的双亲委托。即：
某个类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。
1、避免重复加载，当父加载器已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一 次。
2、安全性考虑，防止核心API库被随意篡改。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
// 检查class是否有被加载
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
//如果parent不为null，则调用parent的loadClass进行加载
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//parent为null，则调用BootClassLoader进行加载
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
}
if (c == null) {
// 如果都找不到就自己查找
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
}
}
return c;
}
因此我们自己创建的ClassLoader: `new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());
并不仅仅只能加载 xx.dex中的class。值得注意的是：`c = findBootstrapClassOrNull(name);`
按照方法名理解，应该是当parent为null时候，也能够加载`BootClassLoader`加载的类。
new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", null)，能否加载Activity.class？
但是实际上，Android当中的实现为：（Java不同）
private Class findBootstrapClassOrNull(String name)
{
return null;
}
2.2 findClass
可以看到在所有父ClassLoader无法加载Class时，则会调用自己的findClass方法。findClass在ClassLoader中的定义为:
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
其实任何ClassLoader子类，都可以重写loadClass与findClass。一般如果你不想使用双亲委托，则重写loadClass修改其实现。而重写findClass则表示在双亲委托下，父ClassLoader都找不到Class的情况下，定义自己如何去查找一个Class。而我们的PathClassLoader会自己负责加载MainActivity这样的程序中自己编写的类，利用双亲委托父ClassLoader加载Framework中的Activity。说明PathClassLoader并没有重写loadClass，因此我们可以来看看PathClassLoader中的 findClass 是如何实现的。
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,String
librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath,
optimizedDirectory);
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
//查找指定的class
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;
}
实现非常简单，从pathList中查找class。继续查看DexPathList
public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory) {
//.........
// splitDexPath 实现为返回 List<File>.add(dexPath)
// makeDexElements 会去 List<File>.add(dexPath) 中使用DexFile加载dex文件返回 Element数组
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext);
//.........
}
public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
//从element中获得代表Dex的 DexFile
for (Element element : dexElements) {
DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {
//查找class
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
}
3 热修复
PathClassLoader中存在一个Element数组，Element类中存在一个dexFile成员表示dex文件，即：APK中有X个dex，则Element数组就有X个元素。
在PathClassLoader中的Element数组为：[patch.dex , classes.dex , classes2.dex]。如果存在Key.class位于patch.dex与classes2.dex中都存在一份，当进行类查找时，循环获得dexElements中的DexFile，查找到了Key.class则立即返回，不会再管后续的element中的DexFile是否能加载到Key.class了。
因此实际上，一种热修复实现可以将出现Bug的class单独的制作一份fix.dex文件(补丁包)，然后在程序启动时，从服务器下载fix.dex保存到某个路径，再通过fix.dex的文件路径，用其创建Element对象，然后将这个Element对象插入到我们程序的类加载器PathClassLoader的pathList中的dexElements数组头部。这样在加载出现Bug的class时会优先加载fix.dex中的修复类，从而解决Bug。
热修复的方式不止这一种，并且如果要完整实现此种热修复可能还需要注意一些其他的问题(如：反射兼容)。
