Android-基础-001-Android 虚拟机和ClassLoader

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1 虚拟机

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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)

  • 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。
  • 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。
  • 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)

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • dexopt

    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。

  • 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

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3. JIT 优化和混合模式

(Android 7.0 开始)

  • 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。
  • 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。
  • 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。

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4. R8 和 D8 工具链优化

(Android 8.0 及以后)

  • 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。
  • 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。

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:

  • BootClassLoader

    用于加载Android Framework层class文件。

  • 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

  • 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:

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PathClassLoaderDexClassLoader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

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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loadClassfindClass。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。

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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PathClassLoaderpathList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)。