Android熱修復及插件化原理-有解無憂

1.前言

熱修復一直是這幾年來很熱門的話題，主流方案大致有兩種，一種是微信Tinker的dex檔案替換，另一種是阿里的Native層的方法替換，這里重點介紹Tinker的大致原理，

2.類加載機制

介紹Tinker原理之前，我們先來回顧一下類加載機制，

我們編譯好的class檔案，需要先加載到虛擬機然后才會執行，這個程序是通過ClassLoader來完成的，

在這里插入圖片描述

雙親委派模型：

1.加載某個類的時候，這個類加載器不會自己立刻去加載，它會委托給父類去加載
2.如果這個父類還存在父類加載器，則進一步委托，直到最頂層的類加載器
3.如果父類加載器可以完成加載任務，就成功回傳，否則就再委派給子類加載器
4.如果都未加載成功就拋出ClassNotFoundException

作用：
1.避免類的重復加載，
比如有兩個類加載器，他們都要加載同一個類，這時候如果不是委托而是自己加載自己的，則會將類重復加載到方法區，
2.避免核心類被修改，
比如我們在自定義一個 java.lang.String 類，執行的時候會報錯，因為 String 是 java.lang 包下的類，應該由啟動類加載器加載，

JVM并不會一開始就加載所有的類，它是當你使用到的時候才會去通知類加載器去加載，

3.Android類加載

當我們new一個類時，首先是Android的虛擬機（Dalvik/ART虛擬機）通過ClassLoader去加載dex檔案到記憶體，
Android中的ClassLoader主要是PathClassLoader和DexClassLoader,這兩者都繼承自BaseDexClassLoader，它們都可以理解成應用類加載器，

PathClassLoader和DexClassLoader的區別：

PathClassLoader只能指定加載apk包路徑，不能指定dex檔案解壓路徑，該路徑是寫死的在/data/dalvik-cache/路徑下，所以只能用于加載已安裝的apk，
DexClassLoader可以指定apk包路徑和dex檔案解壓路徑（加載jar、apk、dex檔案）

當ClassLoader加載類時，會呼叫它的findclass方法去查找該類，
下方是BaseDexClassLoader的findClass方法實作：

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
...

    @UnsupportedAppUsage
    private final DexPathList pathList;

    ...

     @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 首先檢查該類是否存在shared libraries中.
        if (sharedLibraryLoaders != null) {
            for (ClassLoader loader : sharedLibraryLoaders) {
                try {
                    return loader.loadClass(name);
                } catch (ClassNotFoundException ignored) {
                }
            }
        }
        //再呼叫pathList.findClass去查找該類，結果為null則拋出錯誤，
        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;
    }
}

接下來我們再來看看DexPathList的findClass實作：

 public DexPathList(ClassLoader definingContext, String librarySearchPath) {
...
    /**
     * List of dex/resource (class path) elements.
     * 存放dex檔案的一個陣列
     */
    @UnsupportedAppUsage
    private Element[] dexElements;

...

    public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
     	 //遍歷Element陣列，去查尋對應的類，找到后就立刻回傳了
        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加載補丁包的dex檔案
2.通過反射獲取DexClassLoader類的pathList，再次通過反射獲得dexElements陣列，
3.獲取加載應用類的PathClassLoader，同樣通過反射獲取它的dexElements陣列，
4.合并兩個dexElements陣列，且將補丁包的dex檔案放在前面，
根據類加載機制，一個類只會被加載一次，DexPathList.findClass方法中是順序遍歷陣列，所以將補丁的dex檔案放在前面，這樣bug修復類會被優先加載，而原來的bug類不會被加載，達到了替換bug類的功能（補丁包中的修復類名、包名要和bug類相同）
5.再次通過反射將合并后的dexElements陣列賦值給PathClassLoader.dexElements屬性，
加載類時，Dalvik/ART虛擬機會通過PathClassLoader去查找已安裝的apk檔案中的類，

Ok，這樣就替換成功了，重啟App，再呼叫原來的bug類，將會優先使用補丁包中的修復類，
為什么要重啟：因為雙親委派模型，一個類只會被ClassLoader加載一次，且加載過后的類不能卸載，

代碼實作

接下來我們動手擼一個乞丐版的Tinker，
首先我們寫一個bug類，

package com.baima.plugin;

class BugClass {
    public String getTitle(){
        return "這是個Bug";
    }
}

接著我們新建一個module來生成補丁包apk，
在這里插入圖片描述

創建bug修復類，注意包名類名要一樣，

package com.baima.plugin;

class BugClass {
    public String getTitle(){
        return "修復成功";
    }
}

生成補丁apk，讓用戶下載這個補丁包，接下來就是加載這個apk檔案并替換了，


    public void loadDexAndInject(Context appContext, String dexPath, String dexOptPath) {

        try {
            // 加載應用程式dex的Loader
            PathClassLoader pathLoader = (PathClassLoader) appContext.getClassLoader();
            //dexPath 補丁dex檔案所在的路徑
            //dexOptPath 補丁dex檔案被寫入后存放的路徑
            DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(dexPath, dexOptPath, null, pathLoader);
            //利用反射獲取DexClassLoader和PathClassLoader的pathList屬性
            Object dexPathList = getPathList(dexClassLoader);
            Object pathPathList = getPathList(pathLoader);
            //同樣用反射獲取DexClassLoader和PathClassLoader的dexElements屬性
            Object leftDexElements = getDexElements(dexPathList);
            Object rightDexElements = getDexElements(pathPathList);
            //合并兩個陣列，且補丁包的dex檔案在陣列的前面
            Object dexElements = combineArray(leftDexElements, rightDexElements);
            //反射將合并后的陣列賦值給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);// 創建一個型別為clazz，長度為k的新陣列
        System.arraycopy(arrayLeft, 0, result, 0, i);
        System.arraycopy(arrayRight, 0, result, i, j);
        return result;
    }

ok,乞丐版Tinker完成了，使用時先在Splash界面檢查是否有插件補丁，有的話執行替換，這時你再使用bug類會發現它已經被替換成補丁中的修復類了，

5.插件化

插件化開發模式，打包時是一個宿主apk+多個插件apk，
組件化開發模式，打包時是一個apk，里面分多個module，

優點:

安裝的主apk包會小好多
給開發者提供了業務功能擴展，并且不需要用戶進行更新
在非主apk包中的功能出現BUG時，可以及時修復
用戶不需要的功能，完全就不會出現在系統里面，減輕設備的負擔

需要掌握的知識：

1.類加載機制
2.四大組件啟動流程
3.AIDL、Binder機制
4.Hook、反射、代理

5.1 Activity啟動流程簡單介紹

在這里插入圖片描述

上圖是普通的Activity啟動流程，和根Activity啟動流程的區別是不用創建應用程式行程（Application Thread），

啟動程序：

應用程式行程中的Activity向AMS請求創建普通Activity
AMS會對這個Activty的生命周期管和堆疊進行管理，校驗Activity等等
如果Activity滿足AMS的校驗，AMS就會請求應用程式行程中的ActivityThread去創建并啟動普通Activity

他們之間的跨行程通信是通過Binder實作的，

5.2 插件化原理

通過上面介紹的熱修復，我們有辦法去加載插件apk里面的類，但是還沒有辦法去啟動插件中的Activity，因為如果要啟動一個Activity，那么這個Activity必須在AndroidManifest.xml中注冊，

這里介紹插件化的一種主流實作方式–Hook技術，

1.宿主App預留占坑Activity
2.使用classLoader加載dex檔案到記憶體
3.先使用占坑Activity繞過AMS驗證，接著用插件Activity替換占坑的Activity，

步驟1、2這里就不在贅述了，2就是上面講到的熱修復技術，

5.2.1 繞開驗證

AMS是在SystemServer行程中，我們無法直接進行修改，只能在應用程式行程中做文章，介紹一個類–IActivityManager，IActivityManager它通過AIDL（內部使用的是Binder機制）和SystemServer行程的AMS通訊，所以IActivityManager很適合作為一個hook點，

Activity啟動時會呼叫IActivityManager.startActivity方法向AMS發出啟動請求，該方法引數包含一個Intent物件，它是原本要啟動的Activity的Intent，我們可以動態代理IActivityManager的startActivity方法，將該Intent換為占坑Activity的Intent，并將原來的Intent作為引數傳遞過去，以此達到欺騙AMS繞開驗證，

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);
    }
}

接下來就通過反射的方式，將ActivityManager中的IActivityManager替換成我們的代理物件，

  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: 這里獲取IActivityManager實體會因為Android版本不同而不同，具體獲取方法就需要去看原始碼了解了，這里的代碼Android 8.0是可以運行的，

5.2.2還原插件Activity

ActivityThread啟動Activity的程序如下所示：

在這里插入圖片描述

ActivityThread會通過H在主執行緒中去啟動Activity,H類是ActivityThread的內部類并繼承自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中重寫的handleMessage方法會對LAUNCH_ACTIVITY型別的訊息進行處理，最侄訓呼叫Activity的onCreate方法，那么在哪進行替換呢？接著來看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用于處理訊息，可以看到如果Handler的Callback型別的mCallback不為null，就會執行mCallback的handleMessage方法，因此，mCallback可以作為Hook點，我們可以用自定義的Callback來替換mCallback，自定義的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 {
                //得到訊息中的Intent(啟動占坑Activity的Intent)
                Intent intent = (Intent) FieldUtil.getField(r.getClass(), r, "intent");
                //得到此前保存起來的Intent(啟動插件Activity的Intent)
                Intent target = intent.getParcelableExtra(HookHelper.TARGET_INTENT);
                //將占坑Activity的Intent替換為插件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將我們自定義的callBack設定給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();
        }
    }

其實要想啟動一個Activity到這步還沒有完，一個完整的Activity應該還需要布局檔案，而我們的宿主APP并不會包含插件的資源，

2.3 加載插件資源

2.3.1 Resources&AssetManager

android中的資源大致分為兩類：一類是res目錄下存在的可編譯的資源檔案，比如anim，string之類的，第二類是assets目錄下存放的原始資源檔案，因為Apk編譯的時候不會編譯這些檔案，所以不能通過id來訪問，當然也不能通過絕對路徑來訪問，于是Android系統讓我們通過Resources的getAssets方法來獲取AssetManager，利用AssetManager來訪問這些檔案，

其實Resource的getString, getText等各種方法都是通過呼叫AssetManager的私有方法來完成的，
程序就是Resource通過resource.arsc(AAPT工具打包程序中生成的檔案)把ID轉換成資源檔案的名稱，然后交由AssetManager來加載檔案，

AssetManager里有個很重要的方法addAssetPath(String path)方法，App啟動的時候會把當前apk的路徑傳進去，然后AssetManager就能訪問這個路徑下的所有資源也就是宿主apk的資源了，我們可以通過hook這個方法將插件的path傳進去，得到的AssetManager就能同時訪問宿主和插件的所有資源了，

 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());
            //接下來我們要將宿主原有Resources替換成我們上面生成的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();
        }
    }

2.3.2 id沖突

新的問題又出現了，宿主apk和插件apk是兩個不同的apk，他們在編譯時都會產生自己的resources.arsc，即他們是兩個獨立的編譯程序，那么它們的resources.arsc中的資源id必定是有相同的情況，這樣我們上面生成的新Resources中就出現了資源id重復的情況，這樣在運行的時候使用資源id來獲取資源就會報錯，

怎么解決資源Id沖突的問題？這里介紹一下VirtualApk采用的方案，

修改aapt的產物，即編譯后期重新整理插件Apk的資源，編排ID，更新R檔案

VirtualApkhook了ProcessAndroidResourcestask，這個task是用來編譯Android資源的，VirtualApk拿到這個task的輸出結果，做了以下處理:

1.根據編譯產生的R.txt檔案收集插件中所有的資源
2.根據編譯產生的R.txt檔案收集宿主apk中的所有資源
3.過濾插件資源:過濾掉在宿主中已經存在的資源
4.重新設定插件資源的資源ID
5.洗掉掉插件資源目錄下前面已經被過濾掉的資源
6.重新編排插件resources.arsc檔案中插件資源ID為新設定的資源ID
7.重新產生R.java檔案

大致原理是這樣的，但如何保證新的Id不會重復了，這里在介紹一下資源Id的組成，

在這里插入圖片描述

packageId: 前兩位是packageId，相當于一個命名空間，主要用來區分不同的包空間(不是不同的module)，目前來看，在編譯app的時候，至少會遇到兩個包空間：android系統資源包和咱們自己的App資源包，大家可以觀察R.java檔案，可以看到部分是以0x01開頭的，部分是以0x7f開頭的，以0x01開頭的就是系統已經內置的資源id，以0x7f開頭的是咱們自己添加的app資源id，

typeId：typeId是指資源的型別id，我們知道android資源有animator、anim、color、drawable、layout，string等等，typeId就是拿來區分不同的資源型別，

entryId：entryId是指每一個資源在其所屬的資源型別中所出現的次序，注意，不同型別的資源的Entry ID有可能是相同的，但是由于它們的型別不同，我們仍然可以通過其資源ID來區別開來，

所以為了避免沖突，插件的資源id通常會采用0x02 - 0x7e之間的數值，

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