Android动态加载之ClassLoader详解

2017-01-14 15:49:58来源:http://www.jianshu.com/p/a620e368389a作者:SilenceDut人点击

Dalvik虚拟机如同其他Java虚拟机一样,在运行程序时首先需要将对应的类加载到内存中。而在Java标准的虚拟机中,类加载可以从class文件中读取,也可以是其他形式的二进制流。因此,我们常常利用这一点,在程序运行时手动加载Class,从而达到代码动态加载执行的目的。
只不过Android平台上虚拟机运行的是Dex字节码,一种对class文件优化的产物,传统Class文件是一个Java源码文件会生成一个.class文件,而Android是把所有Class文件进行合并,优化,然后生成一个最终的class.dex,目的是把不同class文件重复的东西只需保留一份,如果我们的Android应用不进行分dex处理,最后一个应用的apk只会有一个dex文件。


Android平台的ClassLoader

Android中的ClassLoader

Android中类加载器有BootClassLoader,URLClassLoader,
PathClassLoader,DexClassLoader,BaseDexClassLoader,等都最终继承自java.lang.ClassLoader。



ClassLoader
java.lang.ClassLoader是所有ClassLoader的最终父类。构造方法主要以下两种
1.传入一个父类构造器

实际构造器
2.无参默认构造法







无参构造器
可以看出ClassLoader主要就是传入一个父构造器,而且一般父构造器不能为空,不像java虚拟机里父构造器为空时默认的父构造器为Bootstrap ClassLoader。Android中默认无父构造器传入的情况下,默认父构造器为一个PathClassLoader且此PathClassLoader父构造器为BootClassLoader。
ClassLoader中重要的方法是loadClass(String name),其他的子类都继承了此方法且没有进行复写。

laodClass.png
可以看出在加载类时首先判断这个类是否之前被加载过,如果有则直接返回,如果没有则首先尝试让parent ClassLoader进行加载,加载不成功才在自己的findClass中进行加载。这和java虚拟机中常见的双亲委派模型一致的,这种模型并不是一个强制性的约束模型,比如你可以继承ClassLoader复写loadCalss方法来破坏这种模型,只不过双亲委派模是一种被推荐的实现类加载器的方式,而且jdk1.2以后已经不提倡用户在覆盖loadClass方法,而应该把自己的类加载逻辑写到findClass中。
BootClassLoader
和java虚拟机中不同的是BootClassLoader是ClassLoader内部类,由java代码实现而不是c++实现,是Android平台上所有ClassLoader的最终parent,这个内部类是包内可见,所以我们没法使用。
URLClassLoader
只能用于加载jar文件,但是由于 dalvik 不能直接识别jar,所以在 Android 中无法使用这个加载器。
BaseDexClassLoader
PathClassLoader和DexClassLoader都继承自BaseDexClassLoader,其中的主要逻辑都是在BaseDexClassLoader完成的。这些源码在java/dalvik/system中。
先看下BaseDexClassLoader的构造方式:

BaseDexClassLoader.png

BaseDexClassLoader的构造函数包含四个参数,分别为:
dexPath,指目标类所在的APK或jar文件的路径,类装载器将从该路径中寻找指定的目标类,该类必须是APK或jar的全路径.如果要包含多个路径,路径之间必须使用特定的分割符分隔,特定的分割符可以使用System.getProperty(“path.separtor”)获得。上面"支持加载APK、DEX和JAR,也可以从SD卡进行加载"指的就是这个路径,最终做的是将dexPath路径上的文件ODEX优化到内部位置optimizedDirectory,然后,再进行加载的。
File optimizedDirectory,由于dex文件被包含在APK或者Jar文件中,因此在装载目标类之前需要先从APK或Jar文件中解压出dex文件,该参数就是制定解压出的dex 文件存放的路径。这也是对apk中dex根据平台进行ODEX优化的过程。其实APK是一个程序压缩包,里面包含dex文件,ODEX优化就是把包里面的执行程序提取出来,就变成ODEX文件,因为你提取出来了,系统第一次启动的时候就不用去解压程序压缩包的程序,少了一个解压的过程。这样的话系统启动就加快了。为什么说是第一次呢?是因为DEX版本的也只有第一次会解压执行程序到 /data/dalvik-cache(针对PathClassLoader)或者optimizedDirectory(针对DexClassLoader)目录,之后也是直接读取目录下的的dex文件,所以第二次启动就和正常的差不多了。当然这只是简单的理解,实际生成的ODEX还有一定的优化作用。ClassLoader只能加载内部存储路径中的dex文件,所以这个路径必须为内部路径。
libPath,指目标类中所使用的C/C++库存放的路径
classload,是指该装载器的父装载器,一般为当前执行类的装载器,例如在Android中以context.getClassLoader()作为父装载器。

DexClassLoader
在看下DexClassLoader和PathClassLoader的构造器:

DexClassLoader
DexClassLoader支持加载APK、DEX和JAR,也可以从SD卡进行加载。
上面说dalvik不能直接识别jar,DexClassLoader却可以加载jar文件,这难道不矛盾吗?其实在BaseDexClassLoader里对".jar",".zip",".apk",".dex"后缀的文件最后都会生成一个对应的dex文件,所以最终处理的还是dex文件,而URLClassLoader并没有做类似的处理。
一般我们都是用这个DexClassLoader来作为动态加载的加载器。
PathClassLoader

PathClassLoader


optimized_dexFilepath

很简单明了,可以看出PathClassLoader没有将optimizedDirectory置为Null,也就是没设置优化后的存放路径。其实optimizedDirectory为null时的默认路径就是/data/dalvik-cache 目录。
PathClassLoader是用来加载Android系统类和应用的类,并且不建议开发者使用。

advice
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,在art虚拟机上PathClassLoader可以加载未安装的apk的dex(在art平台上已验证),然而在/data/dalvik-cache 确未找到相应的dex文件,怀疑是art虚拟机判断apk未安装,所以只是将apk优化后的odex放在内存中,之后进行释放,这只是个猜想,希望有知道的可以告知一下。因为dalvik上无法使用,所以我们也没法使用。
ClassLoader加载class的过程
#BaseDexClassLoader
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
Class clazz = pathList.findClass(name);
if (clazz == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return clazz;
}
#DexPathList
public Class findClass(String name) {
for (Element element : dexElements) {
DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
}
return null;
}
#DexFile
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader) {
return defineClass(name, loader, mCookie);
}
private native static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, int cookie);

可以看出,BaseDexClassLoader中有个pathList对象,pathList中包含一个DexFile的数组dexElements,由上面分析知道,dexPath传入的原始dex(.apk,.zip,.jar等)文件在optimizedDirectory文件夹中生成相应的优化后的odex文件,dexElements数组就是这些odex文件的集合,如果不分包一般这个数组只有一个Element元素,也就只有一个DexFile文件,而对于类加载呢,就是遍历这个集合,通过DexFile去寻找。最终调用native方法的defineClass。


ART虚拟机的兼容性问题

Android Runtime(缩写为ART),在Android 5.0及后续Android版本中作为正式的运行时库取代了以往的Dalvik虚拟机。ART能够把应用程序的字节码转换为机器码,是Android所使用的一种新的虚拟机。它与Dalvik的主要不同在于:Dalvik采用的是JIT技术,字节码都需要通过即时编译器(just in time ,JIT)转换为机器码,这会拖慢应用的运行效率,而ART采用Ahead-of-time(AOT)技术,应用在第一次安装的时候,字节码就会预先编译成机器码,这个过程叫做预编译。ART同时也改善了性能、垃圾回收(Garbage Collection)、应用程序除错以及性能分析。但是请注意,运行时内存占用空间较少同样意味着编译二进制需要更高的存储。
ART模式相比原来的Dalvik,会在安装APK的时候,使用Android系统自带的dex2oat工具把APK里面的.dex文件转化成OAT文件,OAT文件是一种Android私有ELF文件格式,它不仅包含有从DEX文件翻译而来的本地机器指令,还包含有原来的DEX文件内容。这使得我们无需重新编译原有的APK就可以让它正常地在ART里面运行,也就是我们不需要改变原来的APK编程接口。ART模式的系统里,同样存在DexClassLoader类,包名路径也没变,只不过它的具体实现与原来的有所不同,但是接口是一致的。实际上,ART运行时就是和Dalvik虚拟机一样,实现了一套完全兼容Java虚拟机的接口。


参考:
【Android动态加载入门 简单加载模式-作者:kaedea】




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