热修复原理浅析（二）

了解热修复，需要有点预热的知识，先从class文件和dex文件说起

class文件和dex文件

class文件

什么是class文件

他是一种文件格式

简单说，就是能被JVM虚拟机识别、加载、并执行的文件格式

而且除了java语言，还有很多其他语言也可以编译出class文件，当然还有kotlin

上图摘抄自【深入Java虚拟机】之二：Class类文件结构

如何手动编译出一个class文件

很简单
javac hello.java

class文件的作用

记录一个类文件里的所有信息，记住是一个类文件，而且是所有信息

Class类文件结构

详细的可参考【深入Java虚拟机】之二：Class类文件结构

这里简要说一下：

1. Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件中，中间没有添加任何分隔符，这使得整个Class文件中存储的内容几乎全部都是程序运行的必要数据。

2. 下表列出了Class文件中各个数据项的具体含义：

magic

每个Class文件的头4个字节称为魔数（magic），它的唯一作用是判断该文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。它的值固定为0xCAFEBABE。

version

紧接着magic的4个字节存储的是Class文件的次版本号和主版本号，高版本的JDK能向下兼容低版本的Class文件，但不能运行更高版本的Class文件。

constant_pool

常量池是class文件中非常重要的结构，它描述着整个class文件的字面量信息。
常量池是由一组constant_pool结构体数组组成的，而数组的大小则由常量池计数器指定。
常量池计数器constant_pool_count 的值 =constant_pool表中的成员数+ 1。constant_pool表的索引值只有在大于 0 且小于constant_pool_count时才会被认为是有效的。

access_flag

this_class、super_class、interfaces

fields

methods

attributes

来个大图

好了，看看二进制文件究竟长什么样

这个是使用一个工具来查看class文件的内容

为什么Android没使用class文件，而是创造了dex文件呢

1. class文件内存占用大，不适合移动端，最关键就是一个class文件只能表述一个类文件的所有属性
2. 堆栈的加载模式，加载速度较慢
3. 文件IO操作多，类查找慢

dex文件

什么是dex文件

能被DVM虚拟机识别、加载、并执行的文件格式

如何手动编译一个dex文件

在build-tools里面找到dx.bat

要使用dx命令，记得配置环境变量

1. javac命令 生成class文件

javac hello.java

2. dx命令 生成dex文件

dx --dex --output hello.dex hello.class

3. adb命令把hello.dex文件放到手机内存卡

adb push hello.dex /storage/emulated/0

4. 进入shell

adb shell

5. dalvikvm命令 执行dex文件里的hello方法

   注意dex文件必须在Andriod手机执行，因为手机里才有DVM虚拟机

dalvikvm -cp /sdcard/hello.dex hello

dex文件的作用

一个class文件只是记录一个Java类的所有信息

但是一个dex记录所有类文件的信息，是整个工程的信息

dex文件结构

上图中的文件头部分，记录了dex文件的信息，所有字段大致的一个分部；

索引区部分，主要包含字符串、类型、方法原型、域、方法的索引；

索引区最终又被存储在数据区，其中链接数据区，主要存储动态链接库，so库的信息。

dex文件长什么样子呢

来张大图

一张图理解dex

dex与class异同

当java程序编译成class后，还需要使用dx工具将所有的class文件整合到一个dex文件，目的是其中各个类能够共享数据，在一定程度上降低了冗余，同时也是文件结构更加经凑，实验表明，dex文件是传统jar文件大小的50%左右

class与dex异同之处

编年体与纪传体

纪传体通过记叙人物活动反映历史事件的体裁，通过记叙人物活动，反映历史事件。 如：《秦始皇本记.class》《项羽本纪.class》《高祖本纪.class》

编年体是中国传统史书的一种体裁，它是以年代为线索编排有关历史事件。编年体史书以时间为中心，按年、月、日顺序记述史事。因为它以时间为经，以史事为纬，比较容易反映出同一时期各个历史事件的联系。 例如：《春秋.dex》《左传.dex》《资治通鉴.dex》。

JVM虚拟机简介

jvm整体结构与组成

内存里存储class文件的不同部分,对应内存空间里的不同部分

编译流程

类加载器

jvm的classloader与Android里的classloader区别较大

下图为jvm的类加载器，

Android的类加载器是热修复的核心，接下来会专门说

类加载流程

jvm内存管理和垃圾回收

java栈区

java栈帧

每个方法从调用到执行完成，就是对应一个栈帧在虚拟机从入栈到出栈的过程

栈帧里包含局部变量表、栈操作数、动态链接、方法入口

A方法调用B方法，就会在调用B方法代码时，java虚拟就就会创建一个保存B方法的栈帧，然后压入栈区，当B方法执行完后，这个栈帧就会弹出栈区，这就是使我们经常说的，栈内存不需要我们管理，局部变量会在方法调用结束后，自动回收。

另外，从这里可以看出，每个方法对应一个栈帧，如果递归方法嵌套太深，当栈的深度大于jvm所允许的最大深度时候，会引起Stack Overflow，栈溢出，所以递归慎用，

本地方法栈

为native方法服务的，也是通过栈帧实现对本地方法的调用

方法区

存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、及时编译器编译后的数据
这块区域，永远占据内存，知道退出进程

所以常量、静态变量生命周期很长，只有App退出，才会被回收，所以，很多内存泄漏都是不合理使用静态变量引起的

堆区

所有通过new创建的对象的内存都在堆区分配
是虚拟机中最大的一块内存，是GC要回收的部分

新生代与老生代，简单说，刚刚创建的对象会存在新生代里，当新生代对象越来越多，内存不足时候，jvm会通过自己的一套算法，把对象从新生代移动到老生代，这样新生代就会多出一部分空间了，还能接受新的对象。当新生代和老生代的内存都满了，再来对象就会oom

为什么要分新生代+老生代

这是为了让开发者动态调整新生代和老生代的大小，例如在做即时通讯时，临时的消息对象创建的比较多，就可以把新生代这块区域调整大一些，便于新对象的分配

垃圾回收

引用计数算法

引用计数器：被引用+1,引用销毁-1，为0，则可以被销毁

循环引用的时候，此算法失效

可达性算法

被GCRoot直接或者间接引用的对象，就不可销毁

引用类型

强软弱虚

弱引用的创建与使用

垃圾回收算法

标记-清除算法

好处：不需要让对象进行移动，仅需要对不存活的对象进行处理，在存活对象较多时候，执行效率高效，但是内存碎片很多

复制算法

好处：当存活的对象比较少时，较为高效，但是需要另外一块空间，用于管理移动

标记-整理算法

1. 先遍历把可回收对象扫描出来，如B
2. 扫描清除未标记对象
3. 把存活的对象，进行移动，没有内存碎片

以上三种算法各有优缺点，虚拟机根据不同情况，采用不同算法，进行垃圾回收

触发回收

1. jvm无法为新对象创建内存了
2. 手动调用System.gc（）方法（并不会马上执行gc）
3. 低优先级的gc线程，被运行时就会执行

Dalvik 虚拟机与Jvm异同之处

1. 执行文件不同，一个是class文件，一个是dex
2. 类加载系统区别较大
3. Dalvik 可以同时存在多个，Jvm只能同时存在一个
4. Dalvik是基于寄存器的，jvm是基于栈的

jvm的方法调用是就栈的，前面说的栈帧
Dalvik是基于寄存器的，寄存器是比内存更快的存储介质

ART虚拟机

虽然Dalvik虚拟机已经不错了，但是google工程师研发了ATR虚拟机，更加高效

• DVM使用JIT将字节码转换为机器码，效率低

app每次运行都会把字节码转换为机器码，再去执行，退出应用，在进入app，又会再次把字节码转为机器码，效率很低的

• ART采用的是AOT预编译技术，执行速度更快

在app安装时候，就把字节码转为本地机器码，存在本地，因此，只要app启动，直接执行机器码，而不是每次转换。

但是采用ART预编译技术，app安装时间快比较长，而且在手机里占用空间多
空间换时间

Classlodaer

java里的classloder

android的classloader

classloader种类

• BootClassLoader

  加载framework层的字节码文件

• PathClassLoader

  加载安装到系统里的app的class文件

• DexClassLoader

  加载指定目录的class文件

• BaseDexClassloader

  PathClassLoader和DexClassLoader的父类

其实一个app最少需要BootClassLoader和PathClassLoader才能正常运行

我们打印下app里的classlodaer

//  打印所有的ClassLoader
var classLoader = classLoader
if (classLoader != null) {
    Log.e("cjx", "ClassLoader---$classLoader")
    while (classLoader.parent != null) {
        classLoader = classLoader.parent
        Log.e("cjx", "ClassLoader---$classLoader")
    }
}

ClassLoader的特点

双亲代理模式

1. classloader加载字节码时，先询问当前classloader是不是加载过此类，如果加载过，直接返回（不会重复加载字节码）
2. 如果没有加载过，询问父classloader是不是加载过，如果加载过返回parent加载过的字节码文件
3. 如果整个继承线路都没加载过这个字节码，才会由子classloader完成加载

由此可见，一个字节码文件被任意一个classLoader加载过，就不会被其他classLoader加载了，提高了加载效率，也带来了另外特性

类加载共享功能

一个字节码文件一旦被顶层classLoader加载过，就会被整个继承体系所共有

类加载隔离功能

不同继承路线的classLoader加载的类，肯定不是同一个类，防止被冒充

例如String这个类,肯定在顶层的classLoader里会把它加载，这样就避免，你自己写个classLoader来篡改string这个类的加载过程

什么样的类才能叫做是同一个类呢

同一个包名+同一个类名+同一个类加载器加载的类，才叫同一个类

ClassLoader的源码

如果都找不到，会走findClass方法，看一下这个方法

那么ClassLoader有哪些子类呢

源码目录

间接子类：DexClassloader

DexClassloader源码查看

上面的第二个参数很重要，这个路径是系统内部的路径，就是因为这个参数，才能去把未安装到app里的dex文件，加载进来

间接子类：PathClassLoader

PathClassLoader源码查看

其实这两个间接地子类，什么也没做，只是一个能加载外部的dex文件，一个只能加载apk内部的文件，主要逻辑还是他们的父类BaseDexClassloader实现的，我们接着看BaseDexClassloader的findClass方法，看看是如何加载dex文件的

直接子类：BaseDexClassloader

BaseDexClassloader源码查看

发现直接调用的是DexpathList的findclass方法

DexPathList源码

Element是类DexPathList的一个内部类，它其中重要的一个变量就是DexFile，就是dex文件。

看看这个Element[]是怎么实现的

来到makePathElement方法

makePathElements方法核心作用就是将指定路径中的所有文件转化成DexFile同时存储到到Element[]这个数组中。nativeLibraryDirectories 就是lib库了。
最终在findclass方法中实现。

接着看看dexFile的loadClassBinaryName方法，我们进入DexFile这个类

DexFile源码查看

回顾一下，我们的源码解析经历了些什么

1. 首先看了ClassLoder 的双亲委托模式的实现，发现最终指向了findClass()这个方法
2. 然后发现他是一个空实现，他等着子类去实现
3. ClassLoader有一个直接子类BaseDexClassloader和两个间接子类DexClassloader 、PathClassLoader其实这两个间接地子类，什么也没做，只是DexClassloader能加载外部的dex文件，PathClassLoader只能加载apk内部的文件，主要逻辑还是他们的父类BaseDexClassloader实现的
4. 在BaseDexClassloader里发现findClass，调用的是DexPathList的findClass方法
5. 在DexPathList里，先看到一个Element这个内部类，他里面有个重要的变量叫DexFile，Element[]是通过makePathElement实现的
6. makePathElement遍历所有文件，把所有dex加载为dexFile，并且存到Element[]里
7. Ok终于来到BaseDexClassloader的findClass方法，他会遍历所有dexElement,通过clss的名字，加载这个类为class对象
8. dexFile加载class的实现是通过native实现的，就这样

类加载热修复原理

经过对PathClassLoader、DexClassLoader、BaseDexClassLoader、DexPathList的分析，我们知道，安卓的类加载器在加载一个类时会先从自身DexPathList对象中的Element数组中获取（Element[] dexElements）到对应的类，之后再加载。采用的是数组遍历的方式，不过注意，遍历出来的是一个个的dex文件。在for循环中，首先遍历出来的是dex文件，然后再是从dex文件中获取class，所以，我们只要让修复好的class打包成一个dex文件，放于Element数组的第一个元素，这样就能保证获取到的class是最新修复好的class了（当然，有bug的class也是存在的，不过是放在了Element数组的最后一个元素中，所以没有机会被拿到而已。