Android解析ClassLoader（二）Android中的ClassLoader

時間  2019-11-16
標籤 android 解析 classloader 欄目 Android 简体版
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Android解析ClassLoader系列html

前言

在上一篇文章咱們學習了Java的ClassLoader，不少同窗會把Java和Android的ClassLoader搞混，甚至會認爲Android中的ClassLoader和Java中的ClassLoader是同樣的，這顯然是不對的。這一篇文章咱們就來學習Android中的ClassLoader，來看看它和Java中的ClassLoader有何不一樣。
java

1.ClassLoader的類型

咱們知道Java中的ClassLoader能夠加載jar文件和Class文件（本質是加載Class文件），這一點在Android中並不適用，由於不管是DVM仍是ART它們加載的再也不是Class文件，而是dex文件，這就須要從新設計ClassLoader相關類，咱們先來學習ClassLoader的類型。
Android中的ClassLoader類型和Java中的ClassLoader類型相似，也分爲兩種類型，分別是系統ClassLoader和自定義ClassLoader。其中系統ClassLoader包括三種分別是BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。android

1.1 BootClassLoader

Android系統啓動時會使用BootClassLoader來預加載經常使用類，與Java中的BootClassLoader不一樣，它並非由C/C++代碼實現，而是由Java實現的，BootClassLoade的代碼以下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ClassLoader.javac++

class BootClassLoader extends ClassLoader {
    private static BootClassLoader instance;
    @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
    public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BootClassLoader();
        }
        return instance;
    }
...
}複製代碼

BootClassLoader是ClassLoader的內部類，並繼承自ClassLoader。BootClassLoader是一個單例類，須要注意的是BootClassLoader的訪問修飾符是默認的，只有在同一個包中才能夠訪問，所以咱們在應用程序中是沒法直接調用的。安全

1.2 PathClassLoader

Android系統使用PathClassLoader來加載系統類和應用程序的類，若是是加載非系統應用程序類，則會加載data/app/目錄下的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件，不論是加載哪一種文件，最終都是要加載dex文件，在這裏爲了方便理解，咱們將dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件統稱爲dex相關文件。PathClassLoader不建議開發直接使用。來查看它的代碼：
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/PathClassLoader.javabash

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);
    }
}複製代碼

PathClassLoader繼承自BaseDexClassLoader，很明顯PathClassLoader的方法實現都在BaseDexClassLoader中。從PathClassLoader的構造方法也能夠看出它遵循了雙親委託模式，不瞭解雙親委託模式請查看 Android解析ClassLoader（一）Java中的ClassLoader 這篇文章。
PathClassLoader的構造方法有三個參數：app

  • dexPath：dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件的路徑集合，多個路徑用文件分隔符分隔，默認文件分隔符爲‘：’。
  • librarySearchPath：包含 C/C++ 庫的路徑集合，多個路徑用文件分隔符分隔分割，能夠爲null。
  • parent：ClassLoader的parent。

1.3 DexClassLoader

DexClassLoader能夠加載dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件，也支持從SD卡進行加載，這也就意味着DexClassLoader能夠在應用未安裝的狀況下加載dex相關文件。所以，它是熱修復和插件化技術的基礎。來查看它的代碼，以下所示。
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexClassLoader.javasocket

public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
        }
}複製代碼

DexClassLoader構造方法的參數要比PathClassLoader多一個optimizedDirectory參數，參數optimizedDirectory表明什麼呢？咱們知道應用程序第一次被加載的時候，爲了提升之後的啓動速度和執行效率，Android系統會對dex相關文件作必定程度的優化，並生成一個ODEX文件，此後再運行這個應用程序的時候，只要加載優化過的ODEX文件就好了，省去了每次都要優化的時間，而參數optimizedDirectory就是表明存儲ODEX文件的路徑，這個路徑必須是一個內部存儲路徑。
PathClassLoader沒有參數optimizedDirectory，這是由於PathClassLoader已經默認了參數optimizedDirectory的路徑爲：/data/dalvik-cache。DexClassLoader 也繼承自BaseDexClassLoader ，方法實現也都在BaseDexClassLoader中。ide

2.ClassLoader的繼承關係

運行一個Android程序須要用到幾種類型的類加載器呢？以下所示。學習

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        ClassLoader loader = MainActivity.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            Log.d("liuwangshu",loader.toString());//1
            loader = loader.getParent();
        }
    }
}複製代碼

首先咱們獲得MainActivity的類加載器，並在註釋1處經過Log打印出來，接着打印出當前類的類加載器的父加載器，直到沒有父加載器終止循環。打印結果以下所示。

10-07 07:23:02.835 8272-8272/? D/liuwangshu: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/lib/x86, /vendor/lib, /system/lib]]]
10-07 07:23:02.835 8272-8272/? D/liuwangshu: java.lang.BootClassLoader@e175998

能夠看到有兩種類加載器，一種是PathClassLoader，另外一種則是BootClassLoader。DexPathList中包含了不少apk的路徑，其中/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk就是示例應用安裝在手機上的位置。關於DexPathList後續文章會進行介紹。

和Java中的ClassLoader同樣，雖然系統所提供的類加載器有3種類型，可是系統提供的ClassLoader相關類卻不僅3個。ClassLoader的繼承關係以下圖所示。


能夠看到上面一共有7個ClassLoader相關類，其中有一些和Java中的ClassLoader相關類十分相似，下面簡單對它們進行介紹：

  • ClassLoader是一個抽象類，其中定義了ClassLoader的主要功能。BootClassLoader是它的內部類。
  • SecureClassLoader類和JDK8中的SecureClassLoader類的代碼是同樣的，它繼承了抽象類ClassLoader。SecureClassLoader並非ClassLoader的實現類，而是拓展了ClassLoader類加入了權限方面的功能，增強了ClassLoader的安全性。
  • URLClassLoader類和JDK8中的URLClassLoader類的代碼是同樣的，它繼承自SecureClassLoader，用來經過URl路徑從jar文件和文件夾中加載類和資源。
  • BaseDexClassLoader繼承自ClassLoader，是抽象類ClassLoader的具體實現類，PathClassLoader和DexClassLoader都繼承它。

3.BootClassLoader的建立

BootClassLoader是在什麼時候被建立的呢？這得先從Zygote進程開始提及，不瞭解Zygote進程的能夠查看Android系統啓動流程（二）解析Zygote進程啓動過程這篇文章。
ZygoteInit的main方法以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

public static void main(String argv[]) {
   ...
        try {
             ...
                preload(bootTimingsTraceLog);
             ... 
        }
    }複製代碼

main方法是ZygoteInit入口方法，其中調用了ZygoteInit的preload方法，preload方法中又調用了ZygoteInit的preloadClasses方法，以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static void preloadClasses() {
        final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();
        InputStream is;
        try {
            is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);//1
        } catch (FileNotFoundException e) {
            Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
            return;
        }
        ...
        try {
            BufferedReader br
                = new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);//2

            int count = 0;
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {//3
                line = line.trim();
                if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
                    continue;
                }
                  Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
                try {
                    if (false) {
                        Log.v(TAG, "Preloading " + line + "...");
                    }
                    Class.forName(line, true, null);//4
                    count++;
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    Log.w(TAG, "Class not found for preloading: " + line);
                } 
        ...
        } catch (IOException e) {
            Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
        } finally {
            ...
        }
    }複製代碼

preloadClasses方法用於Zygote進程初始化時預加載經常使用類。註釋1處將/system/etc/preloaded-classes文件封裝成FileInputStream，preloaded-classes文件中存有預加載類的目錄，這個文件在系統源碼中的路徑爲frameworks/base/preloaded-classes，這裏列舉一些preloaded-classes文件中的預加載類名稱，以下所示。

android.app.ApplicationLoaders
android.app.ApplicationPackageManager
android.app.ApplicationPackageManager$OnPermissionsChangeListenerDelegate
android.app.ApplicationPackageManager$ResourceName
android.app.ContentProviderHolder
android.app.ContentProviderHolder$1
android.app.ContextImpl
android.app.ContextImpl$ApplicationContentResolver
android.app.DexLoadReporter
android.app.Dialog
android.app.Dialog$ListenersHandler
android.app.DownloadManager
android.app.Fragment複製代碼

能夠看到preloaded-classes文件中的預加載類的名稱有不少都是咱們很是熟知的。預加載屬於拿空間換時間的策略，Zygote環境配置的越健全越通用，應用程序進程須要單獨作的事情也就越少，預加載除了預加載類，還有預加載資源和預加載共享庫，由於不是本文重點，這裏就不在延伸講下去了。
回到preloadClasses方法的註釋2處，將FileInputStream封裝爲BufferedReader，並註釋3處遍歷BufferedReader，讀出全部預加載類的名稱，每讀出一個預加載類的名稱就調用註釋4處的代碼加載該類，Class的forName方法以下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/Class.java

@CallerSensitive
    public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
                                   ClassLoader loader)
        throws ClassNotFoundException
    {
        if (loader == null) {
            loader = BootClassLoader.getInstance();//1
        }
        Class<?> result;
        try {
            result = classForName(name, initialize, loader);//2
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            Throwable cause = e.getCause();
            if (cause instanceof LinkageError) {
                throw (LinkageError) cause;
            }
            throw e;
        }
        return result;
    }複製代碼

註釋1處建立了BootClassLoader，並將BootClassLoader實例傳入到了註釋2處的classForName方法中，classForName方法是Native方法，它的實現由c/c++代碼來完成，以下所示。

@FastNative
    static native Class<?> classForName(String className, boolean shouldInitialize,
            ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException;複製代碼

4.PathClassLoader的建立

PathClassLoader的建立也得從Zygote進程開始提及，Zygote進程啓動SyetemServer進程時會調用ZygoteInit的startSystemServer方法，以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName) throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
    ...
        int pid;
        try {
            parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);//2
            ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
            ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);
            /*1*/
            pid = Zygote.forkSystemServer(
                    parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
                    parsedArgs.gids,
                    parsedArgs.debugFlags,
                    null,
                    parsedArgs.permittedCapabilities,
                    parsedArgs.effectiveCapabilities);
        } catch (IllegalArgumentException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }
       if (pid == 0) {//2
           if (hasSecondZygote(abiList)) {
               waitForSecondaryZygote(socketName);
           }
           handleSystemServerProcess(parsedArgs);//3
       }
       return true;
   }複製代碼

註釋1處，Zygote進程經過forkSystemServer方法fork自身建立子進程（SystemServer進程）。註釋2處若是forkSystemServer方法返回的pid等於0，說明當前代碼是在新建立的SystemServer進程中執行的，接着就會執行註釋3處的handleSystemServerProcess方法：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

private static void handleSystemServerProcess( ZygoteConnection.Arguments parsedArgs) throws Zygote.MethodAndArgsCaller {

    ...
        if (parsedArgs.invokeWith != null) {
           ...
        } else {
            ClassLoader cl = null;
            if (systemServerClasspath != null) {
                cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion);//1
                Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
            }
            ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
        }
    }複製代碼

註釋1處調用了createPathClassLoader方法，以下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

static PathClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
      String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");
      return PathClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath,
                                                      libraryPath,
                                                      libraryPath,
                                                      ClassLoader.getSystemClassLoader(),
                                                      targetSdkVersion,
                                                      true /* isNamespaceShared */);
    }複製代碼

createPathClassLoader方法中又會調用PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法，看來PathClassLoader是用工廠來進行建立的。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/PathClassLoaderFactory.java

public static PathClassLoader createClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, String libraryPermittedPath, ClassLoader parent, int targetSdkVersion, boolean isNamespaceShared) {
        PathClassLoader pathClassloader = new PathClassLoader(dexPath, librarySearchPath, parent);
      ...
        return pathClassloader;
    }複製代碼

在PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法中會建立PathClassLoader。

結語

在這篇文章中咱們學習了Android的ClassLoader的類型、ClassLoader的繼承關係以及BootClassLoader和PathClassLoader是什麼時候建立的。BootClassLoader是在Zygote進程的入口方法中建立的，PathClassLoader則是在Zygote進程建立SystemServer進程時建立的。本系列後續文章會接着介紹Android中的ClassLoader的其餘知識點，敬請期待。

參考資料
Android動態加載之ClassLoader詳解
熱修復入門：Android 中的 ClassLoader
淺析dex文件加載機制

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