HotFix

Dex分包机制

大家都知道，我们开发的代码在被编译成class文件后会被打包成一个dex文件。但是dex文件有一个限制，由于方法id是一个short类型，所以导致了一个dex文件最多只能存放65536个方法。随着现今App的开发日益复杂，导致方法数早已超过了这个上限。为了解决这个问题，Google提出了multidex方案，即一个apk文件可以包含多个dex文件。 不过值得注意的是，除了第一个dex文件以外，其他的dex文件都是以资源的形式被加载的，换句话说就是在Application.onCreate()方法中被注入到系统的ClassLoader中的。这也就为热修复提供了一种可能：将修复后的代码达成补丁包，然后发送到客户端，客户端在启动的时候到指定路径下加载对应dex文件即可。 根据Android虚拟机的类加载机制，同一个类只会被加载一次，所以要让修复后的类替换原有的类就必须让补丁包的类被优先加载。接下来看下Android虚拟机的类加载机制。

类加载机制

Android的类加载机制和jvm加载机制类似，都是通过ClassLoader来完成，只是具体的类不同而已

Android系统通过PathClassLoader来加载系统类和主dex中的类。而DexClassLoader则用于加载其他dex文件中的类。上述两个类都是继承自BaseDexClassLoader，具体的加载方法是findClass:

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    private final DexPathList pathList;

    /**
     * Constructs an instance.
     *
     * @param dexPath the list of jar/apk files containing classes and
     * resources, delimited by {@code File.pathSeparator}, which
     * defaults to {@code ":"} on Android
     * @param optimizedDirectory directory where optimized dex files
     * should be written; may be {@code null}
     * @param libraryPath the list of directories containing native
     * libraries, delimited by {@code File.pathSeparator}; may be
     * {@code null}
     * @param parent the parent class loader
     */
    public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
            String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        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;
    }
}

从代码中可以看到加载类的工作转移到了pathList中，pathList是一个DexPathList类型，从变量名和类型名就可以看出这是一个维护Dex的容器：

/*package*/ final class DexPathList {
    private static final String DEX_SUFFIX = ".dex";
    private static final String JAR_SUFFIX = ".jar";
    private static final String ZIP_SUFFIX = ".zip";
    private static final String APK_SUFFIX = ".apk";

    /** class definition context */
    private final ClassLoader definingContext;

    /**
     * List of dex/resource (class path) elements.
     * Should be called pathElements, but the Facebook app uses reflection
     * to modify 'dexElements' (http://b/7726934).
     */
    private final Element[] dexElements;

    /**
     * Finds the named class in one of the dex files pointed at by
     * this instance. This will find the one in the earliest listed
     * path element. If the class is found but has not yet been
     * defined, then this method will define it in the defining
     * context that this instance was constructed with.
     *
     * @param name of class to find
     * @param suppressed exceptions encountered whilst finding the class
     * @return the named class or {@code null} if the class is not
     * found in any of the dex files
     */
    public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
        for (Element element : dexElements) {
            DexFile dex = element.dexFile;

            if (dex != null) {
                Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
                if (clazz != null) {
                    return clazz;
                }
            }
        }
        if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
            suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
        }
        return null;
    }
}

DexPathList的findClass也很简单，dexElements是维护dex文件的数组，每一个item对应一个dex文件。DexPathList遍历dexElements，从每一个dex文件中查找目标类，在找到后即返回并停止遍历。所以要想达到热修复的目的就必须让补丁dex在dexElements中的位置先于原有dex：

如何打包补丁包

创建Demo

package com.biyan.demo
public class MainActivity extends Activity {

    private Calculator mCal;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        mCal = new Calculator();
    }
    public void click(View view) {
        Toast.makeText(this, String.valueOf(mCal.calculate()),Toast.LENGTH_SHORT).show();
    }
}

Public class Caculoator {
    public float calculate() {
        return 1 / 0;
    }
}

创建补丁包

首先修复Calculator的bug。

package com.biyan.demo
Public class Caculoator {
    public float calculate() {
        return 1 / 1;
    }
}

重新编译项目，在build目录下找到Calculator.class文件,将其拷出来，准备打包。放置在于Calculator包名相同的路径下。

将其打成jar包：

jar -cvf patch.jar com

然后再将对应的jar包打成dex包：

dx --dex --output=patch_dex.jar patch.jar

dx是讲jar包打成dex包的工具，安装在path-android-sdk/build-tools/version(如24.0.0)/dx。 patch_dex.jar就是补丁包，接下来将其安装在sdCard中，接下来应用从sdCard上加载该补丁包。

加载补丁

加载补丁的思路如下:

1. 在Application的onCreate()方法中获取应用本身的BaseDexClassLoader,然后通过反射得到对应的dexElements

2. 创建一个新的DexClassLoader实例，然后加载sdCard上的补丁包，然后通过同样的方法得到对应的dexElements

3. 将两个dexElements合并，然后再利用反射将合并后的dexElements赋值给应用本身的BaseDexClassLoader

import android.app.Application;
import android.os.Environment;
import android.util.Log;
import java.io.File;
import java.lang.reflect.Array;
import java.lang.reflect.Field;
import dalvik.system.DexClassLoader;

/**
 * Created by hp on 2016/4/6.
 */
public class HotPatchApplication extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();

        // 获取补丁，如果存在就执行注入操作
        String dexPath = Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath().concat("/patch_dex.jar");
        File file = new File(dexPath);
        if (file.exists()) {
            inject(dexPath);
        } else {
            Log.e("BugFixApplication", dexPath + "不存在");
        }
    }

    /**
     * 要注入的dex的路径
     *
     * @param path
     */
    private void inject(String path) {
        try {
            // 获取classes的dexElements
            Class<?> cl = Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
            Object pathList = getField(cl, "pathList", getClassLoader());
            Object baseElements = getField(pathList.getClass(), "dexElements", pathList);

            // 获取patch_dex的dexElements（需要先加载dex）
            String dexopt = getDir("dexopt", 0).getAbsolutePath();
            DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(path, dexopt, dexopt, getClassLoader());
            Object obj = getField(cl, "pathList", dexClassLoader);
            Object dexElements = getField(obj.getClass(), "dexElements", obj);

            // 合并两个Elements
            Object combineElements = combineArray(dexElements, baseElements);

            // 将合并后的Element数组重新赋值给app的classLoader
            setField(pathList.getClass(), "dexElements", pathList, combineElements);

            //======== 以下是测试是否成功注入 =================
            Object object = getField(pathList.getClass(), "dexElements", pathList);
            int length = Array.getLength(object);
            Log.e("BugFixApplication", "length = " + length);

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 通过反射获取对象的属性值
     */
    private Object getField(Class<?> cl, String fieldName, Object object) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = cl.getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        return field.get(object);
    }

    /**
     * 通过反射设置对象的属性值
     */
    private void setField(Class<?> cl, String fieldName, Object object, Object value) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = cl.getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        field.set(object, value);
    }

    /**
     * 通过反射合并两个数组
     */
    private Object combineArray(Object firstArr, Object secondArr) {
        int firstLength = Array.getLength(firstArr);
        int secondLength = Array.getLength(secondArr);
        int length = firstLength + secondLength;

        Class<?> componentType = firstArr.getClass().getComponentType();
        Object newArr = Array.newInstance(componentType, length);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            if (i < firstLength) {
                Array.set(newArr, i, Array.get(firstArr, i));
            } else {
                Array.set(newArr, i, Array.get(secondArr, i - firstLength));
            }
        }
        return newArr;
    }

}

核心代码就这么多，接下来运行一下程序。程序还是Crash了。。。

原因是类预校验问题引起的：

• 在apk安装的时候系统会将dex文件优化成odex文件，在优化的过程中会涉及一个预校验的过程

• 如果一个类的static方法，private方法，override方法以及构造函数中引用了其他类，而且这些类都属于同一个dex文件，此时该类就会被打上CLASS_ISPREVERIFIED

• 如果在运行时被打上CLASS_ISPREVERIFIED的类引用了其他dex的类，就会报错

• 所以MainActivity的onCreate()方法中引用另一个dex的类就会出现上文中的问题

• 正常的分包方案会保证相关类被打入同一个dex文件

• 想要使得patch可以被正常加载，就必须保证类不会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标记。而要实现这个目的就必须要在分完包后的class中植入对其他dex文件中类的引用

• 要在已经编译完成后的类中植入对其他类的引用，就需要操作字节码，惯用的方案是插桩。常见的工具有javaassist，asm等。

CLASS_ISPREVERIFIED

我在这里总结了一个过程，想知道详细分析过程的请看QQ空间开发团队的原文。

1. 在apk安装的时候，虚拟机会将dex优化成odex后才拿去执行。在这个过程中会对所有class一个校验。

2. 校验方式：假设A该类在它的static方法，private方法，构造函数，override方法中直接引用到B类。如果A类和B类在同一个dex中，那么A类就会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标记

3. 被打上这个标记的类不能引用其他dex中的类，否则就会报图中的错误

4. 在我们的Demo中，MainActivity和Cat本身是在同一个dex中的，所以MainActivity被打上了CLASS_ISPREVERIFIED。而我们修复bug的时候却引用了另外一个dex的Cat.class，所以这里就报错了

5. 而普通分包方案则不会出现这个错误，因为引用和被引用的两个类一开始就不在同一个dex中，所以校验的时候并不会被打上CLASS_ISPREVERIFIED

6. 补充一下第二条：A类如果还引用了一个C类，而C类在其他dex中，那么A类并不会被打上标记。换句话说，只要在static方法，构造方法，private方法，override方法中直接引用了其他dex中的类，那么这个类就不会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标记。

解决方案

根据上面的第六条，我们只要让所有类都引用其他dex中的某个类就可以了。

下面是QQ控件给出的解决方案

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1. 在所有类的构造函数中插入这行代码 System.out.println(AntilazyLoad.class); 这样当安装apk的时候，classes.dex内的类都会引用一个在不相同dex中的AntilazyLoad类，这样就防止了类被打上CLASS_ISPREVERIFIED的标志了，只要没被打上这个标志的类都可以进行打补丁操作。

2. hack.dex在应用启动的时候就要先加载出来，不然AntilazyLoad类会被标记为不存在，即使后面再加载hack.dex，AntilazyLoad类还是会提示不存在。该类只要一次找不到，那么就会永远被标上找不到的标记了。

3. 我们一般在Application中执行dex的注入操作，所以在Application的构造中不能加上System.out.println(AntilazyLoad.class);这行代码，因为此时hack.dex还没有加载进来，AntilazyLoad并不存在。

4. 之所以选择构造函数是因为他不增加方法数，一个类即使没有显式的构造函数，也会有一个隐式的默认构造函数。

插入代码的难点

1. 首先在源码中手动插入不太可行，hack.dex此时并没有加载进来，AntilazyLoad.class并不存在，编译不通过。

2. 所以我们需要在源码编译成字节码之后，在字节码中进行插入操作。对字节码进行操作的框架有很多，但是比较常用的则是ASM和javaassist

3. 但AndroidStudio是使用Gradle构建项目，编译-打包都是自动化的

参考：http://blog.csdn.net/u010386612/article/details/51077291

使用Javassist注入字节码

http://blog.csdn.net/u010386612/article/details/51131642

这篇博文解决了class_ispreverified问题，并且成功使用javassist注入字节码，完成了热补丁框架的雏形。 但是还有几个需要解决的问题

1. 补丁没有签名校验，不安全，容易被恶意注入代码

2. 混淆开启的情况下，类名可能被更换，补丁打包不成功。

自动化生成补丁——解决混淆问题

http://blog.csdn.net/u010386612/article/details/51192421