class, classloder, dex 详解

class与dex文件

什么是class文件

class文件是一种能够被JVM识别，加载并且执行的文件格式。

class文件的作用

class文件的作用是记录一个类文件的所有信息。

例如记住了当前类的引用this、父类super等等。class文件记录的信息往往比java文件多。

class文件的结构

• 8位字节的二进制流文件
• 各个数据紧密排列，无间隙，减少了文件体积，加快加载速度
• 每个类或者接口单独占据一个class文件，每个类单独管理，没有交叉

class文件的弊端

• 内存占用大，不适合于移动端
• 堆栈的加载模式导致加载速度慢
• 文件IO操作多，类查找慢

什么是dex文件

能够被DVM或者Art虚拟机执行并且加载的文件格式。

dex文件的作用

dex文件的作用是记录整个工程（通常是一个Android工程）的所有类文件的信息。

dex文件的结构

• 8位字节的二进制流文件
• 各个数据紧密排列，无间隙，减少了文件体积，加快加载速度
• 整个工程的类信息都存放在一个dex文件中（不考虑dex分包的情况下）

class文件与dex文件的比较

• 本质上都是一样的，都是二进制流文件格式，dex文件是从class文件演变而来的
• class文件存在冗余信息，dex文件则去掉了冗余，并且整合了整个工程的类信息。

结构对比图如下：

 

类加载机制是做热修复以及插件化的很重要的理论基础。

Java中的ClassLoader回顾

如下图所示：

 

ClassLoader的特性

ClassLoader的主要特性是双亲委托机制，即加载一个类的时候，先判断已经存在的类是否被加载过，如果没有，先去委托父亲去加载。如果父亲都没有加载成功的话，那么最终由自己加载。最终这个类最终没有合适的CLassLoader加载，那么就会抛出异常，相关的ClassLoader源码如下：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
        // 先判断这个类是否已经被加载过
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 如果没有被加载过，那么委托父亲去加载
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }
            // 如果父亲没有加载，那么最终由自己（实现类）负责加载
            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

                // this is the defining class loader; record the stats
            }
        }
        return c;
}

其中CLassLoader的findClass方法是空实现，需要自己继承然后实现：

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

这种双亲委托机制有两种好处：

1. 实现类加载的共享功能，提升类加载的效率。

2. 实现类加载的隔离功能，提升系统的安全性。比如，通过这种方式，系统的String类只能由系统的ClassLoader加载。

Android中的ClassLoader整体概述

Android中的ClassLoader的整体架构继承关系如下：

 

其中，ClassLoader分别为：

• BootClassLoader：与Java中的Bootstrap ClassLoader类似，主要加载Android Framework中的字节码文件。
• PathClassLoader：与Java中的App ClassLoader类似，主要加载已经安装到系统中的APK中的字节码文件。
• DexClassLoader：与Java中的Customer ClassLoader类似，主要加载自定义路径下的APK或者JAR中的字节码文件（Android中主要是指dex文件，即classes.dex）。

其中，BaseDexClassLoader是PathClassLoader以及DexClassLoader的父类，PathClassLoader以及DexClassLoader的逻辑都在这个父类中实现。

BootClassLoader和PathClassLoader是一个普通的APP所需要的（定制ROM另外说），最基本的ClassLoader，通过下面的代码可以证明：

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_main);

    ClassLoader cl = this.getClassLoader();
    Log.e(TAG, "onCreate: " + cl);
    while (cl.getParent() != null) {
        cl = cl.getParent();
        Log.e(TAG, "onCreate: " + cl);
    }

}

打印结果只有BootClassLoader和PathClassLoader：

09-06 14:29:01.571 3165-3165/com.nan.loadapkdemo E/MainActivity: onCreate: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/base.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.nan.loadapkdemo-1/lib/x86, /system/lib, /vendor/lib]]]
09-06 14:29:01.571 3165-3165/com.nan.loadapkdemo E/MainActivity: onCreate: java.lang.BootClassLoader@b173b34

上面就分析完了classes.dex文件是如何通过ClassLoader的初始化装载进来的，下面继续分析一个类是如何通过PathClassLoader或者DexClassLoader进行加载的，这时候就需要看父类BaseDexClassLoader的findClass方法了：

@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;
}

这里面看到，实际上就是调用了PathList的findClass方法：

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;
}

这个方法就是遍历初始化创建好的内部Element[]数组里面的DexFile对象，最终是通过DexFile的loadClassBinaryName进行加载的：

public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
    return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
}

defineClass的实现如下：

private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
                                 DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed) {
    Class result = null;
    try {
        result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);
    } catch (NoClassDefFoundError e) {
        if (suppressed != null) {
            suppressed.add(e);
        }
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        if (suppressed != null) {
            suppressed.add(e);
        }
    }
    return result;
}

到最后，defineClassNative是一个native方法：

private static native Class defineClassNative(String name, ClassLoader loader, Object cookie, DexFile dexFile)

defineClassNative 是通过C/C++实现，这个方法去dex文件中查找指定name的类，并且拼接成Class字节码，返回给Java层。通过native实现是为了提高效率。

整个加载流程一气呵成，如下图所示：

实现动态加载

如下面所示，演示了最简单的动态加载的方案：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        String apkPath = getExternalCacheDir().getAbsolutePath() + "/bundle.apk";
        loadApk(apkPath);
    }

    private void loadApk(String apkPath) {
        File optFile = getDir("opt", MODE_PRIVATE);
        // 通过DexClassLoader加载制定的APK文件
        DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(apkPath, optFile.getAbsolutePath(), null, getClassLoader());
        try {
            // 通过反射去使用对象
            Class clz = dexClassLoader.loadClass("com.loubinfeng.www.boundle.Printer");
            if (clz != null) {
                Object instance = clz.newInstance();
                Method method = clz.getMethod("print");
                method.invoke(instance);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

实现动态加载的难点

实现动态加载难点比较多：

• 资源的访问问题
• 四大组件的生命周期管理问题
• 插件ClassLoader的管理
• so库的动态加载等等

参考文章：

http://www.jianshu.com/p/37cad7a901b1

http://www.jianshu.com/p/2eb518941681