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Android動態加載基礎淺談ClassLoader工作機制

編輯：關於Android編程

類加載器ClassLoader

早期使用過Eclipse等Java編寫的軟件的同學可能比較熟悉，Eclipse可以加載許多第三方的插件（或者叫擴展），這就是動態加載。這些插件大多是一些Jar包，而使用插件其實就是動態加載Jar包裡的Class進行工作。這其實非常好理解，Java代碼都是寫在Class裡面的，程序運行在虛擬機上時，虛擬機需要把需要的Class加載進來才能創建實例對象並工作，而完成這一個加載工作的角色就是ClassLoader。

對於Java程序來說，編寫程序就是編寫類，運行程序也就是運行類（編譯得到的class文件），其中起到關鍵作用的就是類加載器ClassLoader。

Android的Dalvik/ART虛擬機如同標准JAVA的JVM虛擬機一樣，在運行程序時首先需要將對應的類加載到內存中。因此，我們可以利用這一點，在程序運行時手動加載Class，從而達到代碼動態加載可執行文件的目的。Android的Dalvik/ART虛擬機雖然與標准Java的JVM虛擬機不一樣，ClassLoader具體的加載細節不一樣，但是工作機制是類似的，也就是說在Android中同樣可以采用類似的動態加載插件的功能，只是在Android應用中動態加載一個插件的工作要比Eclipse加載一個插件復雜許多（這點後面在解釋說明）。

`有幾個ClassLoader實例？`

動態加載的基礎是ClassLoader，從名字也可以看出，ClassLoader就是專門用來處理類加載工作的，所以這貨也叫類加載器，而且一個運行中的APP 不僅只有一個類加載器。

其實，在Android系統啟動的時候會創建一個Boot類型的ClassLoader實例，用於加載一些系統Framework層級需要的類，我們的Android應用裡也需要用到一些系統的類，所以APP啟動的時候也會把這個Boot類型的ClassLoader傳進來。

此外，APP也有自己的類，這些類保存在APK的dex文件裡面，所以APP啟動的時候，也會創建一個自己的ClassLoader實例，用於加載自己dex文件中的類。下面我們在項目裡驗證看看

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        ClassLoader classLoader = getClassLoader();
        if (classLoader != null){
            Log.i(TAG, "[onCreate] classLoader " + i + " : " + classLoader.toString());
            while (classLoader.getParent()!=null){
                classLoader = classLoader.getParent();
                Log.i(TAG,"[onCreate] classLoader " + i + " : " + classLoader.toString());
            }
        }
    }

輸出結果為

[onCreate] classLoader 1 : dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/me.kaede.anroidclassloadersample-1/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/vendor/lib, /system/lib]]]

[onCreate] classLoader 2 : java.lang.BootClassLoader@14af4e32

可以看見有2個Classloader實例，一個是BootClassLoader（系統啟動的時候創建的），另一個是PathClassLoader（應用啟動時創建的，用於加載“/data/app/me.kaede.anroidclassloadersample-1/base.apk”裡面的類）。由此也可以看出，一個運行的Android應用至少有2個ClassLoader。

`創建自己ClassLoader實例`

動態加載外部的dex文件的時候，我們也可以使用自己創建的ClassLoader實例來加載dex裡面的Class，不過ClassLoader的創建方式有點特殊，我們先看看它的構造方法

    /*
     * constructor for the BootClassLoader which needs parent to be null.
     */
    ClassLoader(ClassLoader parentLoader, boolean nullAllowed) {
        if (parentLoader == null && !nullAllowed) {
            throw new NullPointerException("parentLoader == null && !nullAllowed");
        }
        parent = parentLoader;
    }

創建一個ClassLoader實例的時候，需要使用一個現有的ClassLoader實例作為新創建的實例的Parent。這樣一來，一個Android應用，甚至整個Android系統裡所有的ClassLoader實例都會被一棵樹關聯起來，這也是ClassLoader的雙親代理模型（Parent-Delegation Model）的特點。

`ClassLoader雙親代理模型加載類的特點和作用`

JVM中ClassLoader通過defineClass方法加載jar裡面的Class，而Android中這個方法被棄用了。

    @Deprecated
    protected final Class defineClass(byte[] classRep, int offset, int length)
            throws ClassFormatError {
        throw new UnsupportedOperationException("can't load this type of class file");
    }

取而代之的是loadClass方法

    public Class loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(className, false);
    }

    protected Class loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = findLoadedClass(className);

        if (clazz == null) {
            ClassNotFoundException suppressed = null;
            try {
                clazz = parent.loadClass(className, false);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                suppressed = e;
            }

            if (clazz == null) {
                try {
                    clazz = findClass(className);
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    e.addSuppressed(suppressed);
                    throw e;
                }
            }
        }

        return clazz;
    }

`特點`

從源碼中我們也可以看出，loadClass方法在加載一個類的實例的時候，

會先查詢當前ClassLoader實例是否加載過此類，有就返回；

如果沒有。查詢Parent是否已經加載過此類，如果已經加載過，就直接返回Parent加載的類；

如果繼承路線上的ClassLoader都沒有加載，才由Child執行類的加載工作；

這樣做有個明顯的特點，如果一個類被位於樹根的ClassLoader加載過，那麼在以後整個系統的生命周期內，這個類永遠不會被重新加載。

`作用`

首先是共享功能，一些Framework層級的類一旦被頂層的ClassLoader加載過就緩存在內存裡面，以後任何地方用到都不需要重新加載。

除此之外還有隔離功能，不同繼承路線上的ClassLoader加載的類肯定不是同一個類，這樣的限制避免了用戶自己的代碼冒充核心類庫的類訪問核心類庫包可見成員的情況。這也好理解，一些系統層級的類會在系統初始化的時候被加載，比如java.lang.String，如果在一個應用裡面能夠簡單地用自定義的String類把這個系統的String類給替換掉，那將會有嚴重的安全問題。

`使用ClassLoader一些需要注意的問題`

我們都知道，我們可以通過動態加載獲得新的類，從而升級一些代碼邏輯，這裡有幾個問題要注意一下。

如果你希望通過動態加載的方式，加載一個新版本的dex文件，使用裡面的新類替換原有的舊類，從而修復原有類的BUG，那麼你必須保證在加載新類的時候，舊類還沒有被加載，因為如果已經加載過舊類，那麼ClassLoader會一直優先使用舊類。

如果舊類總是優先於新類被加載，我們也可以使用一個與加載舊類的ClassLoader沒有樹的繼承關系的另一個ClassLoader來加載新類，因為ClassLoader只會檢查其Parent有沒有加載過當前要加載的類，如果兩個ClassLoader沒有繼承關系，那麼舊類和新類都能被加載。

不過這樣一來又有另一個問題了，在Java中，只有當兩個實例的類名、包名以及加載其的ClassLoader都相同，才會被認為是同一種類型。上面分別加載的新類和舊類，雖然包名和類名都完全一樣，但是由於加載的ClassLoader不同，所以並不是同一種類型，在實際使用中可能會出現類型不符異常。

同一個Class = 相同的 ClassName + PackageName + ClassLoader

以上問題在采用動態加載功能的開發中容易出現，請注意。

`DexClassLoader 和 PathClassLoader`

在Android中，ClassLoader是一個抽象類，實際開發過程中，我們一般是使用其具體的子類DexClassLoader、PathClassLoader這些類加載器來加載類的，它們的不同之處是：

DexClassLoader可以加載jar/apk/dex，可以從SD卡中加載未安裝的apk；

PathClassLoader只能加載系統中已經安裝過的apk；

`類加載器的初始化`

平時開發的時候，使用DexClassLoader就夠用了，但是我們不妨挖一下這兩者具體細節上的區別。

// DexClassLoader.java
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), libraryPath, parent);
    }
}

// PathClassLoader.java
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }

    public PathClassLoader(String dexPath, String libraryPath,
            ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, libraryPath, parent);
    }
}

這兩者只是簡單的對BaseDexClassLoader做了一下封裝，具體的實現還是在父類裡。不過這裡也可以看出，PathClassLoader的optimizedDirectory只能是null，進去BaseDexClassLoader看看這個參數是干什麼的

public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
            String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.originalPath = dexPath;
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
    }

這裡創建了一個DexPathList實例，進去看看

    public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
            String libraryPath, File optimizedDirectory) {
        ……
        this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory);
    }

    private static Element[] makeDexElements(ArrayList files,
            File optimizedDirectory) {
        ArrayList elements = new ArrayList();
        for (File file : files) {
            ZipFile zip = null;
            DexFile dex = null;
            String name = file.getName();
            if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
                dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory);
            } else if (name.endsWith(APK_SUFFIX) || name.endsWith(JAR_SUFFIX)
                    || name.endsWith(ZIP_SUFFIX)) {
                zip = new ZipFile(file);
            }
            ……
            if ((zip != null) || (dex != null)) {
                elements.add(new Element(file, zip, dex));
            }
        }
        return elements.toArray(new Element[elements.size()]);
    }

    private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory)
            throws IOException {
        if (optimizedDirectory == null) {
            return new DexFile(file);
        } else {
            String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
            return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0);
        }
    }

    /**
     * Converts a dex/jar file path and an output directory to an
     * output file path for an associated optimized dex file.
     */
    private static String optimizedPathFor(File path,
            File optimizedDirectory) {
        String fileName = path.getName();
        if (!fileName.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
            int lastDot = fileName.lastIndexOf(".");
            if (lastDot < 0) {
                fileName += DEX_SUFFIX;
            } else {
                StringBuilder sb = new StringBuilder(lastDot + 4);
                sb.append(fileName, 0, lastDot);
                sb.append(DEX_SUFFIX);
                fileName = sb.toString();
            }
        }
        File result = new File(optimizedDirectory, fileName);
        return result.getPath();
    }

看到這裡我們明白了，optimizedDirectory是用來緩存我們需要加載的dex文件的，並創建一個DexFile對象，如果它為null，那麼會直接使用dex文件原有的路徑來創建DexFile 對象。

optimizedDirectory必須是一個內部存儲路徑，還記得我們之前說過的，無論哪種動態加載，加載的可執行文件一定要存放在內部存儲。DexClassLoader可以指定自己的optimizedDirectory，所以它可以加載外部的dex，因為這個dex會被復制到內部路徑的optimizedDirectory；而PathClassLoader沒有optimizedDirectory，所以它只能加載內部的dex，這些大都是存在系統中已經安裝過的apk裡面的。

`加載類的過程`

上面還只是創建了類加載器的實例，其中創建了一個DexFile實例，用來保存dex文件，我們猜想這個實例就是用來加載類的。

Android中，ClassLoader用loadClass方法來加載我們需要的類

  public Class loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(className, false);
    }

    protected Class loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = findLoadedClass(className);
        if (clazz == null) {
            ClassNotFoundException suppressed = null;
            try {
                clazz = parent.loadClass(className, false);
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                suppressed = e;
            }

            if (clazz == null) {
                try {
                    clazz = findClass(className);
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    e.addSuppressed(suppressed);
                    throw e;
                }
            }
        }
        return clazz;
    }

loadClass方法調用了findClass方法，而BaseDexClassLoader重載了這個方法，得到BaseDexClassLoader看看

@Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = pathList.findClass(name);
        if (clazz == null) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
        return clazz;
    }

結果還是調用了DexPathList的findClass

    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;
    }

這裡遍歷了之前所有的DexFile實例，其實也就是遍歷了所有加載過的dex文件，再調用loadClassBinaryName方法一個個嘗試能不能加載想要的類，真是簡單粗暴

    public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader) {
        return defineClass(name, loader, mCookie);
    }
    private native static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, int cookie);

看到這裡想必大家都明白了，loadClassBinaryName中調用了Native方法defineClass加載類。

至此，ClassLoader的創建和加載類的過程的完成了。有趣的是，標准JVM中，ClassLoader是用defineClass加載類的，而Android中defineClass被棄用了，改用了loadClass方法，而且加載類的過程也挪到了DexFile中，在DexFile中加載類的具體方法也叫defineClass，不知道是Google故意寫成這樣的還是巧合。

`自定義ClassLoader`

平時進行動態加載開發的時候，使用DexClassLoader就夠了。但我們也可以創建自己的類去繼承ClassLoader，需要注意的是loadClass方法並不是final類型的，所以我們可以重載loadClass方法並改寫類的加載邏輯。

通過前面我們分析知道，ClassLoader雙親代理的實現很大一部分就是在loadClass方法裡，我們可以通過重寫loadClass方法避開雙親代理的框架，這樣一來就可以在重新加載已經加載過的類，也可以在加載類的時候注入一些代碼。這是一種Hack的開發方式，采用這種開發方式的程序穩定性可能比較差，但是卻可以實現一些“黑科技”的功能。

`Android程序比起一般Java程序在使用動態加載時麻煩在哪裡`

通過上面的分析，我們知道使用ClassLoader動態加載一個外部的類是非常容易的事情，所以很容易就能實現動態加載新的可執行代碼的功能，但是比起一般的Java程序，在Android程序中使用動態加載主要有兩個麻煩的問題：

Android中許多組件類（如Activity、Service等）是需要在Manifest文件裡面注冊後才能工作的（系統會檢查該組件有沒有注冊），所以即使動態加載了一個新的組件類進來，沒有注冊的話還是無法工作；

Res資源是Android開發中經常用到的，而Android是把這些資源用對應的R.id注冊好，運行時通過這些ID從Resource實例中獲取對應的資源。如果是運行時動態加載進來的新類，那類裡面用到R.id的地方將會拋出找不到資源或者用錯資源的異常，因為新類的資源ID根本和現有的Resource實例中保存的資源ID對不上；

說到底，拋開虛擬機的差別不說，一個Android程序和標准的Java程序最大的區別就在於他們的上下文環境（Context）不同。Android中，這個環境可以給程序提供組件需要用到的功能，也可以提供一些主題、Res等資源，其實上面說到的兩個問題都可以統一說是這個環境的問題，而現在的各種Android動態加載框架中，核心要解決的東西也正是“如何給外部的新類提供上下文環境”的問題。