Android虚拟机以及类加载

2022-05-24

Android虚拟机以及类加载

Android虚拟机

JVM与Dalvik

Android应用程序运行在Dalvik/ART虚拟机，并且每一个应用程序对应有一个单独的Dalvik虚拟机实例。Dalvik虚拟机实则也算是一个Java虚拟机，只不过它执行的不是class文件，而是dex文件。
Dalvik虚拟机与Java虚拟机（JVM）共享有差不多的特性，差别在于两者执行的指令集是不一样的，前者的指令集是基于寄存器的，而后者的指令集是基于堆栈的。

JVM基于栈的

对于基于栈的虚拟机来说，每一个运行时的线程，都有一个独立的栈。栈中记录了方法调用的历史，每有一次方法调用，栈中便会多一个栈桢。最顶部的栈桢称作当前栈桢，其代表着当前执行的方法。基于栈的虚拟机通过操作数栈进行所有操作。

JVM基于栈

Dalvik基于寄存器

寄存器

寄存器是CPU的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。

基于寄存器的虚拟机中没有操作数栈，但是有很多虚拟寄存器。其实和操作数栈相同，这些寄存器也存放在运行时栈中，本质上就是一个数组。与JVM相似，在Dalvik VM中每个线程都有自己的PC和调用栈，方法调用的活动记录以帧为单位保存在调用栈上。

寄存器

JVM和Dalvik的指令对比

int x = 4; int y = 2; 计算 (x + y) * (x - y) ：

// JVM 字节码指令（基于栈）
0: iload_1	// 从局部变量1号槽位读取变量x的值到操作数栈 [4
1: iload_2	// 从局部变量2号槽位读取变量y的值到操作数栈 [4,2
2: iadd		// 栈顶两个元素相加并保存到操作数栈(x+y)   [6
3: iload_1	// 从局部变量1号槽位读取变量x的值到操作数栈 [6,4
4: iload_2	// 从局部变量2号槽位读取变量y的值到操作数栈 [6,4,2
5: isub		// 栈顶两个元素相减并保存到操作数栈(x-y)   [6,2
6: imul		// 栈顶两个元素相乘并保存到操作数栈        [12

// DVM 字节码指令（基于寄存器）
0000: add-int v0, v3, v4	// 将v3和v4寄存器的值相加并保存到v0寄存器(x+y)
0002: sub-int v1, v3, v4	// 将v3和v4寄存器的值相减并保存到v1寄存器(x-y)
0004: mul-int/2addr v0, v1	// 将v0和v1寄存器的值相乘并保存到v0寄存器

与JVM版相比，可以发现Dalvik版程序的指令数明显减少了，数据移动次数也明显减少了。

ART与Dalvik

DVM也是实现了JVM规范的一个虚拟器，默认使用CMS垃圾回收器，但是与JVM运行 Class 字节码不同，DVM执行 Dex(Dalvik Executable Format) ——专为 Dalvik 设计的一种压缩格式。Dex 文件是很多 .class 文件处理压缩后的产物，最终可以在 Android 运行时环境执行。

而ART（Android Runtime）是在 Android 4.4 中引入的一个开发者选项，也是 Android 5.0 及更高版本的默认Android 运行时。ART 和 Dalvik 都是运行 Dex 字节码的兼容运行时，因此针对 Dalvik 开发的应用也能在 ART 环境中运作。

dexopt

在Dalvik中虚拟机在加载一个dex文件时，对 dex 文件进行验证和优化的操作，其对 dex 文件的优化结果变成了 odex(Optimized dex) 文件，这个文件和 dex 文件很像，只是使用了一些优化操作码。

dex2oat

ART 预先编译机制，在安装时对 dex 文件执行AOT 提前编译操作，编译为OAT（实际上是ELF文件）可执行文件（机器码）。

Art

Android N的运作方式

ART 使用预先 (AOT) 编译，并且从 Android N混合使用AOT编译，解释和JIT。

1、最初安装应用时不进行任何 AOT 编译，运行过程中解释执行，对经常执行的方法进行JIT，经过 JIT 编译的方法将会记录到Profile配置文件中。

2、当设备闲置和充电时，编译守护进程会运行，根据Profile文件对常用代码进行 AOT 编译。待下次运行时直接使用。

Android N ART

类加载

任何一个 Java 程序都是由一个或多个 class 文件组成，在程序运行时，需要将 class 文件加载到 JVM 中才可以使用，负责加载这些 class 文件的就是 Java 的类加载机制。ClassLoader 的作用简单来说就是加载 class 文件，提供给程序运行时使用。每个 Class 对象的内部都有一个 classLoader 字段来标识自己是由哪个 ClassLoader 加载的。

1	class Class<T> { ... private transient ClassLoader classLoader; ... }

ClassLoader是一个抽象类，而它的具体实现类主要有：

BootClassLoader

用于加载Android Framework层class文件。
PathClassLoader

用于Android应用程序类加载器。可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex
DexClassLoader

用于加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex
PathClassLoader

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

DexClassLoader

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);
    }
}

可以看到两者唯一的区别在于：创建 DexClassLoader 需要传递一个 optimizedDirectory 参数，并且会将其创建为 File 对象传给 super ，而 PathClassLoader 则直接给到null。因此两者都可以加载指定的dex，以及jar、zip、apk中的classes.dex

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PathClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());
File dexOutputDir = context.getCodeCacheDir(); 
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader("/sdcard/xx.dex",dexOutputDir.getAbsolutePath(), null,getClassLoader());

其实, optimizedDirectory 参数就是dexopt的产出目录(odex)。那 PathClassLoader 创建时，这个目录为null，就意味着不进行dexopt？并不是， optimizedDirectory 为null时的默认路径为：**/data/dalvik-cache**。

在API 26源码中，将DexClassLoader的optimizedDirectory标记为了 deprecated 弃用，实现也变为了：

……和PathClassLoader一摸一样了！
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public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) { super(dexPath, null, librarySearchPath, parent); }

双亲委派

什么是双亲委派模式？

某个类加载器在加载类时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务或者没有父类加载器时，才自己去加载。

为什么使用双亲委派模式？

避免重复加载，当父加载器已经加载了该类的时候，就没有必要子ClassLoader再加载一次。

安全性考虑，防止核心API库被随意篡改。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
     throws ClassNotFoundException
 {
     synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
         // 检查class有没有被加载过
         Class<?> c = findLoadedClass(name);
         if (c == null) {
             long t0 = System.nanoTime();
             try {
                 if (parent != null) {
                     //如果parent不为null，则调用parent的loadClass进行加载
                     c = parent.loadClass(name, false);
                 } else {
                     //如果parent为null，则调用BootClassLoader进行加载
                     c = findBootstrapClassOrNull(name);
                 }
             } catch (ClassNotFoundException e) {
                 
             }

             if (c == null) {      
                 long t1 = System.nanoTime();
               //如果都找不到，就自己查找
                 c = findClass(name);
                 sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                 sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                 sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
             }
         }
         if (resolve) {
             resolveClass(c);
         }
         return c;
     }
 }

findClass

可以看到在所有父ClassLoader无法加载Class时，则会调用自己的 findClass 方法。 findClass 在ClassLoader中的定义为:

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

其实任何ClassLoader子类，都可以重写 loadClass 与 findClass 。一般如果你不想使用双亲委托，则重写loadClass 修改其实现。而重写 findClass 则表示在双亲委托下，父ClassLoader都找不到Class的情况下，定义自己如何去查找一个Class。而我们的 PathClassLoader 会自己负责加载 MainActivity 这样的程序中自己编写的类，利用双亲委托父ClassLoader加载Framework中的 Activity 。说明 PathClassLoader 并没有重写loadClass ，因此我们可以来看看PathClassLoader中的 findClass 是如何实现的。

https://android.googlesource.com/platform/libcore-snapshot/+/refs/heads/ics-mr1/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java

@Override
  protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    //查找指定的class
    Class clazz = pathList.findClass(name);
      if (clazz == null) {
          throw new ClassNotFoundException(name);
      }
      return clazz;
  }

实现非常简单，从 pathList 中查找class。继续查看 DexPathList

https://android.googlesource.com/platform/libcore-snapshot/+/refs/heads/ics-mr1/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java

public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
           String libraryPath, File optimizedDirectory) {
  //.........
        // splitDexPath 实现为返回 List<File>.add(dexPath) 
        // makeDexElements 会去 List<File>.add(dexPath) 中使用DexFile加载dex文件返回 Element数组
       this.dexElements =
           makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory);
//.........
   }

public Class findClass(String name) {
  //从element中获得代表Dex的 DexFile
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;
        if (dex != null) {
          //查找class
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    return null;
}

类加载

热修复

PathClassLoader 中存在一个Element数组，Element类中存在一个dexFile成员表示dex文件，即：APK中有X个dex，则Element数组就有X个元素。

热修复

在 PathClassLoader 中的Element数组为：[patch.dex , classes.dex , classes2.dex]。如果存在Key.class位于patch.dex与classes2.dex中都存在一份，当进行类查找时，循环获得 dexElements 中的DexFile，查找到了Key.class则立即返回，不会再管后续的element中的DexFile是否能加载到Key.class了。

因此实际上，一种热修复实现可以将出现Bug的class单独的制作一份fifix.dex文件(补丁包)，然后在程序启动时，从服务器下载fifix.dex保存到某个路径，再通过fifix.dex的文件路径，用其创建 Element 对象，然后将这个 Element 对象插入到我们程序的类加载器 PathClassLoader 的 pathList 中的 dexElements 数组头部。这样在加载出现Bug的class时会优先加载fifix.dex中的修复类，从而解决Bug。