Android解析ClassLoader(二)Android中的ClassLoader

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前言

在上一篇文章我们学习了Java的ClassLoader,很多同学会把Java和Android的ClassLoader搞混,甚至会认为Android中的ClassLoader和Java中的ClassLoader是一样的,这显然是不对的。这一篇文章我们就来学习Android中的ClassLoader,来看看它和Java中的ClassLoader有何不同。

1.ClassLoader的类型

我们知道Java中的ClassLoader可以加载jar文件和Class文件(本质是加载Class文件),这一点在Android中并不适用,因为无论是DVM还是ART它们加载的不再是Class文件,而是dex文件,这就需要重新设计ClassLoader相关类,我们先来学习ClassLoader的类型。
Android中的ClassLoader类型和Java中的ClassLoader类型类似,也分为两种类型,分别是系统ClassLoader和自定义ClassLoader。其中系统ClassLoader包括三种分别是BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。

1.1 BootClassLoader

Android系统启动时会使用BootClassLoader来预加载常用类,与Java中的BootClassLoader不同,它并不是由C/C++代码实现,而是由Java实现的,BootClassLoade的代码如下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ClassLoader.java

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;
}
...
}

BootClassLoader是ClassLoader的内部类,并继承自ClassLoader。BootClassLoader是一个单例类,需要注意的是BootClassLoader的访问修饰符是默认的,只有在同一个包中才可以访问,因此我们在应用程序中是无法直接调用的。

1.2 PathClassLoader

Android系统使用PathClassLoader来加载系统类和应用程序的类,如果是加载非系统应用程序类,则会加载data/app/目录下的dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件,不管是加载那种文件,最终都是要加载dex文件,在这里为了方便理解,我们将dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件统称为dex相关文件。PathClassLoader不建议开发直接使用。来查看它的代码:
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/PathClassLoader.java

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);
}
}

PathClassLoader继承自BaseDexClassLoader,很明显PathClassLoader的方法实现都在BaseDexClassLoader中。从PathClassLoader的构造方法也可以看出它遵循了双亲委托模式,不了解双亲委托模式请查看 Android解析ClassLoader(一)Java中的ClassLoader 这篇文章。
PathClassLoader的构造方法有三个参数:

  • dexPath:dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件的路径集合,多个路径用文件分隔符分隔,默认文件分隔符为‘:’。
  • librarySearchPath:包含 C/C++ 库的路径集合,多个路径用文件分隔符分隔分割,可以为null。
  • parent:ClassLoader的parent。

1.3 DexClassLoader

DexClassLoader可以加载dex文件以及包含dex的apk文件或jar文件,也支持从SD卡进行加载,这也就意味着DexClassLoader可以在应用未安装的情况下加载dex相关文件。因此,它是热修复和插件化技术的基础。来查看它的代码,如下所示。
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexClassLoader.java

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

DexClassLoader构造方法的参数要比PathClassLoader多一个optimizedDirectory参数,参数optimizedDirectory代表什么呢?我们知道应用程序第一次被加载的时候,为了提高以后的启动速度和执行效率,Android系统会对dex相关文件做一定程度的优化,并生成一个ODEX文件,此后再运行这个应用程序的时候,只要加载优化过的ODEX文件就行了,省去了每次都要优化的时间,而参数optimizedDirectory就是代表存储ODEX文件的路径,这个路径必须是一个内部存储路径。
PathClassLoader没有参数optimizedDirectory,这是因为PathClassLoader已经默认了参数optimizedDirectory的路径为:/data/dalvik-cache。DexClassLoader 也继承自BaseDexClassLoader ,方法实现也都在BaseDexClassLoader中。

2.ClassLoader的继承关系

运行一个Android程序需要用到几种类型的类加载器呢?如下所示。

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();
}
}
}

首先我们得到MainActivity的类加载器,并在注释1处通过Log打印出来,接着打印出当前类的类加载器的父加载器,直到没有父加载器终止循环。打印结果如下所示。

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

可以看到有两种类加载器,一种是PathClassLoader,另一种则是BootClassLoader。DexPathList中包含了很多apk的路径,其中/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk就是示例应用安装在手机上的位置。关于DexPathList后续文章会进行介绍。

和Java中的ClassLoader一样,虽然系统所提供的类加载器有3种类型,但是系统提供的ClassLoader相关类却不只3个。ClassLoader的继承关系如下图所示。

可以看到上面一共有7个ClassLoader相关类,其中有一些和Java中的ClassLoader相关类十分类似,下面简单对它们进行介绍:

  • ClassLoader是一个抽象类,其中定义了ClassLoader的主要功能。BootClassLoader是它的内部类。
  • SecureClassLoader类和JDK8中的SecureClassLoader类的代码是一样的,它继承了抽象类ClassLoader。SecureClassLoader并不是ClassLoader的实现类,而是拓展了ClassLoader类加入了权限方面的功能,加强了ClassLoader的安全性。
  • URLClassLoader类和JDK8中的URLClassLoader类的代码是一样的,它继承自SecureClassLoader,用来通过URl路径从jar文件和文件夹中加载类和资源。
  • BaseDexClassLoader继承自ClassLoader,是抽象类ClassLoader的具体实现类,PathClassLoader和DexClassLoader都继承它。

3.BootClassLoader的创建

BootClassLoader是在何时被创建的呢?这得先从Zygote进程开始说起,不了解Zygote进程的可以查看Android系统启动流程(二)解析Zygote进程启动过程这篇文章。
ZygoteInit的main方法如下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

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

main方法是ZygoteInit入口方法,其中调用了ZygoteInit的preload方法,preload方法中又调用了ZygoteInit的preloadClasses方法,如下所示。
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 {
...
}
}

preloadClasses方法用于Zygote进程初始化时预加载常用类。注释1处将/system/etc/preloaded-classes文件封装成FileInputStream,preloaded-classes文件中存有预加载类的目录,这个文件在系统源码中的路径为frameworks/base/preloaded-classes,这里列举一些preloaded-classes文件中的预加载类名称,如下所示。

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

可以看到preloaded-classes文件中的预加载类的名称有很多都是我们非常熟知的。预加载属于拿空间换时间的策略,Zygote环境配置的越健全越通用,应用程序进程需要单独做的事情也就越少,预加载除了预加载类,还有预加载资源和预加载共享库,因为不是本文重点,这里就不在延伸讲下去了。
回到preloadClasses方法的注释2处,将FileInputStream封装为BufferedReader,并注释3处遍历BufferedReader,读出所有预加载类的名称,每读出一个预加载类的名称就调用注释4处的代码加载该类,Class的forName方法如下所示。
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;
}

注释1处创建了BootClassLoader,并将BootClassLoader实例传入到了注释2处的classForName方法中,classForName方法是Native方法,它的实现由c/c++代码来完成,如下所示。

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

4.PathClassLoader的创建

PathClassLoader的创建也得从Zygote进程开始说起,Zygote进程启动SyetemServer进程时会调用ZygoteInit的startSystemServer方法,如下所示。
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;
}

注释1处,Zygote进程通过forkSystemServer方法fork自身创建子进程(SystemServer进程)。注释2处如果forkSystemServer方法返回的pid等于0,说明当前代码是在新创建的SystemServer进程中执行的,接着就会执行注释3处的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);
}
}

注释1处调用了createPathClassLoader方法,如下所示。
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 */);
}

createPathClassLoader方法中又会调用PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法,看来PathClassLoader是用工厂来进行创建的。
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;
}

在PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法中会创建PathClassLoader。

结语

在这篇文章中我们学习了Android的ClassLoader的类型、ClassLoader的继承关系以及BootClassLoader和PathClassLoader是何时创建的。BootClassLoader是在Zygote进程的入口方法中创建的,PathClassLoader则是在Zygote进程创建SystemServer进程时创建的。本系列后续文章会接着介绍Android中的ClassLoader的其他知识点,敬请期待。

参考资料
Android动态加载之ClassLoader详解
热修复入门:Android 中的 ClassLoader
浅析dex文件加载机制

刘望舒 wechat
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