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主要有3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 DexClassLoader

DexClassLoader可以加载dex文件以及包含dex的压缩文件(apk和jar文件),不管是加载哪种文件,最终都是要加载dex文件,为了方便理解和叙述,将dex文件以及包含dex的压缩文件统称为dex相关文件。
来查看DexClassLoader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的构造方法有四个参数:

  • dexPath:dex相关文件路径集合,多个路径用文件分隔符分隔,默认文件分隔符为‘:’
  • optimizedDirectory:解压的dex文件存储路径,这个路径必须是一个内部存储路径,一般情况下使用当前应用程序的私有路径:/data/data/<Package Name>/...
  • 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:父加载器。

DexClassLoader 继承自BaseDexClassLoader ,方法实现都在BaseDexClassLoader中。

1.3 PathClassLoader

Android系统使用PathClassLoader来加载系统类和应用程序的类,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,实现也都在BaseDexClassLoader中。

PathClassLoader的构造方法中没有参数optimizedDirectory,这是因为PathClassLoader已经默认了参数optimizedDirectory的值为:/data/dalvik-cache,很显然PathClassLoader无法定义解压的dex文件存储路径,因此PathClassLoader通常用来加载已经安装的apk的dex文件(安装的apk的dex文件会存储在/data/dalvik-cache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主要有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8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。
  • InMemoryDexClassLoader是Android8.0新增的类加载器,继承自BaseDexClassLoader,用于加载内存中的dex文件。
  • 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

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