Android热修复原理(一)热修复框架对比和代码修复

关联系列
解析ClassLoader系列

前言

在Android应用开发中,热修复技术被越来越多的开发者所使用,也出现了很多热修复框架,比如:AndFix、Tinker、Dexposed和Nuwa等等。如果只是会这些热修复框架的使用那意义并不大,我们还需要了解它们的原理,这样不管热修复框架如何变化,只要基本原理不变,我们就可以很快的掌握它们。这一个系列不会对某些热修复框架源码进行解析,而是讲解热修复框架的通用原理。

1.热修复的产生概述

在开发中我们会遇到如下的情况:

  1. 刚发布的版本出现了严重的bug,这就需要去解决bug、测试并打渠道包在各个应用市场上重新发布,这会耗费大量的人力物力,代价会比较大。
  2. 已经改正了此前发布版本的bug,如果下一个版本是一个大版本,那么两个版本的间隔时间会很长,这样要等到下个大版本发布再修复bug,这样此前版本的bug会长期的影响用户。
  3. 版本升级率不高,并且需要很长时间来完成版本覆盖,此前版本的bug就会一直影响不升级版本的用户。
  4. 有一个小而重要的功能,需要短时间内完成版本覆盖,比如节日活动。

为了解决上面的问题,热修复框架就产生了。对于Bug的处理,开发人员不要过于依赖热修复框架,在开发的过程中还是要按照标准的流程做好自测、配合测试人员完成测试流程。

2.热修复框架的对比

热修复框架的种类繁多,按照公司团队划分主要有以下几种:

类别 成员
阿里系 AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix
腾讯系 微信的Tinker、QQ空间的超级补丁、手机QQ的QFix
知名公司 美团的Robust、饿了么的Amigo、美丽说蘑菇街的Aceso
其他 RocooFix、Nuwa、AnoleFix

虽然热修复框架很多,但热修复框架的核心技术主要有三类,分别是代码修复、资源修复和动态链接库修复,其中每个核心技术又有很多不同的技术方案,每个技术方案又有不同的实现,另外这些热修复框架仍在不断的更新迭代中,可见热修复框架的技术实现是繁多可变的。作为开发需需要了解这些技术方案的基本原理,这样就可以以不变应万变。

部分热修复框架的对比如下表所示。

特性 AndFix Tinker/Amigo QQ空间 Robust/Aceso
即时生效
方法替换
类替换
类结构修改
资源替换
so替换
支持gradle
支持ART
支持Android7.0

我们可以根据上表和具体业务来选择合适的热修复框架,当然上表的信息很难做到完全准确,因为部分的热修复框架还在不断更新迭代。
从表中也可以发现Tinker和Amigo拥有的特性最多,是不是就选它们呢?也不尽然,拥有的特性多也意味着框架的代码量庞大,我们需要根据业务来选择最合适的,假设我们只是要用到方法替换,那么使用Tinker和Amigo显然是大材小用了。另外如果项目需要即时生效,那么使用Tinker和Amigo是无法满足需求的。对于即时生效,AndFix、Robust和Aceso都满足这一点,这是因为AndFix的代码修复采用了底层替换方案,而Robust和Aceso的代码修复借鉴了Instant Run原理,现在我们就来学习代码修复。

3.代码修复

代码修复主要有三个方案,分别是底层替换方案、类加载方案和Instant Run方案。

3.1 类加载方案

类加载方案基于Dex分包方案,什么是Dex分包方案呢?这个得先从65536限制和LinearAlloc限制说起。
65536限制
随着应用功能越来越复杂,代码量不断地增大,引入的库也越来越多,可能会在编译时提示如下异常:

com.android.dex.DexIndexOverflowException: method ID not in [0, 0xffff]: 65536

这说明应用中引用的方法数超过了最大数65536个。产生这一问题的原因就是系统的65536限制,65536限制的主要原因是DVM Bytecode的限制,DVM指令集的方法调用指令invoke-kind索引为16bits,最多能引用 65535个方法。
LinearAlloc限制
在安装时可能会提示INSTALL_FAILED_DEXOPT。产生的原因就是LinearAlloc限制,DVM中的LinearAlloc是一个固定的缓存区,当方法数过多超出了缓存区的大小时会报错。

为了解决65536限制和LinearAlloc限制,从而产生了Dex分包方案。Dex分包方案主要做的是在打包时将应用代码分成多个Dex,将应用启动时必须用到的类和这些类的直接引用类放到主Dex中,其他代码放到次Dex中。当应用启动时先加载主Dex,等到应用启动后再动态的加载次Dex,从而缓解了主Dex的65536限制和LinearAlloc限制。

Dex分包方案主要有两种,分别是Google官方方案、Dex自动拆包和动态加载方案。因为Dex分包方案不是本章的重点,这里就不再过多的介绍,我们接着来学习类加载方案。
Android解析ClassLoader(二)Android中的ClassLoader中讲到了ClassLoader的加载过程,其中一个环节就是调用DexPathList的findClass的方法,如下所示。
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java

public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
       for (Element element : dexElements) {//1
           Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);//2
           if (clazz != null) {
               return clazz;
           }
       }
       if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
           suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
       }
       return null;
   }

Element内部封装了DexFile,DexFile用于加载dex文件,因此每个dex文件对应一个Element。
多个Element组成了有序的Element数组dexElements。当要查找类时,会在注释1处遍历Element数组dexElements(相当于遍历dex文件数组),注释2处调用Element的findClass方法,其方法内部会调用DexFile的loadClassBinaryName方法查找类。如果在Element中(dex文件)找到了该类就返回,如果没有找到就接着在下一个Element中进行查找。
根据上面的查找流程,我们将有bug的类Key.class进行修改,再将Key.class打包成包含dex的补丁包Patch.jar,放在Element数组dexElements的第一个元素,这样会首先找到Patch.dex中的Key.class去替换之前存在bug的Key.class,排在数组后面的dex文件中的存在bug的Key.class根据ClassLoader的双亲委托模式就不会被加载,这就是类加载方案,如下图所示。

类加载方案需要重启App后让ClassLoader重新加载新的类,为什么需要重启呢?这是因为类是无法被卸载的,因此要想重新加载新的类就需要重启App,因此采用类加载方案的热修复框架是不能即时生效的。
虽然很多热修复框架采用了类加载方案,但具体的实现细节和步骤还是有一些区别的,比如QQ空间的超级补丁和Nuwa是按照上面说得将补丁包放在Element数组的第一个元素得到优先加载。微信Tinker将新旧apk做了diff,得到patch.dex,然后将patch.dex与手机中apk的classes.dex做合并,生成新的classes.dex,然后在运行时通过反射将classes.dex放在Element数组的第一个元素。饿了么的Amigo则是将补丁包中每个dex 对应的Element取出来,之后组成新的Element数组,在运行时通过反射用新的Element数组替换掉现有的Element 数组。

采用类加载方案的主要是以腾讯系为主,包括微信的Tinker、QQ空间的超级补丁、手机QQ的QFix、饿了么的Amigo和Nuwa等等。

3.2 底层替换方案

与类加载方案不同的是,底层替换方案不会再次加载新类,而是直接在Native层修改原有类,由于是在原有类进行修改限制会比较多,不能够增减原有类的方法和字段,如果我们增加了方法数,那么方法索引数也会增加,这样访问方法时会无法通过索引找到正确的方法,同样的字段也是类似的情况。
底层替换方案和反射的原理有些关联,就拿方法替换来说,方法反射我们可以调用java.lang.Class.getDeclaredMethod,假设我们要反射Key的show方法,会调用如下所示。

Key.class.getDeclaredMethod("show").invoke(Key.class.newInstance());

Android 8.0的invoke方法,如下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/reflect/Method.java

@FastNative
public native Object invoke(Object obj, Object... args)
        throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException;

invoke方法是个native方法,对应Jni层的代码为:
art/runtime/native/java_lang_reflect_Method.cc

static jobject Method_invoke(JNIEnv* env, jobject javaMethod, jobject javaReceiver,
                             jobject javaArgs) {
  ScopedFastNativeObjectAccess soa(env);
  return InvokeMethod(soa, javaMethod, javaReceiver, javaArgs);

Method_invoke函数中又调用了InvokeMethod函数:
art/runtime/reflection.cc

jobject InvokeMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa, jobject javaMethod,
                     jobject javaReceiver, jobject javaArgs, size_t num_frames) {

...
  ObjPtr<mirror::Executable> executable = soa.Decode<mirror::Executable>(javaMethod);
  const bool accessible = executable->IsAccessible();
  ArtMethod* m = executable->GetArtMethod();//1
...
}

注释1处获取传入的javaMethod(Key的show方法)在ART虚拟机中对应的一个ArtMethod指针,ArtMethod结构体中包含了Java方法的所有信息,包括执行入口、访问权限、所属类和代码执行地址等等,ArtMethod结构如下所示。
art/runtime/art_method.h

class ArtMethod FINAL {
...
 protected:
  GcRoot<mirror::Class> declaring_class_;
  std::atomic<std::uint32_t> access_flags_;
  uint32_t dex_code_item_offset_;
  uint32_t dex_method_index_;
  uint16_t method_index_;
  uint16_t hotness_count_;
 struct PtrSizedFields {
    ArtMethod** dex_cache_resolved_methods_;//1
    void* data_;
    void* entry_point_from_quick_compiled_code_;//2
  } ptr_sized_fields_;
}

ArtMethod结构中比较重要的字段是注释1处的dex_cache_resolvedmethods和注释2处的entry_point_from_quick_compiledcode,它们是方法的执行入口,当我们调用某一个方法时(比如Key的show方法),就会取得show方法的执行入口,通过执行入口就可以跳过去执行show方法。
替换ArtMethod结构体中的字段或者替换整个ArtMethod结构体,这就是底层替换方案。
AndFix采用的是替换ArtMethod结构体中的字段,这样会有兼容问题,因为厂商可能会修改ArtMethod结构体,导致方法替换失败。Sophix采用的是替换整个ArtMethod结构体,这样不会存在兼容问题。
底层替换方案直接替换了方法,可以立即生效不需要重启。采用底层替换方案主要是阿里系为主,包括AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix。

3.3 Instant Run方案

除了资源修复,代码修复同样也可以借鉴Instant Run的原理, 可以说Instant Run的出现推动了热修复框架的发展。
Instant Run在第一次构建apk时,使用ASM在每一个方法中注入了类似如下的代码:

IncrementalChange localIncrementalChange = $change;//1
		if (localIncrementalChange != null) {//2
			localIncrementalChange.access$dispatch(
					"onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V", new Object[] { this,
							paramBundle });
			return;
		}

其中注释1处是一个成员变量localIncrementalChange ,它的值为$change$change实现了IncrementalChange这个抽象接口。当我们点击InstantRun时,如果方法没有变化则$change为null,就调用return,不做任何处理。如果方法有变化,就生成替换类,这里我们假设MainActivity的onCreate方法做了修改,就会生成替换类MainActivity$override,这个类实现了IncrementalChange接口,同时也会生成一个AppPatchesLoaderImpl类,这个类的getPatchedClasses方法会返回被修改的类的列表(里面包含了MainActivity),根据列表会将MainActivity的$change设置为MainActivity$override,因此满足了注释2的条件,会执行MainActivity$overrideaccess$dispatch方法,access$dispatch方法中会根据参数”onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V”执行MainActivity$override的onCreate方法,从而实现了onCreate方法的修改。
借鉴Instant Run的原理的热修复框架有Robust和Aceso。

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