Android熱修復及外掛化原理範例詳解

2022-08-07 22:00:15

1.前言

熱修復一直是這幾年來很熱門的話題，主流方案大致有兩種，一種是微信Tinker的dex檔案替換，另一種是阿里的Native層的方法替換。這裡重點介紹Tinker的大致原理。

2.類載入機制

介紹Tinker原理之前，我們先來回顧一下類載入機制。

我們編譯好的class檔案，需要先載入到虛擬機器器然後才會執行，這個過程是通過ClassLoader來完成的。

雙親委派模型：

1.載入某個類的時候，這個類載入器不會自己立刻去載入，它會委託給父類別去載入
2.如果這個父類別還存在父類別載入器，則進一步委託，直到最頂層的類載入器
3.如果父類別載入器可以完成載入任務，就成功返回，否則就再委派給子類載入器
4.如果都未載入成功就丟擲ClassNotFoundException

作用：

1.避免類的重複載入。

比如有兩個類載入器，他們都要載入同一個類，這時候如果不是委託而是自己載入自己的，則會將類重複載入到方法區。

2.避免核心類被修改。

比如我們在自定義一個 java.lang.String 類，執行的時候會報錯，因為 String 是 java.lang 包下的類，應該由啟動類載入器載入。

JVM並不會一開始就載入所有的類，它是當你使用到的時候才會去通知類載入器去載入。

3.Android類載入

當我們new一個類時，首先是Android的虛擬機器器（Dalvik/ART虛擬機器器）通過ClassLoader去載入dex檔案到記憶體。

Android中的ClassLoader主要是PathClassLoader和DexClassLoader,這兩者都繼承自BaseDexClassLoader。它們都可以理解成應用類載入器。

PathClassLoader和DexClassLoader的區別：

PathClassLoader只能指定載入apk包路徑，不能指定dex檔案解壓路徑。該路徑是寫死的在/data/dalvik-cache/路徑下。所以只能用於載入已安裝的apk。
DexClassLoader可以指定apk包路徑和dex檔案解壓路徑（載入jar、apk、dex檔案）

當ClassLoader載入類時，會呼叫它的findclass方法去查詢該類。

下方是BaseDexClassLoader的findClass方法實現：

public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
...
    @UnsupportedAppUsage
    private final DexPathList pathList;
    ...
     @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 首先檢查該類是否存在shared libraries中.
        if (sharedLibraryLoaders != null) {
            for (ClassLoader loader : sharedLibraryLoaders) {
                try {
                    return loader.loadClass(name);
                } catch (ClassNotFoundException ignored) {
                }
            }
        }
        //再呼叫pathList.findClass去查詢該類，結果為null則丟擲錯誤。
        List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
        Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
        if (c == null) {
            ClassNotFoundException cnfe = new ClassNotFoundException(
                    "Didn't find class "" + name + "" on path: " + pathList);
            for (Throwable t : suppressedExceptions) {
                cnfe.addSuppressed(t);
            }
            throw cnfe;
        }
        return c;
    }
}

接下來我們再來看看DexPathList的findClass實現：

 public DexPathList(ClassLoader definingContext, String librarySearchPath) {
...
    /**
     * List of dex/resource (class path) elements.
     * 存放dex檔案的一個陣列
     */
    @UnsupportedAppUsage
    private Element[] dexElements;
...
    public Class&lt;?&gt; findClass(String name, List&lt;Throwable&gt; suppressed) {
     	 //遍歷Element陣列，去查尋對應的類，找到後就立刻返回了
        for (Element element : dexElements) {
            Class&lt;?&gt; clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
        if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
            suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
        }
        return null;
    }
...
}

4.Tinker原理

1.使用DexClassLoader載入修補程式包的dex檔案
2.通過反射獲取DexClassLoader類的pathList，再次通過反射獲得dexElements陣列。
3.獲取載入應用類的PathClassLoader，同樣通過反射獲取它的dexElements陣列。
4.合併兩個dexElements陣列，且將修補程式包的dex檔案放在前面。
根據類載入機制，一個類只會被載入一次，DexPathList.findClass方法中是順序遍歷陣列，所以將修補程式的dex檔案放在前面，這樣bug修復類會被優先載入，而原來的bug類不會被載入，達到了替換bug類的功能（修補程式包中的修復類名、包名要和bug類相同）
5.再次通過反射將合併後的dexElements陣列賦值給PathClassLoader.dexElements屬性。
載入類時，Dalvik/ART虛擬機器器會通過PathClassLoader去查詢已安裝的apk檔案中的類。

Ok，這樣就替換成功了，重啟App，再呼叫原來的bug類，將會優先使用修補程式包中的修復類。

為什麼要重啟：因為雙親委派模型，一個類只會被ClassLoader載入一次，且載入過後的類不能解除安裝。

程式碼實現

接下來我們動手擼一個乞丐版的Tinker。
首先我們寫一個bug類。

package com.baima.plugin;
class BugClass {
    public String getTitle(){
        return "這是個Bug";
    }
}

接著我們新建一個module來生成修補程式包apk。

建立bug修復類，注意包名類名要一樣。

package com.baima.plugin;
class BugClass {
    public String getTitle(){
        return "修復成功";
    }
}

生成修補程式apk，讓使用者下載這個修補程式包。接下來就是載入這個apk檔案並替換了。

    public void loadDexAndInject(Context appContext, String dexPath, String dexOptPath) {
        try {
            // 載入應用程式dex的Loader
            PathClassLoader pathLoader = (PathClassLoader) appContext.getClassLoader();
            //dexPath 修補程式dex檔案所在的路徑
            //dexOptPath 修補程式dex檔案被寫入後存放的路徑
            DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(dexPath, dexOptPath, null, pathLoader);
            //利用反射獲取DexClassLoader和PathClassLoader的pathList屬性
            Object dexPathList = getPathList(dexClassLoader);
            Object pathPathList = getPathList(pathLoader);
            //同樣用反射獲取DexClassLoader和PathClassLoader的dexElements屬性
            Object leftDexElements = getDexElements(dexPathList);
            Object rightDexElements = getDexElements(pathPathList);
            //合併兩個陣列，且修補程式包的dex檔案在陣列的前面
            Object dexElements = combineArray(leftDexElements, rightDexElements);
            //反射將合併後的陣列賦值給PathClassLoader的pathList.dexElements
            Object pathList = getPathList(pathLoader);
            Class<?> pathClazz = pathList.getClass();
            Field declaredField = pathClazz.getDeclaredField("dexElements");
            declaredField.set看，ccessible(true);
            declaredField.set(pathList, dexElements);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    private static Object getPathList(Object classLoader) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Class<?> cl = Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
        Field field = cl.getDeclaredField("pathList");
        field.setAccessible(true);
        return field.get(classLoader);
    }
    private static Object getDexElements(Object pathList) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Class<?> cl = pathList.getClass();
        Field field = cl.getDeclaredField("dexElements");
        field.setAccessible(true);
        return field.get(pathList);
    }
    private static Object combineArray(Object arrayLeft, Object arrayRight) {
        Class<?> clazz = arrayLeft.getClass().getComponentType();
        int i = Array.getLength(arrayLeft);
        int j = Array.getLength(arrayRight);
        int k = i + j;
        Object result = Array.newInstance(clazz, k);// 建立一個型別為clazz，長度為k的新陣列
        System.arraycopy(arrayLeft, 0, result, 0, i);
        System.arraycopy(arrayRight, 0, result, i, j);
        return result;
    }

ok,乞丐版Tinker完成了，使用時先在Splash介面檢查是否有外掛修補程式，有的話執行替換，這時你再使用bug類會發現它已經被替換成修補程式中的修復類了。

5.外掛化

外掛化開發模式，打包時是一個宿主apk+多個外掛apk。

元件化開發模式，打包時是一個apk，裡面分多個module。

優點:

安裝的主apk包會小好多
給開發者提供了業務功能擴充套件，並且不需要使用者進行更新
在非主apk包中的功能出現BUG時，可以及時修復
使用者不需要的功能，完全就不會出現在系統裡面，減輕裝置的負擔

需要掌握的知識：

1.類載入機制
2.四大元件啟動流程
3.AIDL、Binder機制
4.Hook、反射、代理

5.1 Activity啟動流程簡單介紹

上圖是普通的Activity啟動流程，和根Activity啟動流程的區別是不用建立應用程式程序（Application Thread）。

啟動過程：

應用程式程序中的Activity向AMS請求建立普通Activity
AMS會對這個Activty的生命週期管和棧進行管理，校驗Activity等等
如果Activity滿足AMS的校驗，AMS就會請求應用程式程序中的ActivityThread去建立並啟動普通Activity

他們之間的跨程序通訊是通過Binder實現的。

5.2 外掛化原理

通過上面介紹的熱修復，我們有辦法去載入外掛apk裡面的類，但是還沒有辦法去啟動外掛中的Activity，因為如果要啟動一個Activity，那麼這個Activity必須在AndroidManifest.xml中註冊。

這裡介紹外掛化的一種主流實現方式--Hook技術。

1.宿主App預留佔坑Activity
2.使用classLoader載入dex檔案到記憶體
3.先使用佔坑Activity繞過AMS驗證，接著用外掛Activity替換佔坑的Activity。

步驟1、2這裡就不在贅述了，2就是上面講到的熱修復技術。

5.2.1 繞開驗證

AMS是在SystemServer程序中，我們無法直接進行修改，只能在應用程式程序中做文章。

介紹一個類--IActivityManager，IActivityManager它通過AIDL（內部使用的是Binder機制）和SystemServer程序的AMS通訊。所以IActivityManager很適合作為一個hook點。

Activity啟動時會呼叫IActivityManager.startActivity方法向AMS發出啟動請求，該方法引數包含一個Intent物件，它是原本要啟動的Activity的Intent。

我們可以動態代理IActivityManager的startActivity方法，將該Intent換為佔坑Activity的Intent，並將原來的Intent作為引數傳遞過去，以此達到欺騙AMS繞開驗證。

public class IActivityManagerProxy implements InvocationHandler {
    private Object mActivityManager;
    private static final String TAG = "IActivityManagerProxy";
    public IActivityManagerProxy(Object activityManager) {
        this.mActivityManager = activityManager;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object o, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        if ("startActivity".equals(method.getName())) {
            Intent intent = null;
            int index = 0;
            for (int i = 0; i < args.length; i++) {
                if (args[i] instanceof Intent) {
                    index = i;
                    break;
                }
            }
            intent = (Intent) args[index];
            Intent subIntent = new Intent();
            String packageName = "com.example.pluginactivity";
            subIntent.setClassName(packageName,packageName+".StubActivity");
            subIntent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENT, intent);
            args[index] = subIntent;
        }
        return method.invoke(mActivityManager, args);
    }
}

接下來就通過反射的方式，將ActivityManager中的IActivityManager替換成我們的代理物件。

  public void hookAMS() {
        try {
            Object defaultSingleton = null;
            if (Build.VERSION.SDK_INT >= 26) {
                Class<?> activityManagerClazz = Class.forName("android.app.ActivityManager");
                defaultSingleton = FieldUtil.getObjectField(activityManagerClazz, null, "IActivityManagerSingleton");
            } else {
                Class<?> activityManagerNativeClazz = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative");
                defaultSingleton = FieldUtil.getObjectField(activityManagerNativeClazz, null, "gDefault");
            }
            Class<?> singletonClazz = Class.forName("android.util.Singleton");
            Field mInstanceField = FieldUtil.getField(singletonClazz, "mInstance");
            Object iActivityManager = mInstanceField.get(defaultSingleton);
            Class<?> iActivityManagerClazz = Class.forName("android.app.IActivityManager");
            Object proxy = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(), new Class<?>[]{iActivityManagerClazz}, new IActivityManagerProxy(iActivityManager));
            mInstanceField.set(defaultSingleton, proxy);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

Note: 這裡獲取IActivityManager範例會因為Android版本不同而不同，具體獲取方法就需要去看原始碼瞭解了。這裡的程式碼Android 8.0是可以執行的。

5.2.2還原外掛Activity

ActivityThread啟動Activity的過程如下所示：

ActivityThread會通過H在主執行緒中去啟動Activity,H類是ActivityThread的內部類並繼承自Handler。

private class H extends Handler {
public static final int LAUNCH_ACTIVITY         = 100;
public static final int PAUSE_ACTIVITY          = 101;
...
   public void handleMessage(Message msg) {
            if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, "&gt;&gt;&gt; handling: " + codeToString(msg.what));
            switch (msg.what) {
                case LAUNCH_ACTIVITY: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStart");
                    final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;
                    r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
                            r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
                    handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                ...
              }
...
}

H中重寫的handleMessage方法會對LAUNCH_ACTIVITY型別的訊息進行處理，最終會呼叫Activity的onCreate方法。那麼在哪進行替換呢？接著來看Handler的dispatchMessage方法：

public void dispatchMessage(Message msg) {
       if (msg.callback != null) {
           handleCallback(msg);
       } else {
           if (mCallback != null) {
               if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                   return;
               }
           }
           handleMessage(msg);
       }
   }

Handler的dispatchMessage用於處理訊息，可以看到如果Handler的Callback型別的mCallback不為null，就會執行mCallback的handleMessage方法。因此，mCallback可以作為Hook點，我們可以用自定義的Callback來替換mCallback，自定義的Callback如下所示。

public class HCallback implements Handler.Callback{
    public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
    Handler mHandler;
    public HCallback(Handler handler) {
        mHandler = handler;
    }
    @Override
    public boolean handleMessage(Message msg) {
        if (msg.what == LAUNCH_ACTIVITY) {
            Object r = msg.obj;
            try {
                //得到訊息中的Intent(啟動佔坑Activity的Intent)
                Intent intent = (Intent) FieldUtil.getField(r.getClass(), r, "intent");
                //得到此前儲存起來的Intent(啟動外掛Activity的Intent)
                Intent target = intent.getParcelableExtra(HookHelper.TARGET_INTENT);
                //將佔坑Activity的Intent替換為外掛Activity的Intent
                intent.setComponent(target.getComponent());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        mHandler.handleMessage(msg);
        return true;
    }
}

最後一步就是用反射將我們自定義的callBack設定給ActivityThread.sCurrentActivityThread.mH.mCallback。

    public void hookHandler() {
        try {
            Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
            Object currentActivityThread = FieldUtil.getObjectField(activityThreadClass, null, "sCurrentActivityThread");
            Field mHField = FieldUtil.getField(activityThreadClass, "mH");
            Handler mH = (Handler) mHField.get(currentActivityThread);
            FieldUtil.setObjectField(Handler.class, mH, "mCallback", new HCallback(mH));
        } catch (Exception e) {
             e.printStackTrace();
        }
    }

其實要想啟動一個Activity到這步還沒有完，一個完整的Activity應該還需要佈局檔案，而我們的宿主APP並不會包含外掛的資源。

5.3 載入外掛資源

5.3.1 Resources&AssetManager

android中的資源大致分為兩類：一類是res目錄下存在的可編譯的資原始檔，比如anim，string之類的，第二類是assets目錄下存放的原始資原始檔。因為Apk編譯的時候不會編譯這些檔案，所以不能通過id來存取，當然也不能通過絕對路徑來存取。於是Android系統讓我們通過Resources的getAssets方法來獲取AssetManager，利用AssetManager來存取這些檔案。

其實Resource的getString, getText等各種方法都是通過呼叫AssetManager的私有方法來完成的。過程就是Resource通過resource.arsc(AAPT工具打包過程中生成的檔案)把ID轉換成資原始檔的名稱，然後交由AssetManager來載入檔案。

AssetManager裡有個很重要的方法addAssetPath(String path)方法，App啟動的時候會把當前apk的路徑傳進去，然後AssetManager就能存取這個路徑下的所有資源也就是宿主apk的資源了。我們可以通過hook這個方法將外掛的path傳進去，得到的AssetManager就能同時存取宿主和外掛的所有資源了。

 public void hookAssets(Activity activity,String dexPath){
        try {
            AssetManager assetManager = activity.getResources().getAssets();
            Method addAssetPath = assetManager.getClass().getMethod("addAssetPath",String.class);
            addAssetPath.invoke(assetManager,dexPath);
            Resources mResources = new Resources(assetManager, activity.getResources().getDisplayMetrics(), activity.getResources().getConfiguration());
            //接下來我們要將宿主原有Resources替換成我們上面生成的Resources。
            FieldUtil.setObjectField(ContextWrapper.class,activity.getResources(),"mResources",mResources);
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

5.3.2 id衝突

新的問題又出現了，宿主apk和外掛apk是兩個不同的apk，他們在編譯時都會產生自己的resources.arsc。即他們是兩個獨立的編譯過程。那麼它們的resources.arsc中的資源id必定是有相同的情況。這樣我們上面生成的新Resources中就出現了資源id重複的情況，這樣在執行的時候使用資源id來獲取資源就會報錯。

怎麼解決資源Id衝突的問題？這裡介紹一下VirtualApk採用的方案。

修改aapt的產物。即編譯後期重新整理外掛Apk的資源，編排ID，更新R檔案

VirtualApkhook了ProcessAndroidResourcestask。這個task是用來編譯Android資源的。VirtualApk拿到這個task的輸出結果，做了以下處理:

1.根據編譯產生的R.txt檔案收集外掛中所有的資源
2.根據編譯產生的R.txt檔案收集宿主apk中的所有資源
3.過濾外掛資源:過濾掉在宿主中已經存在的資源
4.重新設定外掛資源的資源ID
5.刪除掉外掛資源目錄下前面已經被過濾掉的資源
6.重新編排外掛resources.arsc檔案中外掛資源ID為新設定的資源ID
7.重新產生R.java檔案

大致原理是這樣的，但如何保證新的Id不會重複了，這裡在介紹一下資源Id的組成。

packageId: 前兩位是packageId，相當於一個名稱空間，主要用來區分不同的包空間(不是不同的module)。目前來看，在編譯app的時候，至少會遇到兩個包空間：android系統資源包和咱們自己的App資源包。大家可以觀察R.java檔案，可以看到部分是以0x01開頭的，部分是以0x7f開頭的。以0x01開頭的就是系統已經內建的資源id，以0x7f開頭的是咱們自己新增的app資源id。

typeId：typeId是指資源的型別id，我們知道android資源有animator、anim、color、drawable、layout，string等等，typeId就是拿來區分不同的資源型別。

entryId：entryId是指每一個資源在其所屬的資源型別中所出現的次序。注意，不同型別的資源的Entry ID有可能是相同的，但是由於它們的型別不同，我們仍然可以通過其資源ID來區別開來。

所以為了避免衝突，外掛的資源id通常會採用0x02 - 0x7e之間的數值。

以上就是Android熱修復及外掛化原理詳解的詳細內容，更多關於Android熱修復外掛化的資料請關注it145.com其它相關文章！