浅谈Android Classloader动态加载分析

ClassLoader概念

我们知道，Java源文件（.java）经过编译器编译之后，会转换成Java字节码(.class)，然而程序是如何加载这些字节码文件到内存中呢？这就用到了ClassLoader，即类加载器。ClassLoader类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。从而只有class文件被载入到了内存之后，才能被其程序所引用。所以ClassLoader就是用来动态加载class文件到内存当中用的。

ClassLoader的分类

Android中的常用几种类加载器类型继承关系划分可以用一组关系图来表示

BootClassLoder

通过查看ClassLoader源码 我们得知，Android中在默认父加载器传入的情况下，默认父加载器为PathClassLoder，而PathClassLoader的父加载器正是BootClassLoader。BootClassLoader是ClassLoader的内部类，是包内可见，我们无法直接使用，也无法直接动态加载。

 /**
   * Encapsulates the set of parallel capable loader types.
   */
  private static ClassLoader createSystemClassLoader() {
    String classPath = System.getProperty("java.class.path", ".");
    String librarySearchPath = System.getProperty("java.library.path", "");

    ...省略部分代码

    //默认父构造器为PathClassLoder
    return new PathClassLoader(classPath, librarySearchPath, BootClassLoader.getInstance());
  }

URLClassLoader

URLClassLoader继承自SecureClassLoader，SecureClassLoader继承自ClassLoader。URLClassLoader的特点就是只能加载jar文件，但是dalvik不能直接识别jar。所以在Android中无法直接使用这个类加载器。

BaseDexClassLoader

BaseDexClassLoader直接继承自ClassLoader，下面是其构造函数

public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
    super(parent);
    this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null);
    ....
  }

下面解析下这四个参数

1. dexPath:指目标类所在的apk、dex或者jar文件的路径（包括SD卡），然后加载器将从该路径中寻找到指定的目标类。当然了，这个路径可以是多个路径，这样可以寻找到多个目标类，多路径之间需要使用特定的分隔符，分隔符可以使用System.getProperty("path.separtor")获取。
2. optimizedDirectory:由于dex文件被包含在apk或者jar文件中，需要先解压出来，而这个参数 就代表了被解压的路径。而且apk文件其实也是一个压缩包，解压的过程其实也是一个ODEX优化的过程，那么何为ODEX优化呢？其实就是把包里面的可执行程序提取出来变成ODEX文件，存放到optimizedDirectory目录下，因为提取出来的原因，应用第一次进行启动的时候，直接使用ODEX文件 启动速度自然是比解压再启动速度是要快的。为什么是应用第一次启动呢？因为dex版本只有第一次启动会解压执行程序到/data/dalvik-cache（针对PathClassLoader），或者optimizedDirectory文件目录下（针对DexClassLoader），之后就可以直接读取目录下的dex文件了。
3. librarySearchPath：指的是目标类所使用的c、c++库存放的路径
4. parent：是指该加载器的父加载器，一般为当前执行类的加载器。

PathClassLoader

public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) { 
    super(dexPath, null, null, parent); 
} 

 public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
    super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
   ...
 }

通过源码我们可以知道，PathClassLoader继承于BaseDexClassLoader，并且构造器将optimizedDirectory置为null，也就是没有设置ODEX优化后的存储路径，前文有提到，如果没有设置optimizedDirectory目录，那么默认存储路径就是/data/dalvik-cache。因为这个原因，PathClassLoader被设定成只能加载Android系统类和已安装的android应用类。

DexClassLoader

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

DexClassLoader也是继承于BaseDexClassLoader，支持加载包含classes.dex文件的apk、jar，前文我们提到dalvik不支持直接加载jar文件，那么为什么到了DexClassLoader这里怎么就可以支持加载了呢？原因在于其父类BaseDexClassLoader对于“.jar”，“.apk”，".zip"，".dex"后缀的文件都会进行对应的处理，最终提取成可执行的dex文件。然而URLClassLoader并未对此做类似的处理，因此我们一般会采用DexClassLoader做动态加载。

InMemoryDexClassLoader

 public InMemoryDexClassLoader(ByteBuffer[] dexBuffers, ClassLoader parent) {
    super(dexBuffers, parent);
  }
  
  public InMemoryDexClassLoader(ByteBuffer dexBuffer, ClassLoader parent) {
    this(new ByteBuffer[] { dexBuffer }, parent);
  }

InMemoryDexClassLoader继承于BaseDexClassLoader，是API26新增的类加载器。dexBuffers数组构造了一个DexPathList，可用于加载内存中的dex。

DelegateLastClassLoader

public DelegateLastClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
    super(dexPath, parent);
  }

DelegateLastClassLoader是API27新增的类加载器，继承自 PathClassLoader。DelegateLastClassLoader实行最后的查找策略。使用DelegateLastClassLoader来加载每个类和资源，使用的是以下顺序：

1. 判断是否已经加载过该类
2. 搜索此类的类加载器是否已经加载过该类
3. 搜索与此类加载器相关联的dexPath文件列表，并委托给父加载器。

双亲委托机制

Android类加载器通过loadClass加载目标类，下面是加载的源码

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
  {
      // 首先检查当前目标类是否已经被加载过，有则直接返回
      Class<?> c = findLoadedClass(name);
      if (c == null) {
        try {
          if (parent != null) {
            //如果有父类加载器，优先使用父类加载器寻找目标类
            c = parent.loadClass(name, false);
          } else {
             //其次，如果有辅助类加载器，使用辅助类加载器寻找目标类
            c = findBootstrapClassOrNull(name);
          }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
          // ClassNotFoundException thrown if class not found
          // from the non-null parent class loader
        }

        if (c == null) {
          //如果仍未找到，则通过寻找子ClassLoader的目标类（如果子ClassLoader重写了findClass）
          c = findClass(name);
        }
      }
      return c;
  }

由上述源码，我们可以总结：

1. 当前类加载器首先检查目标类是否已经被加载过，有则直接返回
2. 当前类加载器会先委托父类加载器加载目标类，如果未设置父加载器，则检查辅助加载器是否支持查询加载目标类
3. 只有上述加载器找不到目标类的时候，才会调用当前类加载器（Child） 查询路径寻找目标类。

以上这么做的好处是：一方面防止目标类的重复加载，另外一方面 主要考虑安全因素，防止有人重写原生类，比如说java.lang.String这样的数据类型，替换原生的String类，加载到JVM中，造成严重的安全问题。

双亲委托机制 在Android热修复领域中也有着广泛的应用。每个ClassLoader可以有多个dex文件，每个dex文件是一个Element，多个dex文件组成一个dexElements，类加载器寻找类的时候，会遍历dexElements中的dex文件，再通过dex文件遍历目标类。由于双亲委托机制的存在，寻找到目标类后就直接返回，不再寻找其他dex文件下该目标类，热修复的原理就是hook住ClassLoader，使其先加载修复后的目标类，而存在的BUG的目标类不会被加载。