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[原创]Android加壳脱壳学习(1)——动态加载和类加载机制详解
2022-2-18 19:44 28218

[原创]Android加壳脱壳学习(1)——动态加载和类加载机制详解

2022-2-18 19:44
28218

Android加壳与脱壳(1)——深入理解类加载器和动态加载

目录

一、前言

最近一直在学习Android 加壳和脱壳,在进行Android加壳和脱壳的学习中,第一步便是深入理解类加载器和动态加载二者之间的关系,本文详细的介绍了类加载器和动态加载之间的关系和原理,之所以详细的讲解两者之间的关系,一是学习脱壳和加壳的需要,二是为后面Android插件化漏洞挖掘的讲解做铺垫。

二、类加载器

Android中的类加载器机制与JVM一样遵循双亲委派模式

1.双亲委派模式

(1)双亲委派模式定义

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1)加载.class文件时,以递归的形式逐级向上委托给父加载器ParentClassLoader加载,如果加载过了,就不用再加载一遍
2)如果父加载器没有加载过,继续委托给父加载器去加载,一直到这条链路的顶级,顶级ClassLoader如果没有加载过,则尝试加载,加载失败,则逐级向下交还调用者加载

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protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{
           //1.先检查是否已经加载过--findLoaded
           Class<?> c = findLoadedClass(name);
           if (c == null) {
               try {
                   //2.如果自己没加载过,存在父类,则委托父类
                   if (parent != null) {
                       c = parent.loadClass(name, false);
                   } else {
                       c = findBootstrapClassOrNull(name);
                   }
               } catch (ClassNotFoundException e) {
               }
 
               if (c == null) {
                   //3.如果父类也没加载过,则尝试本级classLoader加载
                   c = findClass(name);
               }
           }
          return c;
   }
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代码解释:
1)先检查自己是否已经加载过class文件,用findLoadedClass方法,如果已经加载了直接返回
2)如果自己没有加载过,存在父类,则委派父类去加载,用parent.loadClass(name,false)方法,此时会向上传递,然后去父加载器中循环第1步,一直到顶级ClassLoader
(3) 如果父类没有加载,则尝试本级classLoader加载,如果加载失败了就会向下传递,交给调用方式实现.class文件的加载

(2)双亲委派模式加载流程

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我们要加载一个class文件,我们定义了一个CustomerClassLoader类加载器:
(1)首先会判断自己的CustomerClassLoader否加载过,如果加载过直接返回,
(2)如果没有加载过则会调用父类PathClassLoader去加载,该父类同样会判断自己是否加载过,如果没有加载过则委托给父类BootClassLoader去加载,
(3)这个BootClassLoader是顶级classLoader,同样会去判断自己有没有加载过,如果也没有加载过则会调用自己的findClass(name)去加载,
(4)如果顶级BootClassLoader加载失败了,则会把加载这个动作向下交还给PathClassLoader,
(5)这个PathClassLoader也会尝试去调用findClass(name);去加载,如果加载失败了,则会继续向下交还给CustomClassLoader来完成加载,这整个过程感觉是一个递归的过程,逐渐往上然后有逐渐往下,直到加载成功
其实这个String.class在系统启动的时候已经被加载了,我们自己定义一个CustomerClassLoader去加载,其实也是父类加载的

(3)双亲委派的作用

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(1) 防止同一个.class文件重复加载
(2) 对于任意一个类确保在虚拟机中的唯一性.由加载它的类加载器和这个类的全类名一同确立其在Java虚拟机中的唯一性
(3) 保证.class文件不被篡改,通过委派方式可以保证系统类的加载逻辑不被篡改

2. Android中类加载机制

(1)Android基本类预加载

我们了解Android基本类预加载,首先我们回顾上文的Dalvik虚拟机启动相关:

 

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我们执行app_process程序,进入main函数里面,然后进行AndroidRuntime::start:

 

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Zygote native 进程主要工作:
1)创建虚拟机–startVM
2)注册JNI函数–startReg
3)通过JNI知道Java层的com.android.internal.os.ZygoteInit 类,调用main 函数,进入java 世界

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然后进入Java层:

 

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Zygote总结:
1)解析init.zygote.rc中的参数,创建AppRuntime并调用AppRuntime.start()方法
2)调用AndroidRuntime的startVM()方法创建虚拟机,再调用startReg()注册JNI函数
3)通过JNI方式调用ZygoteInit.main(),第一次进入Java世界
4)registerZygoteSocket()建立socket通道,zygote作为通信的服务端,用于响应客户端请求
5)preload()预加载通用类、drawable和color资源、openGL以及共享库以及WebView,用于提高app启动效率
6)通过startSystemServer(),fork得力帮手system_server进程,也是Java Framework的运行载体(下面讲到system server再详细讲解)
7)调用runSelectLoop(),随时待命,当接收到请求创建新进程请求时立即唤醒并执行相应工作

Android的类加载机制和JVM一样遵循双亲委派模式,在dalvik/art启动时将所有Java基本类和Android系统框架的基本类加载进来,预加载的类记录在/frameworks/base/config/preloaded-classes

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android.R$styleable
android.accessibilityservice.AccessibilityServiceInfo$1
android.accessibilityservice.AccessibilityServiceInfo
android.accessibilityservice.IAccessibilityServiceClient$Stub$Proxy
android.accessibilityservice.IAccessibilityServiceClient$Stub
android.accessibilityservice.IAccessibilityServiceClient
android.accounts.AbstractAccountAuthenticator$Transport
android.accounts.AbstractAccountAuthenticator
android.accounts.Account$1
android.accounts.Account
...
 
java.lang.Short
java.lang.StackOverflowError
java.lang.StackTraceElement
java.lang.StrictMath
java.lang.String$1
java.lang.String$CaseInsensitiveComparator
java.lang.String
java.lang.StringBuffer
java.lang.StringBuilder
java.lang.StringFactory
java.lang.StringIndexOutOfBoundsException
java.lang.System$PropertiesWithNonOverrideableDefaults
java.lang.System
java.lang.Thread$1
...

这些类只需要在Zygote进程启动时加载一遍就可以了,后续没一个APP或Android运行时环境的进程,都是从Zygote中fork出来,天然保留了加载过的类缓存

 

ZygoteInit.preload()

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static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
    // ...省略
    preloadClasses();
    // ...省略
}
 
private static void preloadClasses() {
    final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();
 
    // 读取 preloaded_classes 文件
    InputStream is;
    try {
        is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);
    } catch (FileNotFoundException e) {
        Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
        return;
    }
 
    // ...省略
 
    try {
        BufferedReader br =
                new BufferedReader(new InputStreamReader(is), Zygote.SOCKET_BUFFER_SIZE);
 
        int count = 0;
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            // Skip comments and blank lines.
            line = line.trim();
            if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
                continue;
            }
 
            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
            try {
                // 逐行加载基本类
                Class.forName(line, true, null);
                count++;
                // ...省略
            } catch (Throwable t) {
                // ...省略
            }
        }
 
        // ...省略
    } catch (IOException e) {
        Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
    } finally {
        // ...省略
    }
}

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(2)Android类加载器层级关系及分析

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Android中的ClassLoader类型分为系统ClassLoader和自定义ClassLoader。其中系统ClassLoader包括3种是BootClassLoader、DexClassLoader、PathClassLoader
(1)BootClassLoader:Android平台上所有Android系统启动时会使用BootClassLoader来预加载常用的类
(2)BaseDexClassLoader:实际应用层类文件的加载,而真正的加载委托给pathList来完成
(3)DexClassLoader:可以加载dex文件以及包含dex的压缩文件(apk,dex,jar,zip),可以安装一个未安装的apk文件,一般为自定义类加载器
(4)PathClassLoader:可以加载系统类和应用程序的类,通常用来加载已安装的apk的dex文件
 
补充:
Android 提供的原生加载器叫做基础类加载器,包括:BootClassLoader,PathClassLoader,DexClassLoader,InMemoryDexClassLoader(Android 8.0 引入),DelegateLastClassLoader(Android 8.1 引入)
<1> BootClassLoader
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启动类加载器,用于加载 Zygote 进程已经预加载的基本类,可以推测它只需从缓存中加载。这是基类 ClassLoader 的一个内部类,是包访问权限,所以应用程序无权直接访问
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public abstract class ClassLoader {
    // ...省略
 
    class BootClassLoader extends ClassLoader {
        private static BootClassLoader instance;
 
        public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new BootClassLoader();
            }
 
            return instance;
        }
 
        public BootClassLoader() {
            super(null);
        }
 
        @Override
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            return Class.classForName(name, false, null);
        }
 
        // ...省略
 
        @Override
        protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve)
               throws ClassNotFoundException {
            Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
 
            if (clazz == null) {
                clazz = findClass(className);
            }
 
            return clazz;
        }
 
        // ...省略
    }
}
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源码分析:
    我们可以看见,BootClassLoader没有父加载器,在缓存取不到类是直接调用自己的findClass()方法
    findClass()方法调用Class.classForName()方法,而ZygoteInit.preloadClasses()中,加载基本类是Class.forName()
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ublic final class Class<T> implements java.io.Serializable,
                              GenericDeclaration,
                              Type,
                              AnnotatedElement {
    // ...省略
 
    public static Class<?> forName(String className)
                throws ClassNotFoundException {
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        return forName(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller));
    }
 
    public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
                                   ClassLoader loader)
        throws ClassNotFoundException
    {
        if (loader == null) {
            loader = BootClassLoader.getInstance();
        }
        Class<?> result;
        try {
            result = classForName(name, initialize, loader);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            Throwable cause = e.getCause();
            if (cause instanceof LinkageError) {
                throw (LinkageError) cause;
            }
            throw e;
        }
        return result;
    }
 
    // 本地方法
    static native Class<?> classForName(String className, boolean shouldInitialize,
            ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException;
 
    // ...省略
}
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我们可以发现,预加载时,ZygoteInit.preloadClasses()中调用Class.forName(),实际是指定BootClassLoader为类加载器,且只需要在预加载的时候进行类初始化,只需要一次
总之,通过 Class.forName() 或者 Class.classForName() 可以且仅可以直接加载基本类,一旦基本类预加载后,对于应用程序而言,我们虽然不能直接访问BootClassLoader,但可以通过Class.forName/Class.classForName加载

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无论是系统类加载器(PathClassLoader)还是自定义的类加载器(DexClassLoader),最顶层的祖先加载器默认是 BootClassLoader,与 JVM 一样,保证了基本类的类型安全

 

Class文件加载:

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1.通过Class.forName()方法动态加载
2.通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载
类的加载分为3个步骤:1.装载(Load),2.链接(Link),3.初始化(Intialize)

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类加载时机:

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1.隐式加载:
(1)创建类的实例,也就是new一个对象
(2)访问某个类或接口的静态变量,或者对该静态变量赋值
(3)调用类的静态方法
(4)反射Class.forName("android.app.ActivityThread")
(5)初始化一个类的子类(会首先初始化子类的父类)
2.显示加载:
(1)使用LoadClass()加载
(2)使用forName()加载
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Class.forName 和 ClassLoader.loadClass加载有何不同:
1)ClassLoader.loadClass也能加载一个类,但是不会触发类的初始化(也就是说不会对类的静态变量,静态代码块进行初始化操作)
2)Class.forName这种方式,不但会加载一个类,还会触发类的初始化阶段,也能够为这个类的静态变量,静态代码块进行初始化操作
<2> PathClassLoader

主要用于系统和app的类加载器,其中optimizedDirectory为null, 采用默认目录/data/dalvik-cache/

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PathClassLoader 是作为应用程序的系统类加载器,也是在 Zygote 进程启动的时候初始化的(基本流程为:ZygoteInit.main() -> ZygoteInit.forkSystemServer() -> ZygoteInit.handleSystemServerProcess() -> ZygoteInit.createPathClassLoader()。在预加载基本类之后执行),所以每一个 APP 进程从 Zygote 中 fork 出来之后都自动携带了一个 PathClassLoader,它通常用于加载 apk 里面的 .dex 文件
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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);
    }
}
<3> DexClassLoader

可以从包含classes.dex的jar或者apk中,加载类的类加载器, 可用于执行动态加载, 但必须是app私有可写目录来缓存odex文件. 能够加载系统没有安装的apk或者jar文件, 因此很多热修复和插件化方案都是采用DexClassLoader

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public class
DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
 
   public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
    }
}
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总结:
    我们可以发现DexClassLoader与PathClassLoader都继承于BaseDexClassLoader,这两个类只是提供了自己的构造函数,没有额外的实现
区别:
    DexClassLoader提供了optimizedDirectory,而PathClassLoader则没有,optimizedDirectory正是用来存放odex文件的地方,所以可以利用DexClassLoader实现动态加载
<4> BaseDexClassLoader
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public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    private final DexPathList pathList;  //记录dex文件路径信息
 
    public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory, String libraryPath, ClassLoader parent) {
        super(parent);
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
    }
}
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dexPath: 包含目标类或资源的apk/jar列表;当有多个路径则采用:分割;
optimizedDirectory: 优化后dex文件存在的目录, 可以为null;
libraryPath: native库所在路径列表;当有多个路径则采用:分割;
ClassLoader:父类的类加载器

BaseDexClassLoader会初始化dexPathList,收集dex文件和Native文件动态库

 

初始化:

 

DexPathList:

 

该类主要用来查找Dex、SO库的路径,并这些路径整体呈一个数组

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final class DexPathList {
    private Element[] dexElements;
    private final List<File> nativeLibraryDirectories;
    private final List<File> systemNativeLibraryDirectories;
 
    final class DexPathList {
    public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
            String libraryPath, File optimizedDirectory) {
        ...
        this.definingContext = definingContext;
        ArrayList<IOException> suppressedExceptions = new ArrayList<IOException>();
 
        //记录所有的dexFile文件
        this.dexElements = makePathElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory, suppressedExceptions);
 
        //app目录的native库
        this.nativeLibraryDirectories = splitPaths(libraryPath, false);
        //系统目录的native库
        this.systemNativeLibraryDirectories = splitPaths(System.getProperty("java.library.path"), true);
        List<File> allNativeLibraryDirectories = new ArrayList<>(nativeLibraryDirectories);
        allNativeLibraryDirectories.addAll(systemNativeLibraryDirectories);
        //记录所有的Native动态库
        this.nativeLibraryPathElements = makePathElements(allNativeLibraryDirectories, null, suppressedExceptions);
        ...
    }
}
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DexPathList初始化过程,主要收集以下两个变量信息:
1)dexElements: 根据多路径的分隔符“;”将dexPath转换成File列表,记录所有的dexFile
2)nativeLibraryPathElements: 记录所有的Native动态库, 包括app目录的native库和系统目录的native库

makePathElements:

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private static Element[] makePathElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
        List<IOException> suppressedExceptions) {
    return makeDexElements(files, optimizedDirectory, suppressedExceptions, null);
}

makeDexElements:

 

makeDexElements方法的作用是获取一个包含dex文件的元素集合

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private static Element[] makeDexElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
        List<IOException> suppressedExceptions, ClassLoader loader) {
    return makeDexElements(files, optimizedDirectory, suppressedExceptions, loader, false);
}
 
private static Element[] makeDexElements(List<File> files, File optimizedDirectory,
        List<IOException> suppressedExceptions, ClassLoader loader, boolean isTrusted) {
  Element[] elements = new Element[files.size()];  //获取文件个数
  int elementsPos = 0;
  for (File file : files) {
      if (file.isDirectory()) {
          elements[elementsPos++] = new Element(file);
      } else if (file.isFile()) {
          String name = file.getName();
          DexFile dex = null;
          //匹配以.dex为后缀的文件
          if (name.endsWith(DEX_SUFFIX)) {
              dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);
              if (dex != null) {
                  elements[elementsPos++] = new Element(dex, null);
              }
          } else {
              dex = loadDexFile(file, optimizedDirectory, loader, elements);             
              if (dex == null) {
                  elements[elementsPos++] = new Element(file);
              } else {
                  elements[elementsPos++] = new Element(dex, file);
              }
          }
          if (dex != null && isTrusted) {
            dex.setTrusted();
          }
      } else {
          System.logW("ClassLoader referenced unknown path: " + file);
      }
  }
  if (elementsPos != elements.length) {
      elements = Arrays.copyOf(elements, elementsPos);
  }
 
  return elements;
}

该方法的主要功能是创建Element数组

 

loadDexFile:

 

加载DexFile文件,而且会把优化后的dex文件缓存到对应目录

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private static DexFile loadDexFile(File file, File optimizedDirectory, ClassLoader loader,
                                   Element[] elements)
        throws IOException {
    if (optimizedDirectory == null) {
        return new DexFile(file, loader, elements);  //创建DexFile对象
    } else {
        String optimizedPath = optimizedPathFor(file, optimizedDirectory);
        return DexFile.loadDex(file.getPath(), optimizedPath, 0, loader, elements);
    }
}

DexFile:

 

用来描述Dex文件,Dex的加载以及Class的查找都是由该类调用它的native方法完成的

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DexFile(File file, ClassLoader loader, DexPathList.Element[] elements)
        throws IOException {
    this(file.getPath(), loader, elements);
}
 
DexFile(String fileName, ClassLoader loader, DexPathList.Element[] elements) throws IOException {
    mCookie = openDexFile(fileName, null, 0, loader, elements);
    mInternalCookie = mCookie;
    mFileName = fileName;
}

openDexFile:

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private static Object openDexFile(String sourceName, String outputName, int flags,
        ClassLoader loader, DexPathList.Element[] elements) throws IOException {
    return openDexFileNative(new File(sourceName).getAbsolutePath(),
                             (outputName == null) ? null : new File(outputName).getAbsolutePath(),
                             flags,
                             loader,
                             elements);
}
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此时参数取值说明:
sourceName为PathClassLoader构造函数传递的dexPath中以分隔符划分之后的文件名;
outputName为null;
flags = 0
loader为null;
elements为makeDexElements()过程生成的Element数组;

openDexFileNative:

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static jobject DexFile_openDexFileNative(JNIEnv* env,
                                         jclass,
                                         jstring javaSourceName,
                                         jstring javaOutputName ATTRIBUTE_UNUSED,
                                         jint flags ATTRIBUTE_UNUSED,
                                         jobject class_loader,
                                         jobjectArray dex_elements) {
  ScopedUtfChars sourceName(env, javaSourceName);
  if (sourceName.c_str() == nullptr) {
    return 0;
  }
  Runtime* const runtime = Runtime::Current();
  ClassLinker* linker = runtime->GetClassLinker();
  std::vector<std::unique_ptr<const DexFile>> dex_files;
  std::vector<std::string> error_msgs;
  const OatFile* oat_file = nullptr;
 
  dex_files = runtime->GetOatFileManager().OpenDexFilesFromOat(sourceName.c_str(),
                                                               class_loader,
                                                               dex_elements,
                                                               /*out*/ &oat_file,
                                                               /*out*/ &error_msgs);
 
  if (!dex_files.empty()) {
    jlongArray array = ConvertDexFilesToJavaArray(env, oat_file, dex_files);
    ...
    return array;
  } else {
    ...
    return nullptr;
  }
}

这样就完成了dex的加载过程,而BaseDexClassLoader派生出两个子类加载器:PathClassLoaderDexClassLoader

 

image-20211010132844821

 

Android中如果parent类加载器加载不到类,最终还是会调用ClassLoader对象自己的findClass()方法

 

loadClass()加载:

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public abstract class ClassLoader {
 
    public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(className, false);
    }
 
    protected Class<?> loadClass(String className, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        //判断当前类加载器是否已经加载过指定类,若已加载则直接返回
        Class<?> clazz = findLoadedClass(className);
 
        if (clazz == null) {
            //如果没有加载过,则调用parent的类加载递归加载该类,若已加载则直接返回
            clazz = parent.loadClass(className, false);
 
            if (clazz == null) {
                //还没加载,则调用当前类加载器来加载
                clazz = findClass(className);
            }
        }
        return clazz;
    }
}
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该方法的加载流程如下:
1)判断当前类加载器是否已经加载过指定类,若已加载则直接返回,否则继续执行;
2)调用parent的类加载递归加载该类,检测是否加载,若已加载则直接返回,否则继续执行;
3)调用当前类加载器,通过findClass加载。

findLoadedClass:

 

[-> ClassLoader.java]

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protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
    ClassLoader loader;
    if (this == BootClassLoader.getInstance())
        loader = null;
    else
        loader = this;
    return VMClassLoader.findLoadedClass(loader, name);
}

findClass:

 

[-> BaseDexClassLoader.java]

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public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);
        ...
        return c;
    }
}

DexPathList.findClass:

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public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
    for (Element element : dexElements) {
        DexFile dex = element.dexFile;
        if (dex != null) {
            //找到目标类,则直接返回
            Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }
    }
    return null;
}
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代码解释:
    一个Classloader可以包含多个dex文件,每个dex文件被封装到一个Element对象,这些Element对象排列成有序的数组 dexElements。当查找某个类时,会遍历所有的dex文件,如果找到则直接返回,不再继续遍历dexElements。也就是说当两个类不同的dex中出现,会优先处理排在前面的dex文件,这便是热修复的核心精髓,将需要修复的类所打包的dex文件插入到dexElements前面
热修复原理:
    现在很多热修复技术就是把修复的dex文件放在DexPathList中Element[]数组的前面,这样就实现了修复后的Class抢先加载了,达到了修改bug的目的

DexFile.loadClassBinaryName:

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public final class DexFile {
 
    public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
        return defineClass(name, loader, mCookie, suppressed); 
    }
 
    private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie, List<Throwable> suppressed) {
        Class result = null;
        try {
            result = defineClassNative(name, loader, cookie); 
        } catch (NoClassDefFoundError e) {
            if (suppressed != null) {
                suppressed.add(e);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            if (suppressed != null) {
                suppressed.add(e);
            }
        }
        return result;
    }
}

defineClassNative()这是native方法

 

defineClassNative:

 

[-> dalvik_system_DexFile.cc]

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static jclass DexFile_defineClassNative(JNIEnv* env, jclass, jstring javaName, jobject javaLoader,
                                        jobject cookie) {
  std::unique_ptr<std::vector<const DexFile*>> dex_files = ConvertJavaArrayToNative(env, cookie);
  if (dex_files.get() == nullptr) {
    return nullptr; //dex文件为空, 则直接返回
  }
 
  ScopedUtfChars class_name(env, javaName);
  if (class_name.c_str() == nullptr) {
    return nullptr; //类名为空, 则直接返回
  }
 
  const std::string descriptor(DotToDescriptor(class_name.c_str()));
  const size_t hash(ComputeModifiedUtf8Hash(descriptor.c_str())); //将类名转换为hash
  for (auto& dex_file : *dex_files) {
    const DexFile::ClassDef* dex_class_def = dex_file->FindClassDef(descriptor.c_str(), hash);
    if (dex_class_def != nullptr) {
      ScopedObjectAccess soa(env);
      ClassLinker* class_linker = Runtime::Current()->GetClassLinker();
      class_linker->RegisterDexFile(*dex_file);
      StackHandleScope<1> hs(soa.Self());
      Handle<mirror::ClassLoader> class_loader(
          hs.NewHandle(soa.Decode<mirror::ClassLoader*>(javaLoader)));
      //获取目标类
      mirror::Class* result = class_linker->DefineClass(soa.Self(), descriptor.c_str(), hash,
                                                        class_loader, *dex_file, *dex_class_def);
      if (result != nullptr) {
        // 找到目标对象
        return soa.AddLocalReference<jclass>(result);
      }
    }
  }
  return nullptr; //没有找到目标类
}

在native层创建目标类的对象并添加到虚拟机列表

 

image-20211010135119533

 

image-20211010140620506

 

image-20211010150633152

 

我们继续分析Native层可以发现:

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DexFile.defineClassNative() 的实现在 /art/runtime/native/dalvik_system_DexFile.cc,最终由 ClassLinker.DefineClass() 实现
Class.classForName() 的实现在 /art/runtime/native/java_lang_Class.cc,最终由 ClassLinker.FindClass() 实现

ClassLinker核心原理:

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先从已加载类的 class_table 中查询,若找到则直接返回;若找不到则说明该类是第一次加载,则执行加载流程,其中可能需要穿插加载依赖的类,加载完成后将其缓存到 class_table 中
在 ClassLinker 中,会维护两类 class_table,一类针对基本类,一类针对其它的类。class_table 是作为缓存已经加载过的类的缓冲池。不管以什么样的方式去加载类,都需要先从 class_table 中先进行查询以提高加载性能

ClassLinker 在加载类的时候遇到该类依赖的类,进行穿插加载依赖类:

 

image-20211010150149783

 

我们总结BaseDexClassLoader初始化和加载原理:

 

image-20211010150449575

 

Android类加载详细流程:

 

image-20211010150449575

3.案例

(1)验证类加载器

我们验证App中的MainActivity类加载器和系统类String类的类加载器:

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ClassLoader thisclassloader = MainActivity.class.getClassLoader();
ClassLoader StringClassloader = String.class.getClassLoader();
Log.e("ClassLoader1","MainActivity is in" + thisclassloader.toString());
Log.e("ClassLoader1","String is in" + StringClassloader.toString());

image-20211010155539808

 

我们可以明显发现PathClassLoader加载已安装的APK类加载器,而BootClassLoader加载系统预安装的类

(2)遍历父类加载器

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public static  void printClassLoader(ClassLoader classLoader) {
       Log.e("printClassLoader","this->"+ classLoader.toString());
       ClassLoader parent = classLoader.getParent();
       while (parent!=null){
           Log.i("printClassLoader","parent->"+parent.toString());
           parent = parent.getParent();
       }
   }

(3)验证双亲委派机制

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try {
            Class StringClass = thisclassloader.loadClass("java.lang.String");
            Log.e("ClassLoader1","load StringClass!"+thisclassloader.toString());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
            Log.e("ClassLoader1","load MainActivity fail!"+thisclassloader.toString());
        }

我们使用PathClassLoader去加载 String.class类,还是可以加载成功,因为双亲委派的机制

(4)动态加载

这里我借用网上寒冰大佬动态加载的案例,来进一步讲述使用DexClassLoader类实现简单的动态加载插件dex,并验证ClassLoader的继承关系

 

我们先编写一个测试类文件,然后生成dex文件

 

image-20220218192716863

 

我们先将dex文件放到模拟器的sdcard/下

 

image-20211010150449575

 

我们新建一个程序,然后编写主程序的代码,并授权sd读取权限

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Context appContext = this.getApplication();
testDexClassLoader(appContext,"/sdcard/classes.dex");
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<uses-permission android:name="android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE"/>
<uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE"/>

然后我们编写类加载器代码

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private void testDexClassLoader(Context context, String dexfilepath) {
        //构建文件路径:/data/data/com.emaxple.test02/app_opt_dex,存放优化后的dex,lib库
        File optfile = context.getDir("opt_dex",0);
        File libfile = context.getDir("lib_dex",0);
 
        ClassLoader parentclassloader = MainActivity.class.getClassLoader();
        ClassLoader tmpclassloader = context.getClassLoader();
    //可以为DexClassLoader指定父类加载器
        DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(dexfilepath,optfile.getAbsolutePath(),libfile.getAbsolutePath(),parentclassloader);
 
        Class clazz = null;
        try {
            clazz = dexClassLoader.loadClass("com.example.test.TestClass");
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        if(clazz!=null){
            try {
                Method testFuncMethod = clazz.getDeclaredMethod("test02");
                Object obj = clazz.newInstance();
                testFuncMethod.invoke(obj);
            } catch (NoSuchMethodException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InvocationTargetException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
 
    }

(5)获得类列表

我们通过getClassNameList来获取类列表

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private static native String[] getClassNameList(Object cookie);
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public static void getClassListInClassLoader(ClassLoader classLoader){
        //先拿到BaseDexClassLoader
        try {
            //拿到pathList
            Class BaseDexClassLoader = Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
            Field pathListField = BaseDexClassLoader.getDeclaredField("pathList");
            pathListField.setAccessible(true);
            Object pathListObj = pathListField.get(classLoader);
 
            //拿到dexElements
            Class DexElementClass = Class.forName("dalvik.system.DexPathList");
            Field DexElementFiled = DexElementClass.getDeclaredField("dexElements");
            DexElementFiled.setAccessible(true);
            Object[]  dexElementObj = (Object[]) DexElementFiled.get(pathListObj);
            //拿到dexFile
            Class Element = Class.forName("dalvik.system.DexPathList$Element");
            Field dexFileField = Element.getDeclaredField("dexFile");
            dexFileField.setAccessible(true);
            Class DexFile =Class.forName("dalvik.system.DexFile");
            Field mCookieField = DexFile.getDeclaredField("mCookie");
            mCookieField.setAccessible(true);
            Field mFiledNameField = DexFile.getDeclaredField("mFileName");
            mFiledNameField.setAccessible(true);
            //拿到getClassNameList
            Method getClassNameListMethod = DexFile.getDeclaredMethod("getClassNameList",Object.class);
            getClassNameListMethod.setAccessible(true);
 
            for(Object dexElement:dexElementObj){
                Object dexfileObj = dexFileField.get(dexElement);
                Object mCookiedobj = mCookieField.get(dexfileObj);
                String mFileNameobj = (String) mFiledNameField.get(dexfileObj);
                String[] classlist = (String[]) getClassNameListMethod.invoke(null,mCookiedobj);
                for(String classname:classlist){
                    Log.e("classlist",classLoader.toString()+"-----"+mFileNameobj+"-----"+classname);
                }
            }
 
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

三、实验总结

花了一段时间,断断续续总算把这篇类加载器和动态加载的帖子写完了,从中学习到了很多,这里如果有什么错误,就请各位大佬指正了。

四、参考文献

1
2
3
4
5
6
http://gityuan.com/2017/03/19/android-classloader/
https://www.jianshu.com/p/7193600024e7
https://www.jianshu.com/p/ff489696ada2
https://www.jianshu.com/p/363a4ad0489d
https://github.com/huanzhiyazi/articles/issues/30
https://juejin.cn/post/6844903940094427150#heading-12

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