学习笔记-Android虚拟机与类加载机制

JVM与Dalvik

Android 应用程序运行在 Dalvik/ART 虚拟机，并且每一个应用程序对应有一个单独的 Dalvik 虚拟机实例。
Dalvik 虚拟机实则也算是一个 Java 虚拟机，只不过它执行的是 dex文件，而不是 class 文件。

Dalvik 虚拟机与 Java 虚拟机有差不多的特性，差别在于两者执行的指令集是不一样的，前者的指令集是基于寄存器的，而后者的指令集是基于堆栈的。

基于栈的虚拟机

对于基于栈的虚拟机来说，每一个运行的线程，都有一个独立的栈。栈中记录了方法调用的历史，每有一次方法调用，栈中便会多一个栈帧。最顶部的栈帧称作当前栈帧，其代表着当前执行的方法，基于栈的虚拟机通过操作数栈进行所有操作。

字节码指令

执行过程：

字节码指令详情：cloud.tencent.com/developer/a…

寄存器

寄存器是 CPU的组成部分。寄存器是有限存贮容量的告诉存贮部件，它们可以用来暂存指令、数据和位址。

基于寄存器的虚拟机

基于寄存器的虚拟机中没有操作数栈，但有很多虚拟寄存器。其实和操作数栈相同，这些寄存器也存放在运行时栈中，本质上就是一个数组。与 JVM 相比，在 Dalvik VM 中每个线程都有自己的 PC和调用栈，方法调用的活动记录以帧为单位保存在调用栈上。

与 JVM 相比，可以发现 Dalvik 虚拟机的指令数明显减少了，数据移动次数也明显减少了。

ART 与 Dalvik

Dalvik VM 也是实现了 JVM 规范的一个虚拟机，默认使用 CMS垃圾回收器，但是与 JVM 运行 Class字节码文件不同，DVM 执行 dex (Dalvik Executable Format)，专为 Dalvik 设计的一种压缩格式。dex文件是很多 .class文件处理压缩后的产物，最终可以在 Android运行时环境执行。

Dalvik 虚拟机执行的是 dex 字节码，从 Android2.2 版本开始，支持 JIT即时编译 (Just in Time)，在程序运行的过程中进行选择热点代码(经常执行的代码)进行编译或者优化。

而 ART(Android RunTime) 是在Android 4.4中引入的一个开发者选项，也是 Android 5.0 以及更高版本的默认Android运行时。ART 虚拟机执行的是本地机器码。Android 的运行时从 Dalvik虚拟机替换成 ART虚拟机，并不要求开发者将自己的应用直接编译成目标机器码，APK 仍然是一个包含 dex 字节码的文件。

ART 和 Dalvik 都是运行 dex字节码的兼容运行时，因此针对 dalvik开发的应用也能在 ART 环境中运作。

dexopt与dex2oat

Dalvik下应用在安装的过程，会执行一次优化，将dex 字节码优化生成 odex文件。 而ART下将应用的 dex字节码翻译成本地机器码的最恰当 AOT 时机也就发生在应用安装的时候。ART 引入了 AOT (预先编译机制 Ahead Of Time) ，在安装时，ART使用设备自带的 dex2oat工具来编译应用，dex中的字节码将被编译成本地机器码。

  • dexopt

    在 Dalvik 中虚拟机在加载一个dex 文件时，对 dex 文件进行验证和优化的操作，其对 dex 文件的优化结果变成了 odex((Optimized dex)文件，这个文件和 dex 文件很像，只是使用了一些优化操作码。

  • dex2oat
    ART预先编译机制，在安装时对dex文件执行 AOT 提前编译操作，编译为 OAT( 实际上是 ELF 文件)可执行文件(机器码)。

Android N 的运作方式

ART 使用预先编译(AOT)， 并且从Android N混合使用 AOT 编译，解释和JIT。

  1. 最初进行安装时不进行任何 AOT编译(安装快了)，运行过程中解释执行，对经常执行的方法 JIT，经过 JIT编译的方法将会记录到 Profile 配置文件中。

  2. 当设备闲置和充电时，编译守护进程会运行，根据 Profile 文件对常用代码进行 AOT 编译。待下次运行时直接使用。

ClassLoader

任何一个 Java程序都是由一个或多个 class文件组成，在程序运行时，需要将class文件加载到 JVM 中才可以使用，负责加载这些 class 文件的就是 Java的类加载机制。 ClassLoader 的作用简单来说就是加载 class 文件，提供给程序运行时使用。每个 class 对象的内部都有一个 classLoader对象来标识自己是由哪个 Classloader 加载的。

ClassLoader 结构：

ClassLoader 是一个抽象类，它的具体实现类主要有：

  • BootClassLoader

    用于加载 Android Framework 层 class 文件

  • PathClassLoader

    用于 Android 应用程序类加载器。 可以加载指定的 dex，以及 jar、zip、apk 中的 classes.dex

  • DexClassLoader

    用于加载指定的 dex，以及 jar、zip、apk 中的 classes.dex

注：在dalvik 虚拟机上，PathClassLoader只能加载已安装apk 的 dex，但是我们现在一般不用关心 Dalvik

PathClassLoader 与 DexClassLoader 的共同父类是 BaseDexClassLoader

publicclassDexClassLoaderextendsBaseDexClassLoader{
publicDexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent){
super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
}
}
publicclassPathClassLoaderextendsBaseDexClassLoader{
publicPathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent){
super(dexPath, null, null, parent);
}
publicPathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent){
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}

可以看到两者唯一的区别在于：创建 DexClassLoader 需要传递一个 optimizedDirectory 参数，并且会将其创建为 File 对象传递给 super，而 PathClassLoader 则直接给到 null。因此两者都可以加载指定的dex、以及 jar、zip、apk中的classes.dex。

PathClassLoader pathClassLoader = new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader());
File dexOutputDir = context.getCodeCacheDir();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader("/sdcard/xx.dex",dexOutputDir.getAbsolutePath(), null,getClassLoader());

其实 optimizedDirectory 参数就是 dexopt的产出目录(odex)。 那 PathClassLoader 创建时，这个目录为 null就意味着不进行 dexopt 吗？ 并不是， optimizedDirectory 为 null 时的默认路径为 ：/data/dalvik-cache。

注： 在API 26源码中，将 DexClassLoader 的 optimizedDirectory 标记为了 deprecated 弃用，实现也变为了：

publicDexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory, String librarySearchPath, ClassLoader parent){
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}

......和 PathClassLoader 一摸一样了！

双亲委托机制

查看源码可以看到创建 ClassLoader 需要接收一个 ClassLoader parent 参数。 这个 parent的目的就在于实现类加载的双亲委托。即：

某个类加载器在接收到类加载的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成加载任务时，才自己加载。

因此，我们自己创建的 ClassLoader: new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", getClassLoader()); 并不仅仅只能加载 dex 中的 class。

值得注意的是：c = findBootstrapClassOrNull(name); 按照方法名理解，应当是 parent 为 null 的时候，也能够加载 BootClassLoader 加载的类。

new PathClassLoader("/sdcard/xx.dex", null) 能否加载 Activity.class ？？？

但实际上，Android 中的实现为 ：

findClass

可以看到在所以 ClassLoader 都无法加载 class 时，则会调用自己的 findClass 方法。 findClass 在 ClassLoader 中的定义为：

任何 ClassLoader 的子类都可以重写 loadClass 和 findClass 方法。

一般如果你不想使用 双亲委托，则重写 loadClass 修改其实现。

而重写 findClass则表示在双亲委托下，父 ClassLoader 都找不到类的情况下，定义自己如何去查找一个 Class。

而 我们的 PathClassLoader 会自己负责加载 MainActivity这种程序中自己编写的类，利用双亲委托父 ClassLoader加载 framework中的 Activity。 说明 PathClassLoader并没有重写 loadClass，因此，我们可以看看 PathClassLoader 中的 findClass 如何实现的：

实现非常简单，从 pathList 中查找 Class。 继续查看 DexPathList

publicDexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
String librarySearchPath, File optimizedDirectory, boolean isTrusted){
//......
//  splitDexPath(..)  实现为返回 List<File>.add(dexPath)
//  optimizedDirectory 指定输出dex优化后的odex文件，可以为null
//  makeDexElements(..)  会去 List<File>.add(dexPath) 中使用DexFile加载dex文件，包装成 Element对象，最后返回     // //  Element数组
//
// save dexPath for BaseDexClassLoader
this.dexElements = makeDexElements(splitDexPath(dexPath), optimizedDirectory,
suppressedExceptions, definingContext, isTrusted);
//......    
}

类加载

热修复

PathClassLoader 中存在一个 Element数组， Element 中存在一 dexFile的成员表示 dex 文件，即： APK 中有 X个 dex， Element 中就有 X个元素。

在 PathClassLoader 中的数组为：[Patch.dex, classes.dex , classes2.dex]。如果存在 Key.class 位于 patch.dex与 classes2.dex 中都存在一份，当进行类查找时，循环获得 dexElements 中的 dexFile，查找到了 Key.class 则立即返回，不会再管后续的 Element 中的 DexFile 是否能加载到 Key.class 了。

因此，一种热修复的实现跨越将出现 bug 的 Class单独制作一份 fix.dex 补丁包文件，然后在程序启动时，从服务器下载 fix.dex 保存到某个路径，再通过 fix.dex 的文件路径，用其创建 Element 对象，然后将这个 Element 对象插入到我们程序的类加载器 PathClassLoader 的 pathList 中的 dexElements 数组头部，这样在加载出现 Bug 的

class 时会优先加载 fix.dex 中的修复类，从而解决 Bug。

以上是 学习笔记-Android虚拟机与类加载机制 的全部内容， 来源链接： utcz.com/a/33445.html

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