Android熱修復原理（一）熱修復框架對比和代碼修復

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前言

在Android應用開發中，熱修復技術被越來越多的開發者所使用，也出現了很多熱修復框架，比如：AndFix、Tinker、Dexposed和Nuwa等等。如果只是會這些熱修復框架的使用那意義並不大，我們還需要了解它們的原理，這樣不管熱修復框架如何變化，只要基本原理不變，我們就可以很快的掌握它們。這一個系列不會對某些熱修復框架源碼進行解析，而是講解熱修復框架的通用原理。

1.熱修復的產生概述

在開發中我們會遇到如下的情況：
1. 剛發佈的版本出現了嚴重的bug，這就需要去解決bug、測試並打渠道包在各個應用市場上重新發布，這會耗費大量的人力物力，代價會比較大。
2. 已經改正了此前發佈版本的bug，如果下一個版本是一個大版本，那麼兩個版本的間隔時間會很長，這樣要等到下個大版本發佈再修復bug，這樣此前版本的bug會長期的影響用戶。
3. 版本升級率不高，並且需要很長時間來完成版本覆蓋，此前版本的bug就會一直影響不升級版本的用戶。
4. 有一個小而重要的功能，需要短時間內完成版本覆蓋，比如節日活動。

爲了解決上面的問題，熱修復框架就產生了。對於Bug的處理，開發人員不要過於依賴熱修復框架，在開發的過程中還是要按照標準的流程做好自測、配合測試人員完成測試流程。

2.熱修復框架的對比

熱修復框架的種類繁多，按照公司團隊劃分主要有以下幾種：

類別	成員
阿里系	AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix
騰訊系	微信的Tinker、QQ空間的超級補丁、手機QQ的QFix
知名公司	美團的Robust、餓了麼的Amigo、美麗說蘑菇街的Aceso
其他	RocooFix、Nuwa、AnoleFix

雖然熱修復框架很多，但熱修復框架的核心技術主要有三類，分別是代碼修復、資源修復和動態鏈接庫修復，其中每個核心技術又有很多不同的技術方案，每個技術方案又有不同的實現，另外這些熱修復框架仍在不斷的更新迭代中，可見熱修復框架的技術實現是繁多可變的。作爲開發需需要了解這些技術方案的基本原理，這樣就可以以不變應萬變。

部分熱修復框架的對比如下表所示。

特性	AndFix	Tinker/Amigo	QQ空間	Robust/Aceso
即時生效	是	否	否	是
方法替換	是	是	是	是
類替換	否	是	是	否
類結構修改	否	是	否	否
資源替換	否	是	是	否
so替換	否	是	否	否
支持gradle	否	是	否	否
支持ART	是	是	是	是
支持Android7.0	是	是	是	是

我們可以根據上表和具體業務來選擇合適的熱修復框架，當然上表的信息很難做到完全準確，因爲部分的熱修復框架還在不斷更新迭代。
從表中也可以發現Tinker和Amigo擁有的特性最多，是不是就選它們呢？也不盡然，擁有的特性多也意味着框架的代碼量龐大，我們需要根據業務來選擇最合適的，假設我們只是要用到方法替換，那麼使用Tinker和Amigo顯然是大材小用了。另外如果項目需要即時生效，那麼使用Tinker和Amigo是無法滿足需求的。對於即時生效，AndFix、Robust和Aceso都滿足這一點，這是因爲AndFix的代碼修復採用了底層替換方案，而Robust和Aceso的代碼修復借鑑了Instant Run原理，現在我們就來學習代碼修復。

3.代碼修復

代碼修復主要有三個方案，分別是底層替換方案、類加載方案和Instant Run方案。

3.1 類加載方案

類加載方案基於Dex分包方案，什麼是Dex分包方案呢？這個得先從65536限制和LinearAlloc限制說起。
65536限制
隨着應用功能越來越複雜，代碼量不斷地增大，引入的庫也越來越多，可能會在編譯時提示如下異常：

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

這說明應用中引用的方法數超過了最大數65536個。產生這一問題的原因就是系統的65536限制，65536限制的主要原因是DVM Bytecode的限制，DVM指令集的方法調用指令invoke-kind索引爲16bits，最多能引用 65535個方法。
LinearAlloc限制
在安裝時可能會提示INSTALL_FAILED_DEXOPT。產生的原因就是LinearAlloc限制，DVM中的LinearAlloc是一個固定的緩存區，當方法數過多超出了緩存區的大小時會報錯。

爲了解決65536限制和LinearAlloc限制，從而產生了Dex分包方案。Dex分包方案主要做的是在打包時將應用代碼分成多個Dex，將應用啓動時必須用到的類和這些類的直接引用類放到主Dex中，其他代碼放到次Dex中。當應用啓動時先加載主Dex，等到應用啓動後再動態的加載次Dex，從而緩解了主Dex的65536限制和LinearAlloc限制。

Dex分包方案主要有兩種，分別是Google官方方案、Dex自動拆包和動態加載方案。因爲Dex分包方案不是本章的重點，這裏就不再過多的介紹，我們接着來學習類加載方案。
在Android解析ClassLoader（二）Android中的ClassLoader中講到了ClassLoader的加載過程，其中一個環節就是調用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內部封裝了DexFile，DexFile用於加載dex文件，因此每個dex文件對應一個Element。
多個Element組成了有序的Element數組dexElements。當要查找類時，會在註釋1處遍歷Element數組dexElements（相當於遍歷dex文件數組），註釋2處調用Element的findClass方法，其方法內部會調用DexFile的loadClassBinaryName方法查找類。如果在Element中（dex文件）找到了該類就返回，如果沒有找到就接着在下一個Element中進行查找。
根據上面的查找流程，我們將有bug的類Key.class進行修改，再將Key.class打包成包含dex的補丁包Patch.jar，放在Element數組dexElements的第一個元素，這樣會首先找到Patch.dex中的Key.class去替換之前存在bug的Key.class，排在數組後面的dex文件中的存在bug的Key.class根據ClassLoader的雙親委託模式就不會被加載，這就是類加載方案，如下圖所示。

類加載方案需要重啓App後讓ClassLoader重新加載新的類，爲什麼需要重啓呢？這是因爲類是無法被卸載的，因此要想重新加載新的類就需要重啓App，因此採用類加載方案的熱修復框架是不能即時生效的。
雖然很多熱修復框架採用了類加載方案，但具體的實現細節和步驟還是有一些區別的，比如QQ空間的超級補丁和Nuwa是按照上面說得將補丁包放在Element數組的第一個元素得到優先加載。微信Tinker將新舊apk做了diff，得到patch.dex，然後將patch.dex與手機中apk的classes.dex做合併，生成新的classes.dex，然後在運行時通過反射將classes.dex放在Element數組的第一個元素。餓了麼的Amigo則是將補丁包中每個dex 對應的Element取出來，之後組成新的Element數組，在運行時通過反射用新的Element數組替換掉現有的Element 數組。

採用類加載方案的主要是以騰訊係爲主，包括微信的Tinker、QQ空間的超級補丁、手機QQ的QFix、餓了麼的Amigo和Nuwa等等。

3.2 底層替換方案

與類加載方案不同的是，底層替換方案不會再次加載新類，而是直接在Native層修改原有類，由於是在原有類進行修改限制會比較多，不能夠增減原有類的方法和字段，如果我們增加了方法數，那麼方法索引數也會增加，這樣訪問方法時會無法通過索引找到正確的方法，同樣的字段也是類似的情況。
底層替換方案和反射的原理有些關聯，就拿方法替換來說，方法反射我們可以調用java.lang.Class.getDeclaredMethod，假設我們要反射Key的show方法，會調用如下所示。

   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方法是個native方法，對應Jni層的代碼爲：
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函數中又調用了InvokeMethod函數：
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
...
}

註釋1處獲取傳入的javaMethod（Key的show方法）在ART虛擬機中對應的一個ArtMethod指針，ArtMethod結構體中包含了Java方法的所有信息，包括執行入口、訪問權限、所屬類和代碼執行地址等等，ArtMethod結構如下所示。
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結構中比較重要的字段是註釋1處的dex_cache_resolved_methods_和註釋2處的entry_point_from_quick_compiled_code_，它們是方法的執行入口，當我們調用某一個方法時（比如Key的show方法），就會取得show方法的執行入口，通過執行入口就可以跳過去執行show方法。
替換ArtMethod結構體中的字段或者替換整個ArtMethod結構體，這就是底層替換方案。
AndFix採用的是替換ArtMethod結構體中的字段，這樣會有兼容問題，因爲廠商可能會修改ArtMethod結構體，導致方法替換失敗。Sophix採用的是替換整個ArtMethod結構體，這樣不會存在兼容問題。
底層替換方案直接替換了方法，可以立即生效不需要重啓。採用底層替換方案主要是阿里係爲主，包括AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix。

3.3 Instant Run方案

除了資源修復，代碼修復同樣也可以借鑑Instant Run的原理， 可以說Instant Run的出現推動了熱修復框架的發展。
Instant Run在第一次構建apk時，使用ASM在每一個方法中注入了類似如下的代碼：

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

其中註釋1處是一個成員變量localIncrementalChange ，它的值爲$change，$change實現了IncrementalChange這個抽象接口。當我們點擊InstantRun時，如果方法沒有變化則$change爲null，就調用return，不做任何處理。如果方法有變化，就生成替換類，這裏我們假設MainActivity的onCreate方法做了修改，就會生成替換類MainActivity$override，這個類實現了IncrementalChange接口，同時也會生成一個AppPatchesLoaderImpl類，這個類的getPatchedClasses方法會返回被修改的類的列表（裏面包含了MainActivity），根據列表會將MainActivity的$change設置爲MainActivity$override，因此滿足了註釋2的條件，會執行MainActivity$override的access$dispatch方法，access$dispatch方法中會根據參數”onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V”執行MainActivity$override的onCreate方法，從而實現了onCreate方法的修改。
借鑑Instant Run的原理的熱修復框架有Robust和Aceso。

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