Android 插件化原理浅析
插件化是用于动态加载并运行代码的技术，通常可用于精简APK体积、动态更新功能、进行热修复等
本文源码基于
API 33，目录如下
- 插件化的目标
- 插件化的理论基础
- 组件检查
- 类检索
- 资源检索
- 插件化的手段
- 注册组件
- 加载类
- 加载资源
- 其它组件的插件化
- Service
- BroadcastReceiver
- ContentProvider
- 参考资料
插件化的目标
插件化技术为APP运行时提供了灵活的加载和运行机制，可以在运行时动态执行通过网络下发的代码，使原生具备了近似于H5的灵活性。插件化的动态技术，通常服务于以下目标：
- 缩减APK体积：通过将二级模块做成在线下载的插件，可以有效缩减应用APK体积，按需加载
- 破除65535方法数限制：继
MultiDex以外的另一种方案 - 动态修复：发现线上问题时通过更新补丁进行修复，控制风险，防止问题进一步扩大
- 在线升级：在线插件可以实时展示最新版本，升级效率高于APK自身版本升级
- 提升编译效率：宿主和插件可以并行编译
插件化的理论基础
通常我们讲插件化，讨论的是Activity的插件化实现。
Android组件管理机制
在用Context.startActivity(Intent)拉起新页面时，如果目标Activity没有在AndroidManifest.xml文件中注册，会抛出如下异常：
android.content.ActivityNotFoundException: Unable to find explicit activity class {pro.lilei.plugin/pro.lilei.plugin.PluginActivity}; have you declared this activity in your AndroidManifest.xml?
在API 33的源码里，这段检查代码位于Instrumentation.java。
android.app.Instrumentation.java
public static void checkStartActivityResult(int res, Object intent) {
if (!ActivityManager.isStartResultFatalError(res)) {
return;
}
switch (res) {
case ActivityManager.START_INTENT_NOT_RESOLVED:
case ActivityManager.START_CLASS_NOT_FOUND:
if (intent instanceof Intent && ((Intent)intent).getComponent() != null)
throw new ActivityNotFoundException(
"Unable to find explicit activity class "
+ ((Intent)intent).getComponent().toShortString()
+ "; have you declared this activity in your AndroidManifest.xml"
+ ", or does your intent not match its declared <intent-filter>?");
throw new ActivityNotFoundException(
"No Activity found to handle " + intent);
case ...
}
}
由上述代码可知，在检验结果码的过程中，START_INTENT_NOT_RESOLVED、START_CLASS_NOT_FOUND两个结果码都会导致无法创建Activity对象。后者属于类加载机制的原因，此处主要分析前者。
所检查的结果码来自于Instrumentation.java的execStartActivity()，其内部调用AMS来启动Activity。
public ActivityResult execStartActivity(...) {
...
intent.migrateExtraStreamToClipData(who);
intent.prepareToLeaveProcess(who);
int result = ActivityTaskManager.getService().startActivity(whoThread,
who.getOpPackageName(), who.getAttributionTag(), intent,
intent.resolveTypeIfNeeded(who.getContentResolver()), token,
target != null ? target.mEmbeddedID : null, requestCode, 0, null, options);
checkStartActivityResult(result, intent);
...
}
调用由AMS转发给ActivityTaskManagerService，调用链如下
- ActivityTaskManagerServicer:
startActivity->startActivityAsUser->startActivityAsUser - ActivityStarter:
execute->executeRequest
在这个过程中，系统会在AndroidManifest.xml文件中注册的组件中，查找可以响应当前Intent的那个，查找的规则既包括类名精准匹配，也包括<intent-filter>标签的匹配。对于插件而言，其Activity显然是没有经过注册的，因此在这一步会出错，返回START_INTENT_NOT_RESOLVED解析失败。
类加载机制
从我们写下的.java类文件代码，到最终运行在虚拟机中的程序，这中间经历了多个环节。我们知道，Java是一门运行在虚拟机中的语言，首先，.java文件会被javac命令编译成.class文件，它先被加载到内存中，然后在内存中经历函数调用，最后从内存中卸载，这是一个类完整的生命周期过程，包含以下阶段：
- 加载
- 链接（包含验证、准备、解析三个阶段）
- 初始化
- 使用
- 卸载
本章节重点分析其加载原理。
Java中的类加载
负责进行加载类的工具称为类加载器，Java中的类加载器分为系统类加载器和自定义类加载器两种。
系统类加载器
- 引导类加载器（
Bootstrap ClassLoader）：用c/c++语言实现，用于加载JDK中的核心类，主要加载$JAVA_HOME/jre/lib目录下的类，例如rt.jar、resources.jar等jar包。 - 扩展类加载器（
Extensions ClassLoader）：用Java语言实现的ExtClassLoader，其作用是加载Java的扩展类，位于$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下 - 应用程序类加载器（
Application ClassLoader）：用Java语言实现的AppClassLoader，是距离开发者最近的类加载器，可以通过ClassLoader.getSystemClassLoader方法获取到它，用于加载应用程序classpath目录和系统环境变量java.class.path指定目录下的类
可以在代码中通过class.getClassLoader()获取到当前的类加载器，类加载器之间存在委托关系，因此可以遍历取出其双亲（Parent）加载器，代码如下。
public class ClassLoaderDemo {
public static void main(String[] args) {
ClassLoader cl = ClassLoaderDemo.class.getClassLoader();
while (cl != null) {
System.out.println("ClassLoader: " + cl);
cl = cl.getParent();
}
}
}
控制台输出结果如下，可见当前生效的类加载器及其委托关系。由于ExtClassLoader的双亲加载器是BootstrapClassLoader，其由c/c++实现，故在Java代码中无法获得它的引用。
AppClassLoader@vi9g71ng
ExtClassLoader@jb0b8ang
注意在上文中我用了“委托”而不是“继承”，这是因为加载器内部采用的是委托机制，委托顺序如下图：
- 左侧是JDK中实现的类加载器，通过
parent属性形成父子关系。应用中自定义的类加载器的parent都是AppClassLoader - 右侧是JDK中的类加载器实现类。通过类继承的机制形成体系。未来我们就可以通过继承相关的类实现自定义类加载器
自定义类加载器
在一些特殊需求场景下需要自定义类加载器，例如从网络上获取到一个加密后的.class文件，此时通过自定义类加载器，将字节流解密后，再创建运行时的类对象。
双亲委托模式
是Java类加载机制最核心的知识，描述了在加载器层级结构中如何正确地找到目标类加载器的过程。文字描述如下：
- JVM产生加载某个类的需求
- 首先检索本级缓存，判断这个类是否已经加载过，如果加载过的话则直接返回加载过的对象
- 如果没有加载过，则看当前的类加载器是否存在parent（双亲），如果存在，则交由双亲检索
- 不断向上追查祖先，直到最古老的祖先，然后由该祖先进行查找，同样会查找当前该层级的缓存
- 如果祖先查找不到，则交回儿子加载器查找
- 直到返回当前加载器，触发其
findClass进行查找
其实这个过程与Android UI中的事件分发处理机制相似度达到99%，都是将事件（加载、触摸）层层向内/向上传递，一直传递到尽头后尝试进行消费，如果消费成功则终止，消费不成功则反向传回，逐级消费。
一图胜千言。
双亲委派模式的优点
- 效率：加载过一次的类会进行缓存，提升下次使用的速度
- 安全：所有加载任务都会层层传递给系统的类加载器，Java、Android的核心类都是由系统加载的，防止攻击者篡改这些核心类
- 解耦：不同层级的加载器负责不同范围的类的加载，职责清晰，易于理解和维护
判断两个类相同
需要同时满足：
- 类名相同
- 完整包名相同
- 加载器是同一个
Android中的类加载
有了上文的基础，直接用结构图表示，其中BootstrapClassLoader和PathClassLoader是必不可少的，其它类加载器由使用者自行定义。
资源加载机制
在讨论资源时，通常指的是assets目录、res目录下的drawable、layout、color、string等。
例：设置ImageView的资源
以设置ImageView的src为例，有两种方法，分别是在布局文件中直接指明android:src="@drawable/some_image.png"，和在Java代码中调用ImageView.setImageResource()。
在布局文件中声明
其函数调用链为：
- ImageView:
constructor - TypedArray:
getDrawable - Resources:
getDrawable - ResourcesImpl:
loadDrawableForCookie
通过setImageResource()设置
- ImageView:
setImageResource->resolveUri - Context:
getDrawable - Resources:
getDrawable - ResourcesImpl:
loadDrawableForCookie
上述两个方式最终都会调用到ResourceImpl.loadDrawableForCookie
private Drawable loadDrawableForCookie(...) {
...
if (file.endsWith(".xml")) {
final String typeName = getResourceTypeName(id);
if (typeName != null && typeName.equals("color")) {
dr = loadColorOrXmlDrawable(wrapper, value, id, density, file);
} else {
dr = loadXmlDrawable(wrapper, value, id, density, file);
}
} else {
// 通过AssetsManager加载系统资源流文件
final InputStream is = mAssets.openNonAsset(
value.assetCookie, file, AssetManager.ACCESS_STREAMING);
final AssetInputStream ais = (AssetInputStream) is;
dr = decodeImageDrawable(ais, wrapper, value);
}
...
}
通过上述分析可知，获取资源的方法调用链是：
Context->Resources->AssetManager->NativeAssetManager
这个流程中的关键概念阐释如下：
Resources: 由Context.getResources返回，通过它可以获取APP各项资源，是供我们直接调用的接口。当APP启动时随着Context实例而创建ResourcesImpl: 由ResourcesManager创建，它是Resources的具体实现，与Resources绑定，持有一个AssetsManager对象AssetsManager: 关键类，它在初始化时读取了当前APP的资源表resource.arsc文件，并调用addAssetPath(String path)将资源文件通过路径进行加载。在APP进程初始化时就伴随着AssetsManager的创建
AssetsManager读取资源顺序
AssetManager的初始化代码位于Native层的AssetManager.cpp中，初始化时分别执行以下任务：
- 加载系统的framework-res.apk，导入系统资源，如以android.开头的color等
- 传入apk文件时，查找其内部的resources.arsc进行加载
- 将解析到的资源添加到mResources进行维护，它是位于Native层的资源表
这样，通过Context.getResources就可以拿到上文中在Native层维护的mResources资源表，进而通过Key查找相应资源。
在以上理论基础上，进行插件化的实践。
插件化的实践
在应用插件化思想的过程中，需要解决以下三个难点：
- 类文件注入，把插件dex插入到ClassLoader类加载器中
- Activity组件的注册，从而将目标页面的生命周期与系统绑定
- 资源注入，让宿主、插件的资源实现互相访问
加载类
自定义PluginClassLoader
新建一个PluginClassLoader，用来加载插件中的类。
public class PluginClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(
String dexPath,
String optimizedDirectory,
String librarySearchPath,
ClassLoader parent) {
// ...
}
}
构造函数中的4个参数说明如下：
dexPath: 需要加载的dex/jar/apk路径，对于assets目录下的插件包，需要将其复制到应用目录下optimizedDirectory: ART虚拟机对dex优化后生成odex的存放位置librarySearchPath: so文件位置parent: 双亲类加载器
将PluginClassLoader实例化后，调用其loadClass(clazzName)函数就可以加载插件中的类。
private fun extractPlugin() {
val inputStream = assetts.open("plugin.apk")
File(filesDir.absolutePath, "plugin.apk").writeBytes(inputStream.readBytes())
}
private fun init() {
extractPlugin()
pluginPath = File(filesDir.absolutePath, "pluginapk").absolutePath
nativeLibDir = File(filesDir, "pluginlib").absolutePath
dexOutPath = File(filesDir, "dexout").absolutePath
pluginClassLoader = PluginClassLoader(pluginPath, nativeLibDir, dexOutPath, this::class.java.classloader)
}
通过反射生成Activity对象
val loadClass = pluginClassLoader.loadClass(activityName)
loadClass.getMethod("test", null).invoke(loadClass)
注册组件
通过上一章节自定义的PluginClassLoader，我们可以创建插件APK中的Activity对象并调用其方法，然而，这只是把它当成普通Java对象来使用，对于Android系统而言，我们当然希望AMS能够识别我们所创建的Activity实例，自动调用其生命周期相应方法。因此，需要将上一步创建的Activity与AMS的生命周期逻辑绑定。
要实现上述目的，通常有两种方法：
- 在
Manifest中预先插桩- 优点：实现简单，对Android各个版本兼容性好
- 缺点：代码侵入量大，需要借助中间类来中转双向（宿主-插件之间）方法调用；插桩Activity数量不好控制
- Hook系统启动Activity时的检查过程
- 优点：无缝接入，不需要中转Activity
- 缺点：Android不同版本的检查逻辑不同，有兼容性风险
这里我们选用插桩的方式进行实现，首先在宿主中声明一个StubActivity，它主要有2个职责：
- 在
AndroidManifest.xml文件中注册自身，从而可以被AMS生命周期识别并调用到 - 在
onCreate时从Intent中接收传递来的参数对象PluginInfo(name, apkPath, activityName)，以便通过PluginClassLoader进行自定义创建
相对应的，如果要把插件Activity的各项系统调用转发回系统，也需要借助一个插件Activity的基类PluginBaseActivity，它的职责是：
- 将插件Activity的各个系统调用转发给
StubActivity，使诸如setContentView等系统接口调用对插桩类生效。因为在系统眼中此时前台的应当是插桩类StubActivity
StubActivity.java
public class StubActivity extends AppCompatActivity {
private PluginBaseActivity mPluginBaseActivity;
@Override
protected void onCreate(final Bundle savedInstanceState) {
String pluginActivityName = getIntent().getString("activityName", "");
mPluginBaseActivity = PluginLoader.loadActivity(pluginActivityName, this); // 加载插件APK并通过自定义ClassLoader创建插件Activity实例
if (mPluginBaseActivity == null) {
super.onCreate(savedInstanceState);
return;
}
mPluginBaseActivity.onCreate(); // 其它生命周期调用同理
}
}
@Override
protected void onResume() {
if (mPluginBaseActivity == null) {
super.onResume();
return;
}
mPluginBaseActivity.onResume();
}
PluginBaseActivity.java，插件Activity应当是它的子类
public class PluginBaseActivity {
private StubActivity mStubActivity;
public StubActivity(StubActivity stubActivity) {
mStubActivity = stubActivity;
}
@Override
public <T extends View> T findViewById(int id) {
return mStubActivity.findViewById(id);
}
// ... 其它各项系统调用同理
}
字节码替换工具：Shadow
Shadow是腾讯开源的一款插件化框架，其实现思路就是StubActivity插桩，它提供了字节码替换功能，可以在编译阶段自动将插件中的Activity继承关系改为PluginBaseActivity。其实现原理是借助Gradle的Transform Api，在字节码生成后、dex文件创建前，对生成的字节码进行修改。这样一来，插件开发者只需要按照传统方式开发Activity代码，无须手动继承PluginBaseActivity。
自动修改前，SamplePluginActivity.kt
class SamplePluginActivity : Activity() {}
自动修改后，SamplePluginActivity.kt
class SamplePluginActivity : PluginBaseActivity() {}
加载资源
可访问插件资源的Resources对象
通过上文分析，我们知道APP运行时，通过Context.getResources获取到一个全局的Resources对象，其内部封装了ResourcesImpl进行资源查找，ResourcesImpl则与AssetsManager绑定，后者会关联到文件系统中具体的APK。
因此，资源注入的思路是，对插件APK构建其Resources对象，然后就可以实现在PluginBaseActivity中提供借助这个Resources对象查找插件中的资源。
PluginLoader.java
public Resources getPluginResources() {
PackageManager packageManager = applicationContext.getPackageManager();
// 1. 通过APK路径，获取其PackageInfo
PackageInfo pi = packageManager.getPackageArchiveInfo(
pluginApkPath,
PackageManager.GET_ACTIVITIES
|PackageManager.GET_META_DATA
|PackageManager.GET_SERVICES
|PackageManager.GET_PROVIDERS
|PackageManager.GET_SIGNATURE
);
pi.applicationInfo.sourceDir = pluginApkPath;
pi.applicationInfo.publicSourceDir = pluginApkPath;
// 2.创建插件Resources对象
Resources pluginResources = packageManager.getResourcesForApplication(pi.applicationInfo);
}
随后将pluginResources与宿主的Resources进行合并，从而让插件的代码也可以访问到宿主当中的资源。
PluginResources.java，用于从插件/宿主中获取资源
public class PluginResources extends Resources {
private Resources hostResources;
private Resources pluginResources;
// 这里传入的是上一步通过插件APK生成的Resources对象
public PluginResources(Resources hostResources, Resources pluginResources) {
super(pluginResources.getAssets(), pluginResources.getDisplayMetrics(), pluginResources.getConfiguration());
this.hostResources = hostResources;
this.pluginResources = pluginResources;
}
// 先从插件中获取，如果获取不到，就从宿主当中找
@Override
public String getString(int id, Object... formatArgs) throws NotFoundException {
try {
return pluginResources.getString(id, formatArgs);
} catch (NotFoundException e) {
return hostResources.getString(id, formatArgs);
}
}
// ...
}
双重查找资源
最后在宿主插桩StubActivity中，使用包装后的PluginResources提供资源查找服务，这样，即使在插件Activity中调用，也可以借助PluginBaseActivity转发给插桩的StubActivity，从而实现资源注入。
StubActivity.java
public class StubActivity extends Activity {
private Resources mPluginResources;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
// ...
mPluginResources = new PluginResources(super.getResources(), PluginLoader.getResources(pluginApkPath));
// ...
}
@Override
public Resources getResources() {
if (mPluginResources == null) {
return super.getResources();
}
return mPluginResources;
}
}
其它组件的插件化
除了Activity，再简单讲述下其它3个组件的插件化实现思路，只提供概念上的指引，不做过多讲解。
Service插件化
和Activity的相同点是，先在Manifest文件中插桩StubService，插件中的Service就可以借尸还魂。但是，与Activity有所不同，作为桩子的StubActivity可以提供给多个插件Activity使用，多次去start同一个StubActivity，系统中就会存在多个StubActivity实例。而于Service而言，多次去start同一个StubService，系统中不会增多实例，所以因此需要准备多个StubService，以备插件中存在多个Service的情况。
BroadcastReceiver插件化
与前两者有所不同，BroadcastReceiver分为动态广播与静态广播。
动态广播
不需要与AMS交互，使用ClassLoader方案进行加载即可。
静态广播
附加了IntentFilter信息，无法通过插桩的方式进行预站位，实现思路是通过PackageManager取出Manifest文件中声明的静态广播，将其注册为动态广播。
ContentProvider插件化
与BroadcastReceiver处理方法类似，通过PackageParser解析Manifest文件中注册的ContentProvider，然后调用ActivityThread.installContentProviders函数，把它们注册在宿主APP中。
有两点需要注意：
- 注册时机：APP安装自己的ContentProvider是在进程启动时候进行，比Application的
onCreate还要早，所以我们要在Application的attachBaseContext方法中手动执行上述操作 - 转发机制：让外界App直接调用插件的App，并不是一件特别好的事情，因为插件的稳定性欠佳。最好是由App的ContentProvider作为中转。因为字符串是ContentProvider的唯一标志，转发机制就特别适用
参考资料
转载自:https://juejin.cn/post/7357301805569441803