Android 八股文(二)

Android 八股文(二)
William C.Android 八股文(二)
系统篇
类加载机制
Android中的类加载机制与Java的类加载机制类似,但由于Android特有的虚拟机(如Dalvik和ART)以及应用的打包方式(APK),其类加载过程有一些特定的特点和优化。以下是Android类加载机制的主要方面:
类加载的基本过程
类加载过程分为三个主要阶段:- 加载(Loading):类加载器(ClassLoader)将字节码文件加载到内存中。
- 连接(Linking):包括验证(Verification)、准备(Preparation)和解析(Resolution)等过程,确保类的正确性。
- 初始化(Initialization):执行类的静态块和初始化静态变量。
ClassLoader的层次结构
Android中的类加载器继承自Java的类加载体系,主要有以下几种:- BootClassLoader:这是Android中的引导类加载器,用来加载系统核心类,如
java.*、android.*等基础库。 - PathClassLoader:主要用于加载应用程序的类(即从
/data/app/中的APK文件中加载类),它从设备文件系统中指定路径查找类。 - DexClassLoader:用来加载
.dex或.apk文件中的类,尤其是在需要动态加载时使用,如在插件化框架中加载外部的.dex文件。 - ApplicationClassLoader:这个是Android应用程序的类加载器,继承自
PathClassLoader,负责加载应用自己的类和资源。
- BootClassLoader:这是Android中的引导类加载器,用来加载系统核心类,如
Android类加载机制的双亲委派模式
类加载采用的是双亲委派模型,即一个类加载器加载类时,首先会将请求委派给它的父类加载器:- 如果父类加载器能够加载该类,则直接返回该类。
- 如果父类加载器不能加载,则由当前的类加载器加载。
这样做的好处是防止重复加载类,并且保证系统类优先被加载,避免自定义类覆盖系统类。
Dex文件与OAT文件
Android的应用程序打包成APK后,类文件会编译成.dex(Dalvik Executable)格式,这是一种针对Android虚拟机优化过的字节码格式。在早期的Dalvik虚拟机中,APK中的
.dex文件会被解释执行。而在Android 5.0之后,采用了ART(Android Runtime),APK在安装时会被提前编译(Ahead-Of-Time,AOT)为.oat文件(optimized Android executables),提升了运行时的性能。这意味着大部分类的加载是在安装时就已经完成了编译和优化,而不是在运行时解释执行。多Dex和动态加载
当APK文件过大时,可能会包含多个.dex文件,这时可以通过MultiDex机制来加载额外的类文件。Android在5.0以下版本中并不支持直接加载多个.dex,但通过MultiDex库,可以动态加载附加的.dex文件。动态加载的场景下,还可以使用
DexClassLoader来加载外部的类,例如从网络下载的插件或热修复补丁。热修复与插件化
热修复(例如修复bug)和插件化技术常常会用到类加载器。通过DexClassLoader或修改PathClassLoader,可以动态地将补丁文件或插件加载到内存中,而无需重新启动应用。Android中的优化
Android在类加载过程中,采用了多种优化策略以提高性能:- 内存优化:通过共享
dex文件,多个应用可以共享已经加载的库,减少内存消耗。 - 预编译:通过AOT编译,减少了运行时的类加载时间。
- 缓存机制:加载的类会被缓存起来,避免重复加载。
- 内存优化:通过共享
类加载器
类加载流程中的“加载”阶段被放在了Java虚拟机外部实现,实现这个阶段的工具称为类加载器(Class Loader)。
类与类加载器
类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段。对于任意一个类,都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性。通俗的讲,就是两个类是否”相等“的一个大前提是这两个类是由同一类加载器加载而来,不同类加载器加载出的Class对象一定不是同一个对象。
这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。
双亲委派模型
站在Java虚拟机的角度来看,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另外一种就是其他所有 的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立存在于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。
站在Java开发人员的角度来看,类加载器就应当划分得更细致一些。自JDK 1.2以来,Java一直保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构。这三层类加载器如下:
启动类加载器(Bootstrap Class Loader):这个类加载器负责加载存放在
\lib目录,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,而且是Java虚拟机能够识别的(按照文件名识别,如rt .jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。 扩展类加载器(Extension Class Loader):这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载
\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。 应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
这些类加载器之间的协作关系通常情况下如下图所示:
这个模型被称为”双亲委派模型(Parents Delegation Model)“。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载。
以类java.lang.Object为例,它存放在rt .jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。
双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作极为重要,但它的实现却异常简单,用以实现双亲委派的代码只有短短十余行,全部集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中,如下所示。
1 | protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) |
Android中的类加载器
Android 和传统的 JVM 是一样的,也需要通过 ClassLoader 将目标类加载到内存,类加载器之间也符合双亲委派模型。但是在 Android 中,ClassLoader 的加载细节有略微的差别。
在 Android 虚拟机里是无法直接运行 .class 文件的,Android 会将所有的 .class 文件转换成一个 .dex 文件,并且 Android 将加载 .dex 文件的实现封装在 BaseDexClassLoader 中,而我们一般只使用它的两个子类:PathClassLoader 和 DexClassLoader。
PathClassLoader
PathClassLoader 的源码中只有两个构造函数,如下:
1 | /** |
PathClassLoader继承自BaseDexClassLoader,BaseDexClassLoader中dexPath受到限制,一般只能是已经安装应用的apk路径。不过PathClassLoader情况比较特殊:
- 在Android 4.4以下版本时,PathClassLoader只能加载已安装到系统中的apk/dex文件。
- Android 5.0~Android 8.0,PathClassLoader没有限制必须已安装的apk,并且PathClassLoader中optimizedDirectory固定为null,所以无法进行dex2oat操作,最后会直接加载原始dex,达到了禁用dex2oat以实现加载加速的效果。
- Android 8.1或更高,此时DexClassLoader中optimizedDirectory同样固定传递null,oat输出目录在dex目录/oat/下,此时DexClassLoader与PathClassLoader相同。
当一个 App 被安装到手机后,apk 里面的 class.dex 中的 class 均是通过 PathClassLoader 来加载的,可以通过如下代码验证:
1 | class MainActivity : AppCompatActivity() { |
打印结果如下:
DexClassLoader
对比 PathClassLoader 在Android 4.4以下只能加载已经安装应用的 dex 或 apk 文件,DexClassLoader 则没有此限制,可以从 SD 卡上加载包含 class.dex 的 .jar 和 .apk 文件,这也是插件化和热修复的基础,在不需要安装应用的情况下,完成需要使用的 dex 的加载。
DexClassLoader 的源码里面只有一个构造方法,代码如下:
1 | /** |
接下来我们尝试使用DexClassLoader来自定义一个类加载器实现热修复。
类加载器实践案例
自定义类加载器
我们尝试使用自己的类加载器来加载本地磁盘上的类文件。
首先创建一个测试类,并将其复制到磁盘的某一处,这里我创建了一个Test类,编译后将其复制到”~/Downloads”目录下。
1 | class Test { |
接下来,创建一个DiskClassLoader继承自ClassLoader,重写其findClass方法,如下所示。
1 | /** |
接下来尝试使用这个类加载器:
1 | val loader = DiskClassLoader("file:///User/sukaidev/Downloads/") |
类加载器成功加载了路径为”User/sukaidev/Downloads/Test.class”的文件。
热修复实践
创建项目
先来创建一个创建 Android 项目,名字随意,项目结构如下:
ISay.java 是一个接口,内部只定义了一个方法 saySomething。
1 | package com.sukaidev.dexclassloaderhotfix |
SayException.java 实现了 ISay 接口,但是在 saySomething 方法中,打印“Oops! Something went wrong.”来模拟一个线上的 bug。
1 | package com.sukaidev.dexclassloaderhotfix |
最后在 MainActivity.kt 中,当点击 Button 的时候,将 saySomething 返回的内容通过 Toast 显示在屏幕上。
1 | package com.sukaidev.dexclassloaderhotfix |
点击按钮模拟线上报错,效果如下。
接下来尝试对其进行热修复。
创建热修复补丁
新建一个Java module用于制作热修复补丁,新建ISay和SayHotFix两个类,注意包名必须保持与上面一致。
1 | package com.sukaidev.dexclassloaderhotfix |
SayHotFix 实现 ISay 接口,并在 saySomething 中返回了新的结果,用来模拟 bug 修复后的结果。
1 | package com.sukaidev.dexclassloaderhotfix |
接下来只需要build一下项目,就会在模块的build/libs目录下生成jar包。
这个hotfix.jar就是我们需要的补丁包了,但是光有jar包是不行的,DexClassLoader只能加载.dex类型的包,因此接下来通过dx工具将生成的hotfix.jar优化为dex文件。
dx工具可以在Android Sdk目录下的build-tools目录中找到各版本的dx程序,例如我的电脑可以在版本号为30.0.3的build-tools中找到:
使用命令优化jar包:
1 | dx –dex –output=hotfix_dex.jar hotfix.jar |
这样我们就拿到了最终需要的补丁包hotfix_dex.jar。
加载补丁包
正常来讲我们的补丁包是通过后端下发,然后客户端使用DexClassLoader来加载的,这里为了方便模拟,直接通过adb命令push到sdk卡中:
1 | adb push hotfix_dex.jar /storage/emulated/0/ |
接着修改 MainActivity 中的逻辑,使用DexClassLoader加载HotFix patch中的 SayHotFix类,如下:
1 | class MainActivity : AppCompatActivity() { |
注意这里需求读取SD卡上的补丁包,API 23以上需要动态申请权限。运行后效果如下:
Binder机制
1.Binder到底是什么?
中文即 粘合剂,意思为粘合了两个不同的进程
网上有很多对Binder的定义,但都说不清楚:Binder是跨进程通信方式、它实现了IBinder接口,是连接 ServiceManager的桥梁blabla,估计大家都看晕了,没法很好的理解
我认为:对于Binder的定义,在不同场景下其定义不同
2. 知识储备
在讲解Binder前,我们先了解一些Linux的基础知识
- 进程空间划分
- 一个进程空间分为 用户空间 & 内核空间(Kernel),即把进程内 用户 & 内核 隔离开来
- 二者区别:
进程间,用户空间的数据不可共享,所以用户空间 = 不可共享空间
进程间,内核空间的数据可共享,所以内核空间 = 可共享空间
所有进程共用1个内核空间
- 进程内 用户空间 & 内核空间 进行交互 需通过 系统调用,主要通过函数:
copy_from_user():将用户空间的数据拷贝到内核空间
copy_to_user():将内核空间的数据拷贝到用户空间
- 进程隔离 & 跨进程通信( IPC )
进程隔离
为了保证 安全性 & 独立性,一个进程 不能直接操作或者访问另一个进程,即Android的进程是相互独立、隔离的跨进程通信( IPC )
即进程间需进行数据交互、通信跨进程通信的基本原理
a. 而Binder的作用则是:连接 两个进程,实现了mmap()系统调用,主要负责 创建数据接收的缓存空间 & 管理数据接收缓存
b. 注:传统的跨进程通信需拷贝数据2次,但Binder机制只需1次,主要是使用到了内存映射,具体下面会详细说明
3. Binder 跨进程通信机制 模型
- 模型原理图
Binder 跨进程通信机制 模型 基于 Client - Server 模式
- 模型组成角色说明
此处重点讲解 Binder驱动的作用 & 原理:
- 简介
- 跨进程通信的核心原理
- 模型原理步骤说明
- 额外说明
说明1:Client进程、Server进程 & Service Manager 进程之间的交互 都必须通过Binder驱动(使用 open 和 ioctl文件操作函数),而非直接交互
原因:
Client进程、Server进程 & Service Manager进程属于进程空间的用户空间,不可进行进程间交互
Binder驱动 属于 进程空间的 内核空间,可进行进程间 & 进程内交互
所以,原理图可表示为以下:
虚线表示并非直接交互
说明2: Binder驱动 & Service Manager进程 属于 Android基础架构(即系统已经实现好了);而Client 进程 和 Server 进程 属于Android应用层(需要开发者自己实现)
所以,在进行跨进程通信时,开发者只需自定义Client & Server 进程 并 显式使用上述3个步骤,最终借助 Android的基本架构功能就可完成进程间通信
说明3:Binder请求的线程管理
Server进程会创建很多线程来处理Binder请求
Binder模型的线程管理 采用Binder驱动的线程池,并由Binder驱动自身进行管理
而不是由Server进程来管理的一个进程的Binder线程数默认最大是16,超过的请求会被阻塞等待空闲的Binder线程。
所以,在进程间通信时处理并发问题时,如使用ContentProvider时,它的CRUD(创建、检索、更新和删除)方法只能同时有16个线程同时工作至此,我相信大家对Binder 跨进程通信机制 模型 已经有了一个非常清晰的定性认识
下面,我将通过一个实例,分析Binder跨进程通信机制 模型在 Android中的具体代码实现方式
即分析 上述步骤在Android中具体是用代码如何实现的
4. Binder机制 在Android中的具体实现原理
- Binder机制在 Android中的实现主要依靠 Binder类,其实现了IBinder 接口
实例说明:Client进程 需要调用 Server进程的加法函数(将整数a和b相加)
即:
Client进程 需要传两个整数给 Server进程
Server进程 需要把相加后的结果 返回给Client进程
具体步骤
下面,我会根据Binder 跨进程通信机制 模型的步骤进行分析
步骤1:注册服务
- 过程描述
Server进程 通过Binder驱动 向 Service Manager进程 注册服务 - 代码实现
Server进程 创建 一个 Binder 对象
Binder 实体是 Server进程 在 Binder 驱动中的存在形式
该对象保存 Server 和 ServiceManager 的信息(保存在内核空间中)
Binder 驱动通过 内核空间的Binder 实体 找到用户空间的Server对象
1 |
|
注册服务后,Binder驱动持有 Server进程创建的Binder实体
步骤2:获取服务
- Client进程 使用 某个 service前(此处是 相加函数),须 通过Binder驱动 向 ServiceManager进程 获取相应的Service信息
- 具体代码实现过程如下:
此时,Client进程与 Server进程已经建立了连接
步骤3:使用服务
Client进程 根据获取到的 Service信息(Binder代理对象),通过Binder驱动 建立与 该Service所在Server进程通信的链路,并开始使用服务
过程描述
- Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程
- Server进程 根据Client进程要求调用 目标方法(即加法函数)
- Server进程 将目标方法的结果(即加法后的结果)返回给Client进程
代码实现过程
① Client进程 将参数(整数a和b)发送到Server进程
1 | // 1. Client进程 将需要传送的数据写入到Parcel对象中 |
② Server进程根据Client进要求 调用 目标方法(即加法函数)
1 | // 1. 收到Binder驱动通知后,Server 进程通过回调Binder对象onTransact()进行数据解包 & 调用目标方法 |
③ Server进程 将目标方法的结果(即加法后的结果)返回给Client进程
1 | // 1. Binder驱动根据 代理对象 沿原路 将结果返回 并通知Client进程获取返回结果 |
- 总结
下面,我用一个原理图 & 流程图来总结步骤3的内容
5. 优点
对比 Linux (Android基于Linux)上的其他进程通信方式(管道、消息队列、共享内存、信号量、Socket),Binder 机制的优点有:
6. 总结
本文主要详细讲解 跨进程通信模型 Binder机制 ,总结如下:
特别地,对于从模型结构组成的Binder驱动来说:




































