Android AndFix热修复原理是什么

发布时间:2022-08-29 17:12:15 作者:iii
来源:亿速云 阅读:153

这篇“Android AndFix热修复原理是什么”文章的知识点大部分人都不太理解,所以小编给大家总结了以下内容,内容详细,步骤清晰,具有一定的借鉴价值,希望大家阅读完这篇文章能有所收获,下面我们一起来看看这篇“Android AndFix热修复原理是什么”文章吧。

前言

当我们写了一个方法,那么这个方法是如何被执行的呢?

public int add(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    return a + b;
}

其实方法的本质就是arm指令,在Android当中,dalvik或者art虚拟机的执行引擎会执行arm指令 

Android AndFix热修复原理是什么

 add方法是java代码,java代码编译成class文件,还需要一步转换为dex文件,才能被Android虚拟机执行,dex文件包含了app的所有代码,因此方法也是存在dex文件中,那么通过dx命令,可以查看方法被编译成的字节码指令

1 arm指令集

dx --dex --verbose --dump-to=dex_method.txt --dump-method=Method.add --verbose-dump Method.class

Android中可以通过dx命令将class文件转换为dex文件,dx.bat位于Android SDK中的build-tools文件夹下,那么可以通过dx命令将class文件翻译成arm指令集 

Android AndFix热修复原理是什么

可以看一下,打印输出的arm指令集,ART执行某个方法的时候,执行的就是这个指令集,当apk安装的时候,dex文件会被dex2oat工具翻译成本地机器码(arm指令集)保存在oat文件中,当apk运行的时候oat会被加载到内存中,存在虚拟机的方法区中 

Android AndFix热修复原理是什么

 执行的时候,会构建一个栈帧压入虚拟机栈中,然后每一个方法在ART中都对应一个ArtMethod(这个后边会说),ArtMethod中的invoke函数会找到当前方法对应的本地机器码执行,执行完成之后,栈帧出栈

关注点回到指令集上,在每一行指令前有一个数字,代表程序计数器记录的行号,精简之后的指令集(只保留每个行号的最后一个)

Method.add:()I:
regs: 0002; ins: 0001; outs: 0000
 
  0000: const/16 v0, #int 30 // #001e
  0002: return v0
  0003: code-address
  debug info
    line_start: 4
    parameters_size: 0000
    0000: prologue end
    0000: line 4
    0000: line 6
    end sequence
  source file: "Method.java"

另外还有一种方式获取字节码,是通过javap获取,这种跟arm指令有啥区别呢?其实都是字节码,但是javap获取的字节码是JVM执行的字节码,Android虚拟机是Dalvik或者Art虚拟机,执行的是arm指令集

public int add();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_2
         7: iload_1
         8: iadd
         9: ireturn
      LineNumberTable:
        line 4: 0
        line 5: 3
        line 6: 6

这两者有什么区别呢?我们看同是执行 10 + 20 ,JVM是先创建一个10变量,然后再创建20 ,最后将两个相加然后返回;但是从ART机器指令中可以看到是直接计算好了,然后创建v0 = 30,直接返回,所以:Android编译器在编译的过程中会做优化,提高执行的效率(这个可以自己去试一下,javac并没有做优化处理)

当一个class类加载进来之后,class类中有方法、成员变量等,这些类的信息加载的时候是放在方法区,当Java层调用某个方法时,ART虚拟机找到该方法对应的本地机器码指令,在虚拟机栈中,该方法栈帧入栈,CPU去读取每行指令,程序计数器+1,等到方法执行完毕,栈帧出栈。

2 AndFix热修复原理

之前我们介绍过阿里的AndFix或者Sophix是通过hook native层替换已经加载的类的方法,接下来我们着重看一下,AndFix热修复是怎么实现的

Method.add:()I:
regs: 0002; ins: 0001; outs: 0000
 
  0000: const/16 v0, #int 30 // #001e
  0002: return v0
  0003: code-address
  debug info
    line_start: 4
    parameters_size: 0000
    0000: prologue end
    0000: line 4
    0000: line 6
    end sequence
  source file: "Method.java"
public class Method {

    public int add(){
        int a = 10;
        int b = 20;
        return a + b;
    }
}
//调用
Method method = new Method();
method.add();

我们看下这个方法,通过Method对象去调用,method是在堆内存中,通过对象可以拿到类信息在方法区中。 

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当执行这个方法时,ART执行引擎从方法区中找到方法的本地机器指令,通过CPU执行得到结果,如果add方法中抛出异常导致app崩溃,那么如何修复?

2.1 ArtMethod

既然要做到方法替换,首先必须要了解方法在虚拟机中的形态;其实前面有提到,方法在虚拟机中对应的结构体就是ArtMethod,每个方法在ART中对应一个ArtMethod。

# Android 10.0/art/runtime/art_method.h
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_;

  union {
    uint16_t hotness_count_;
    uint16_t imt_index_;
  };

  // Fake padding field gets inserted here.

  // Must be the last fields in the method.
  struct PtrSizedFields {
    // Depending on the method type, the data is
    //   - native method: pointer to the JNI function registered to this method
    //                    or a function to resolve the JNI function,
    //   - conflict method: ImtConflictTable,
    //   - abstract/interface method: the single-implementation if any,
    //   - proxy method: the original interface method or constructor,
    //   - other methods: the profiling data.
    void* data_;

    // Method dispatch from quick compiled code invokes this pointer which may cause bridging into
    // the interpreter.
    void* entry_point_from_quick_compiled_code_;
  } ptr_sized_fields_;

在ArtMethod中,有一个结构体PtrSizedFields,其中一个成员变量为entry_point_from_quick_compiled_code_,这个指针指向的就是在方法区中该方法本地机器码的内存地址,也就是说,如果想要实现热修复,那么就将entry_point_from_quick_compiled_code_指向正确的方法机器码指令地址即可。

除此之外,看下其他成员变量的含义:

对于hotness_count_,这里需要说一下ART的编译模式,Dalvik的就先不介绍了

2.2 ART编译模式

在Android 5.0之后,Android编译器由ART代替了Dalvik,采用了全新的编译模式AOT,代替JIT;

什么是AOT?就是全量编译,在APK安装的时候,会将所有的dex文件编译成本地机器码,然后在执行方法时会直接拿到相应的机器码执行,速度非常快,但是这也带来一些问题:

(1)安装时间长

因为在安装的过程中做全量的编译,耗时非常严重;早先的Android手机我们在安装的时候,进度条一直在转但就是装不上,这种是非常差的用户体验

(2)存储空间

因为全量编译的时候,dex被编译成机器码之后,保存在.oat文件中,10M的dex翻译成的机器码内存激增4-5倍,大量的文件保存在手机中会占据内存空间

所以在Android N之后,采用了混合编译模式,AOP + 解释 + JIT

全新的混编模式不再在APK安装的时候进行全量编译,而是会解释字节码,因此安装的速度很快;此外新增了一个JIT编译器,会在App运行的时候分析代码,把结果保存在Profile中,并且在空闲时间分析并编译这些代码;

接着上面的hotness_count_,其实用来记录这个方法被调用的次数,当超过某个阈值之后,这个方法会被标记为热代码,这些热方法在设备空闲的时候做编译,并保存在名为app_image的base.art文件中,这个art文件会在类加载之前加载到内存中,意味着当调用这个方法的时候,不再需要编译为机器码,而是直接执行拿到结果。

2.3 AndFix框架实现

首先创建一个C++的模块,然后C++版本可选择个人熟悉的,我对C++ 11的一些特性比较熟悉 

Android AndFix热修复原理是什么

 其实AndFix实现的关键,就是找到ArtMethod,在JNI层是能够实现的,通过JNIEnv的FromReflectedMethod函数

public class AndFixManager {
    //native热修复方法
    public static native void fix(Method wrong, Method right);
}
//fix对应的JNI接口
extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_tal_andfix_AndFixManager_fix(
        JNIEnv *env,
        jclass clazz,
        jobject wrong,
        jobject right) {

    //获取ArtMethod
    env->FromReflectedMethod(wrong);

}

其实在Java层调用的时候,是需要反射获取某个方法,也就是说,在Java层反射拿到的方法其实就是ArtMethod,只不过再底层的我们看不到,那现在就能看到了!

try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.tal.demo02.FixDemo");
    Method run = clazz.getDeclaredMethod("run");
    AndFixManager.fix(run,run);
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}
2.3.1 获取ArtMethod

之前我们看源码的时候,可以看到ArtMethod.h中存在很多系统的头文件,全部导入工程中不现实 

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 因为我们需要的是ArtMethod的一个结构体的成员变量,所以我们只需要针对性地导入即可,art_method.h如下;

#ifndef DEMO02_ART_METHOD_H
#define DEMO02_ART_METHOD_H
#endif //DEMO02_ART_METHOD_H
#include "stdint.h"
namespace art{
    namespace mirror{
        class ArtMethod final {
        public:
            uint32_t declaring_class_;
            std::atomic<std::uint32_t> access_flags_;
            uint32_t dex_code_item_offset_;
            uint32_t dex_method_index_;
            uint16_t method_index_;
            union {
                uint16_t hotness_count_;
                uint16_t imt_index_;
            };
            struct PtrSizedFields {
                void* data_;

                void* entry_point_from_quick_compiled_code_;
            } ptr_sized_fields_;

        };

    }
}

最终在Java层调用JNI方法,执行到JNI层,获取到ArtMethod

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_tal_andfix_AndFixManager_fix(
        JNIEnv *env,
        jclass clazz,
        jobject wrong,
        jobject right) {

    //获取ArtMethod
    ArtMethod *artMethod = reinterpret_cast<ArtMethod *>(env->FromReflectedMethod(wrong));
}

这里通过断点可以看到,ArtMethod已经拿到了,而且关键信息entry_point_from_quick_compiled_code_,也就是arm指令集的内存地址拿到了! 

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2.3.2 方法替换
public class FixDemo {

    public void run(){
        throw new IllegalArgumentException();
    }
}
public class FixDemo {
    public void run(){
        Log.e("TAG","已经被修复了");
    }
}

现在有一个场景就是,当执行FixDemo的run方法时抛出异常导致崩溃,这种场景下,使用热修复技术怎么修复呢,就是方法替换,arm指令集替换

public class AndFixManager {

    public static void bugFix(){
        try {
            Class clazz = Class.forName("com.take.andfix.FixDemo");
            Method wrong = clazz.getDeclaredMethod("run");
            //正确的方法
            Class clazz1 = Class.forName("com.take.andfix.fox.FixDemo");
            Method right = clazz1.getDeclaredMethod("run");
            AndFixManager.fix(wrong, right);
        }catch (Exception e){

        }
    }
    public static native void fix(Method wrong, Method right);
}

抛出异常的类是andfix包下的,当线上需要修复时,下发patch包,然后加载fox包下的方法,调用native fix方法

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_tal_andfix_AndFixManager_fix(JNIEnv *env, jclass clazz, jobject wrong, jobject right) {

    //获取ArtMethod
    ArtMethod *wrongMethod = reinterpret_cast<ArtMethod *>(env->FromReflectedMethod(wrong));
    ArtMethod *rightMethod = reinterpret_cast<ArtMethod *>(env->FromReflectedMethod(right));

    //方法替换
    wrongMethod->declaring_class_ = rightMethod->declaring_class_;
    wrongMethod->access_flags_ = rightMethod->access_flags_;
    wrongMethod->dex_code_item_offset_ = rightMethod->dex_code_item_offset_;
    wrongMethod->dex_method_index_ = rightMethod->dex_method_index_;
    wrongMethod->method_index_ = rightMethod->method_index_;
    wrongMethod->ptr_sized_fields_.data_ = rightMethod->ptr_sized_fields_.data_;
    wrongMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_ = rightMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_;
}

然后再次执行run方法

binding.sampleText.setOnClickListener {
    AndFixManager.bugFix()
    val fixDemo = FixDemo()
    fixDemo.run()
}
打印出的结果:E/TAG: 已经被修复了

其实现在阿里的AndFix和Sophix已经不维护了,但是这种热修复的思想我们是需要了解的,尤其是通过hook native底层替换方法,能够帮助我们更好地了解JVM虚拟机和Android虚拟机。

2.4 AndFix动态化配置

在上面简单的demo中,我们是知道那个类的哪个方法发生异常,在代码中写死的,但真正的线上环境中,其实是不知道哪个类会报错,一般我们都会使用bugly,像crash跟anr都能够实时监控到 

Android AndFix热修复原理是什么

 当app某个方法抛异常之后,通过bugly上报到后台,比如com.take.andfix.FixDemo这个类中的run方法抛出了异常,那么我们需要针对这个类的方法做修复,如果做到动态化,需要使用注解修饰这个修复类

/**
 * 修复类需要使用这个注解
 */
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface andfix {
    String clazz();
    String method();
}
public class FixDemo {
    @andfix(clazz = "com.tal.andfix.FixDemo",method = "run")
    public void run(){
        Log.e("TAG","已经被修复了");
    }
}

这样在热修复时,能够知道这个修复类要修复线上环境中那个类的哪个方法

2.4.1 dex打包

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在打包dex的时候,需要把整个包名路径下的class文件一起打包,通过命令行完成dex打包

dx --dex --output fix.dex /xxxx/Desktop/dx

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 将打包成功的dex修复包,放到sd卡中 :

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2.4.2 dex文件加载

dex文件的加载,通过DexFile实现,如果不熟悉可以看下源码,art虚拟机会将dex转换为odex,因此加载dex文件的时候,需要传入一个odex文件的缓存路径。

将dex文件加载到内存之后,可以获取到dex文件中全部的类,通过DexFile.loadClass就可以将这个类通过类加载器加载。

/**
* dex文件加载,将dex文件加载到内存
* @param context
* @param dexFile
*/
private static void loadFixDex(Context context, File dexFile) {
   try {

       DexFile odex = DexFile.loadDex(
               dexFile.getAbsolutePath(),
               new File(context.getCacheDir(), "odex").getAbsolutePath(),
               Context.MODE_PRIVATE
       );
       Enumeration<String> entries = odex.entries();
       while (entries.hasMoreElements()){
           //全类名
           String clazzName = entries.nextElement();
           //加载类
           Class aClass = odex.loadClass(clazzName, context.getClassLoader());
           //处理类
           if(aClass != null){
               processClass(aClass);
           }
       }


   } catch (Exception e) {
       e.printStackTrace();
   }
}

这里会有一个问题,就是既然拿到了全类名,为什么不能通过方式1获取,而是需要通过方式2获取?原因就是,Class.forName是从当前apk中查找这个类,但是这个类是在dex文件中,是从服务端下发的,并没有放在apk中,因此通过Class.forName是找不到的,通过DexFile.loadClass才是真正加载类到了内存中

//方式1
Class.forName("xxxxxxxxxx")
//方式2
odex.loadClass(clazzName, context.getClassLoader())
2.4.3 动态替换方法

拿类之后,通过反射能够拿到修复类中的方法,当然不是每个方法都是需要被修复的,我们需要判断的是,上面是否有我们自定义的注解,如果有,那么就能够通过反射,拿到抛出异常的这个方法,因为注解上有我们传入的类名和方法名,最终调用JNI的接口实现动态替换方法

private static void processClass(Class aClass) {
    //获取方法上的注解
    Method[] methods = aClass.getMethods();
    for (Method method:methods){
        andfix annotation = method.getAnnotation(andfix.class);
        if(annotation != null){
            //如果存在这个注解,那么就执行方法替换
            String clazz = annotation.clazz();
            String method1 = annotation.method();
            //获取wrong方法
            try {
                Class<?> wrongMethodClass = Class.forName(clazz);
                //这里注意,修复类的方法,要和被修复的方法,参数一致!!!!!
                Method wrongMethod = wrongMethodClass.getDeclaredMethod(method1,method.getParameterTypes());
                //动态方法替换
                fix(wrongMethod,method);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}
2.4.4 文件访问问题

一切准备就绪之后,可以通过加载dex补丁包来修复

binding.sampleText.setOnClickListener {

//            AndFixManager.bugFix()
    AndFixManager.loadFixDex(
        this,
        File(System.getenv("EXTERNAL_STORAGE"), "fix.dex")
    )
    val fixDemo = FixDemo()
    fixDemo.run()
}

这里可能会碰到一些加载SD卡中文件报错的问题,比如:

No original dex files found for dex location /sdcard/fix.dex

这里需要添加文件的读写权限,才能够保证有效的热修复,除此之外,在Android 10以上的版本,需要在清单文件中添加android:requestLegacyExternalStorage属性

android:requestLegacyExternalStorage="true"

通过这种hook native底层的方式,最大的优势在于能够真正实现热修复,不需要重新启动app就能够修复,但是存在的弊端也是比较明显的,就是兼容性问题,每个Android的版本,native层都会有变化,比如art_method.h,其实每个版本都是不一样的,我这次使用的就是Android 10中的art_method头文件,有兴趣的可以看看之前Android版本的头文件,其实还是有差别的,所以在做兼容性问题的时候,需要根据版本来适配不同的头文件

以上就是关于“Android AndFix热修复原理是什么”这篇文章的内容,相信大家都有了一定的了解,希望小编分享的内容对大家有帮助,若想了解更多相关的知识内容,请关注亿速云行业资讯频道。

推荐阅读:
  1. AndFix Bug 热修复框架原理及源码解析
  2. 十分钟教会你使用安卓热修复框架AndFix

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android andfix

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