Android中的ClassLoader

EnzoRay2024-04-08 16:12

ClassLoader的类型

Java中的ClassLoader加载的是 class 文件，但是Android中加载的是 dex 文件。在AndroidStudio中打开的ClassLoader.java，依次选择View > Tools Window > Hierarchy，可以调出继承关系图，如下图所示：

里面有很多个ClassLoader，其中几个比较重要的ClassLoader分别是：BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。

  1. BootClassLoader，用于加载Android Framework层的代码。BootClassLoader定义在ClassLoader.java中，代码如下（本文源码基于Android SDK 30）：
java 复制代码 
class BootClassLoader extends ClassLoader {

    private static BootClassLoader instance;

    @FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
    public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new BootClassLoader();
        }

        return instance;
    }

    public BootClassLoader() {
        super(null);
    }
    
    ...
}

注意BootClassLoader类前面没有用public修饰，所以只有在同一个包中才能访问，在应用程序中是无法直接调用的。

  1. PathClassLoader，用于加载应用程序中的dex。应用的apk安装后会存储在系统的data/app/目录下，启动该应用时，系统会去data/app/目录下找到相应的apk加载到内存中，这个加载动作就是PathClassLoader完成的。PathClassLoader只能加载系统中已经安装的apk，对应到插件化技术中就是加载宿主apk。其代码如下：
java 复制代码 
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, null, parent);
    }

    public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

运行如下代码：

java 复制代码 
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);

        ClassLoader classLoader1 = getClassLoader();
        Log.d("MainActivity", "classloader1:" + classLoader1);

        ClassLoader classLoader2 = Activity.class.getClassLoader();
        Log.d("MainActivity", "classloader2:" + classLoader2);
    }
}

打印结果是，classLoader1是PathClassLoader；classLoader2是BootClassLoader。

  1. DexClassLoader，允许app在运行期间加载外部的dex，也可以加载包含dex的压缩文件（jar、zip、apk等），其代码如下：
java 复制代码 
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {

    //从API 26开始，参数optimizedDirectory没有作用了
    public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
            String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
        super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
    }
}

PathClassLoader与DexClassLoader有什么区别呢？从代码来看唯一的区别是DexClassLoader需要自己传optimizedDirectory（优化路径），PathClassLoader不需要。但是上面的代码中，DexClassLoader中调用父类的构造方法传的optimizedDirectory是null，事实上从API 26开始，参数optimizedDirectory已经废弃，没有作用了，所以从API 26开始，PathClassLoader与DexClassLoader没有区别了。

ClassLoader的继承关系

运行一个应用程序需要用到几种类型的类加载器呢？运行下面的代码：

scala 复制代码 
public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    @Override
    protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        ClassLoader classLoader = MainActivity.class.getClassLoader();
        while(classLoader != null){
            Log.d("TAG", classLoader.toString());
            classLoader = classLoader.getParent();
        }

    }
}

打印如下：

2024-04-02 20:45:28.247 3255-3255 TAG com.example.test D dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/~~gKyPKioueEYmKPDRHx5QaQ==/com.example.test-hYnsAnZzDkTxi8o73f_kmg==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/~~gKyPKioueEYmKPDRHx5QaQ==/com.example.test-hYnsAnZzDkTxi8o73f_kmg==/lib/x86, /data/app/~~gKyPKioueEYmKPDRHx5QaQ==/com.example.test-hYnsAnZzDkTxi8o73f_kmg==/base.apk!/lib/x86, /system/lib, /system_ext/lib]]] 2024-04-02 20:45:28.248 3255-3255 TAG com.example.test D java.lang.BootClassLoader@85a3be0

可以看到两种类加载器，一种是PathClassLoader，另一种是BootClassLoader。DexPathList中包含了apk的路径，其中/data/app/~~gKyPKioueEYmKPDRHx5QaQ==/com.example.test- hYnsAnZzDkTxi8o73f_kmg==/base.apk就是应用安装在手机上的位置。DexPathList是在BaseDexClassLoader的构造方法中创建的，里面存储了dex相关文件的路径，在ClassLoader执行双亲委托机制进行查找流程时会从DexPathList中查找。

这几种常用的ClassLoader的继承关系如下：

classDiagram ClassLoader <|-- BootClassLoader ClassLoader <|-- BaseDexClassLoader BaseDexClassLoader <|-- PathClassLoader BaseDexClassLoader <|-- DexClassLoaser

ClassLoader的加载过程

Android的ClassLoader遵循双亲委托机制，所谓双亲委托机制是指加载dex文件的过程中，首先判断自己有没有加载过，如果没有，委托父加载器（注意这里父加载器是指ClassLoader.getParent()拿到的父加载器）去加载，依次递归，如果父加载器可以完成加载任务，就成功返回；只有父加载器无法完成此加载任务或者没有父加载器时，才自己去加载。

ClassLoader的加载方法为loadClass()方法，这个方法被定义在抽象类ClassLoader中，代码如下：

java 复制代码 
public abstract class ClassLoader {    
    
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
    {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name); //注释1
            if (c == null) {
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false); 
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) { //注释2
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    c = findClass(name);
                }
            }
            return c;
    }
    
    private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name)
    {
        return null;
    }
    
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

其中注释1处检查传入的类是否已经加载过，如果已经加载过就直接返回该类。如果没有加载过，判断父加载器是否为null，如果不为null，调用父加载器的loadClass()方法；如果为null，调用findBootstrapClassOrNull()方法来加载，这个方法会直接返回null。如果注释2处代码成立，说明向上委托流程没有检查出类已经被加载，就会执行findClass()方法进行查找，ClassLoader中的findClass()方法直接抛出了异常，其子类BaseDexClassLoader对该方法进行了实现：

java 复制代码 
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {

    private final DexPathList pathList;
    
    public BaseDexClassLoader(String dexPath,
            String librarySearchPath, ClassLoader parent, ClassLoader[] sharedLibraryLoaders,
            boolean isTrusted) {
        super(parent);
        ...
        this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null, isTrusted);
        ...
    }
    
    
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        ...
        // Check whether the class in question is present in the dexPath that
        // this classloader operates on.
        List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();
        Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions); //注释1
        if (c == null) {
            ClassNotFoundException cnfe = new ClassNotFoundException(
                    "Didn't find class \"" + name + "\" on path: " + pathList);
            for (Throwable t : suppressedExceptions) {
                cnfe.addSuppressed(t);
            }
            throw cnfe;
        }
        return c;
    }
}

在BaseDexClassLoader的构造方法中新建了DexPathList，在注释1处调用了DexPathList的findClass()方法：

java 复制代码 
public final class DexPathList {

    public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {
        for (Element element : dexElements) { 
            Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);
            if (clazz != null) {
                return clazz;
            }
        }

        if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {
            suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
        }
        return null;
    }

}

里面遍历Element数组dexElements，然后调用了Element的findClass()方法，Element是DexPathList的静态内部类：

java 复制代码 
public final class DexPathList {

 /*package*/ static class Element {
        private final File path;      
        private final DexFile dexFile;
        private ClassPathURLStreamHandler urlHandler;
        private boolean initialized;

        public Element(DexFile dexFile, File dexZipPath) {
            if (dexFile == null && dexZipPath == null) {
                throw new NullPointerException("Either dexFile or path must be non-null");
            }
            this.dexFile = dexFile;
            this.path = dexZipPath;
            // Do any I/O in the constructor so we don't have to do it elsewhere, eg. toString().
            this.pathIsDirectory = (path == null) ? null : path.isDirectory();
        }

        public Element(DexFile dexFile) {
            this(dexFile, null);
        }

        public Element(File path) {
            this(null, path);
        }

        ...
        
        public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,
                List<Throwable> suppressed) {
            return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed)
                    : null;
        }
    }
}

从Element的构造函数可以看到，其内部封装了DexFile，DexFile是用来加载dex的，findClass()方法中调用了DexFile的loadClassBinaryName()方法：

java 复制代码 
public final class DexFile {

    public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed) {
        return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
    }

    private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,
                                     DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed) {
        Class result = null;
        try {
            result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);
        } catch (NoClassDefFoundError e) {
            if (suppressed != null) {
                suppressed.add(e);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            if (suppressed != null) {
                suppressed.add(e);
            }
        }
        return result;
    }
}

接着调用了defineClass()方法，里面调用了defineClassNative()方法，这个方法是Native方法，就不再往下分析了。

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