深入解析：Android热修复技术选择和原理

短命女 2022-12-06 01:13 556阅读 0赞

#### 背景 ####

想要成为一名优秀的Android开发，你需要一份完备的 [知识体系][Link 1]，在这里，让我们一起成长为自己所想的那样~。

热修复就是通过下发补丁包，让已安装的客户端动态更新，用户不用重新安装APP，就能够修复软件缺陷。

#### 热修复技术对比 ####

##### 1.公司角度 #####

大致可以分为阿里系和腾讯系和其他，如下：

1.  阿里系  
    Dexposed 开源，实时修复  
    AndFix 开源，实时生效  
    HotFix 阿里百川，未开源，免费、实时修复  
    Sophix 未开源，商业收费，实时生效/冷启动修复  
    HotFix是AndFix的优化版本，Sophix是HotFix的优化版本。目前阿里系主推是Sophix。
2.  腾讯系  
    Qzone超级补丁 QQ空间，未开源，冷启动修复  
    QFix 手Q团队，开源，冷启动修复  
    Tinker 微信团队，开源，冷启动修复。提供分发管理，基础版免费
3.  其他  
    Robust 美团， 开源，实时修复  
    Nuwa 大众点评，开源，冷启动修复  
    Amigo 饿了么，开源，冷启动修复  
    RocooFix 百度金融，开源，冷启动修复  
    Aceso 美丽说蘑菇街，开源，实时修复

##### 2.技术角度 #####

###### 1.代码修复的角度 ######

![8dd28e27c81bcc02ce469d5608b0f180.png][]

###### 2.代码修复，资源修复，so修复这三个角度 ######

![5e18751ad287f1e663c50dc565033cc1.png][]

###### 3.已开源的热修复框架数据对比 ######

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>框架名称和github地址</th> 
   <th>star数量</th> 
   <th>最后一次更新</th> 
   <th>版本</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/alibaba/dexposed" rel="nofollow">Dexposed</a></td> 
   <td>4.3k</td> 
   <td>5 years ago</td> 
   <td>0.1.8</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/alibaba/AndFix" rel="nofollow">AndFix</a></td> 
   <td>6.8k</td> 
   <td>4 years ago</td> 
   <td>0.5.0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/alexclin0188/QFixPatch" rel="nofollow">QFix</a></td> 
   <td>8</td> 
   <td>3 years ago</td> 
   <td>无</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/jasonross/Nuwa" rel="nofollow">Nuwa</a></td> 
   <td>2.9k</td> 
   <td>5 years ago</td> 
   <td>1.0.0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/Tencent/tinker" rel="nofollow">Tinker</a></td> 
   <td>15.2k</td> 
   <td>29 days ago</td> 
   <td>1.9.14.7</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/Meituan-Dianping/Robust" rel="nofollow">Robust</a></td> 
   <td>3.7k</td> 
   <td>4 months ago</td> 
   <td>0.4.99</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/meili/Aceso" rel="nofollow">Aceso</a></td> 
   <td>791</td> 
   <td>3 years ago</td> 
   <td>0.0.3</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/eleme/Amigo" rel="nofollow">Amigo</a></td> 
   <td>1.3k</td> 
   <td>3 years ago</td> 
   <td>0.6.*</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><a href="https://github.com/dodola/RocooFix" rel="nofollow">RicooFix</a></td> 
   <td>1.6k</td> 
   <td>4 years ago</td> 
   <td>无</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

可以看到，近期还在更新的有Tinker和Robust，其他的都是至少三年之前的更新。

#### 如何选择热修复框架 ####

##### 三个方面进行考虑 #####

###### 1.项目需求 ######

方法级别修复，资源修复，so库的修复

对平台兼容性要求和成功率要求

有需求对分发进行控制，对监控数据进行统计，补丁包进行管理

是否付费

###### 2.学习,使用成本 ######

学习成本

代码侵入性

调试维护成本

###### 3.技术保障，稳定性 ######

比如GitHub Star，大公司技术保障，专人维护

热度高，社区活跃

##### 小结 #####

从这三个方面考虑，最后筛选出三个比较优秀的热修复库，Sophix，Tinker，Robust

**如果考虑付费，Sophix和Tinker付费版(云服务)，我支持Sophix，性能消耗低，支持即时生效，对代码无侵入，[免费阈值][Link 2]的支持更好。**

**如果不考虑付费，只需要支持方法级别的Bug修复，不支持资源以及so库，推荐使用Robust，否则使用Tinker免费版。**

**当然如果公司实力够牛逼，可以考虑自研，灵活性以及可控性最强。**

#### 代码、资源、so库修复 ####

AndroidManifest出现Bug是无法修复的，因为它是由系统进行解析的，系统会直接获取安装包里唯一的AndroidMainfest.xml文件，在解析过程不会访问补丁包信息。

**代码修复**：任何的热修复方案，想要改变代码逻辑，都需要在补丁包里包含一个新逻辑的dex文件。

**资源修复**：有些资源，比如桌面图标，通知栏图标以及RemoteView之类的资源，是由系统直接解析安装包里的资源得到的，因此对于这类资源，任何热修复方案都无法进行资源替换和修复。

**so库修复**：so库的修复思路应该是最明确的。在Android系统中，所有的so库都是由System.load进行加载的，因此只要找到办法在加载的时候优先加载补丁包的so库，而不是加载原有安装包的so库，就能够进行完整的底层代码替换了。

#### 代码修复 ####

代码修复主要有三大主要方案，阿里系的底层替换和腾讯系的类加载方案以及美团的javaHook方案(Instant Run原理)。

1.  底层替换方案限制颇多，但是时效性最好，加载轻快，立即见效。
    
    传统的底层替换方案（Dexposed,AndFix），依赖直接修改虚拟机方法实体的具体字段实现的。不同厂商/版本对ArtMethod结构体的结构修改带来的问题。每个Java方法在art中都对应着一个ArtMethod,ArtMethod记录了这个Java方法的所有信息，包括所属类，访问权限，代码执行地址等等。
    
    实现一种不修改底层具体结构的[替换方式][Link 3]，解决兼容性问题，代码量大大减少。native层面替换，把ArtMethod方法作为整体进行替换。
2.  类加载方案时效性差，需要重新类启动才能见效，但修复范围广，限制少。
    
    类加载方案的原理是在App重新启动后让Classloader去加载新的类。
    
    QQ空间方案会入侵打包流程，并且为hack添加一些无用的信息，不优雅。
    
    QFix方案需要获取底层虚拟机的函数，稳定性不够，无法新增public函数
    
    Tinker方案是完整的全量的dex文件加载，将补丁合成的方案做到了极致，从dex的方法和指令维度进行全量合成，对于dex内容的比较粒度过细，实现较为复杂，性能消耗比较严重，时空转换性价比不高。
    
    **dex比较的最佳粒度，应该是类的维度**，采用全量合成dex的技术，这个技术方案是从手机淘宝插件化框架[Atlas][]汲取的。直接利用Android原有的类查找与合成机制，快速合成新的的全量dex文件。这样既不需要处理合成时的方法数超过原有方法数的情况，也不会对dex的结构进行破坏性重构。
    
    我们重新编排了包中dex文件的顺序。这样虚拟机在查找类的时候，会优先找到classes.dex中的类，然后才是classes2.dex，classes3.dex，也可以看作是dex文件级别的类插桩方案。这个方式十分巧妙，它对旧包与补丁包中的classes.dex顺序进行了打破和重组，最终使系统可以自然的识别到这个顺序，以实现类覆盖的目的，大大减少合成补丁的开销。
    
    Sophix使用了两者的结合，自动选择，小修改，在底层替换方案限制范围内的，直接采用底层替换热修复，可以做到及时生效。其他采用类加载替换方案。
3.  Robust的JavaHook方案的原理与Instant Run的代码插桩原理一致，优点是实时生效，不需要重新启动，高兼容性(Robust只是在正常的使用DexClassLoader)，高稳定性，修复成功率高达99%。支持方法级别的修复，包括静态方法。支持增加方法和类。支持ProGuard的混淆，内联优化等操作。
    
    缺点是代码是侵入式的，会在原有的类中加入相关代码，so库和资源的替换暂时不支持。会增大apk的体积，平均一个函数会比原来增加17.47个字节，10万个函数会增加1.67M。

Sophix方案

##### 热部署(及时生效) #####

在native层面替换，把ArtMethod方法作为整体进行替换，实时生效，但同时也会带来诸多限制：

###### 访问权限的问题 ######

1.  方法调用时的权限检查
2.  同名包下的权限问题（设置新类的ClassLoader为原来类就可以了，通过反射进行设置）
3.  反射调用非静态方法产生的问题

###### 及时生效带来的限制 ######

以下两种情况是不适用的：

1.  引起了原有的类中发生结构变化的修改(字段，方法增加减少)，改成以冷启动支持
2.  修复了的非静态方法会被反射调用，改成以冷启动方式支持

###### 编译期和语言特性的影响 ######

**1. 内部类编译**

1.  静态内部类/非静态内部类的区别
2.  内部类和外部类互相访问
    
    外/内部类为了访问内/外部类私有的域/方法，编译器会自动为内部类生成access$数字编号相关方法，JVM规范，好像是提供了一个静态方法
3.  热部署解决方案
    
    一个外部类如果有内部类，把所有的method/field的私有访问权限改成protected或public或者默认访问权限。
    
    同时把内部类所有的method/field的私有访问权限改成protected或public或者默认访问权限。

**2. 匿名内部类编译**

1.  匿名内部类编译命名规则(access$\*\*)
2.  热部署解决方案
    
    应该极力避免插入一个新的匿名内部类。当然如果匿名内部类是插入到外部类的末尾，那么是允许的。

**3. 有趣的域编译**

1.  静态field，非静态field
2.  静态field初始化，静态代码块（不支持`<clinit>`方法的热部署，只能冷启动生效）
    
    静态代码块和静态域初始化在clinit中的先后关系就是两者出现在源码中的先后关系
    
    以下三种情况都会尝试去加载一个类：
    
    1.  创建一个类的对象(new-instance指令)
    2.  调用类的静态方法(invoke-static指令)
    3.  获取类的静态域的值(sget指令)
3.  非静态field初始化，非静态代码块
4.  热部署解决方案
    
    clinit只能冷启动，init无影响

**4. final static预编译规则**

final static修饰的基本类型或String常量类型，没有被编译到clinit方法中

1.  final static域编译规则
    
    final static修饰的原始类型和String类型域(非引用类型)，并不会被编译在clinit方法中，而是在初始化执行initSFields方法时得到了初始化赋值。
    
    final static修饰引用类型，初始化仍在clinit方法中
2.  final static域优化原理
    
    final static引用类型没有得到优化，只是基本数据类型和String类型域(非引用类型)
3.  热部署解决方案
    
    修改 final static 基本类型或者 String 类型域(非引用类型域)，由于在编译期间引用到基本类型的地方被立即数替换，引用到 String 类型(非引用类型)的地方被常量池索引 ID 替换，所以在热部署模式下，最终所有引用到该 final static 域的方法都会被替换。实际上此时仍然可以执行热部署万案。
    
    修改 final static 引用类型域，是不允许的，因为这个 field 的初始化会被编译到 clinit 万法中，所以此时没法走热部署 。

**5. 有趣的方法编译**

1.  应用混淆方法编译
    
    项目如果应用了混淆方法编译，可能导致方法内联和裁剪，最后可能导致method的新增或减少。
2.  方法内联
    
    以下几种可能导致方法被内联掉：
    
     *  方法没有被其他任何地方引用
     *  方法足够简单，比如一个方法的实现就只有一行代码
     *  方法只被一个地方引用
    
    可能导致只能走冷启动方案
3.  方法裁剪
    
    可能导致只能走冷启动方案
    
    如果让该参数不被裁剪，不让编译器在优化的时候认为引用了一个无用的参数就好了，这里介绍一种最有效的方法：
    
        public static void test(Context context){
                if(Boolean.FALSE.booleanValue()){
              context.getApplicationContext();
            }
            Log.d("BaseBug","test")
        }
    
    这里不能使用基本类型，必须使用包装类Boolean，因为如果使用基本数据类型if语句可能也会被优化掉。
4.  热部署解决方案
    
    混淆配置文件加上-dontoptimize项就不会去做方法内联和裁剪，proguard-android-optimize.txt 或者 proguard-android.txt，两者的区别就是后者应用了 -dontoptimize 这一项配置而前者没有应用。
    
    混淆库给热部署带来的影响主要在optimization阶段
    
    optimzation step： -dontoptimize(热补丁模式下)
    
    preverification step： -dontpreverify
    
    混淆库对反射的处理(proguard.jar)，shrinking阶段，obfuscation阶段

**6. switch case语句编译**

packed-switch，sparse-switch指令

可能导致资源替换不全

热部署解决方案：反编译->资源ID->替换->回编译

**7. 泛型编译**

泛型擦除，类型擦除与多态的冲突和解决，泛型类型转换

热部署解决方案

如果由 `B extends A 变成了 B extends A<Number>`,那么就可能会新增对应的桥接方法 ，此时新增了方法，只能走冷 部署，如果要避免，那就避免类似上面的那种修复。

泛型的系统注解

**8. Lambda表达式编译**

Lambda表达式可能导致方法的新增或减少

1.  Lambda表达式的编译规则
    
    函数式接口具有两个主要特征：\*\*它是一个接口，这个接口具有唯一的抽象方法；我们将同时满足这两个特性的接口称为函数式接口。\*\*比如java.lang.Runnable和java.util.Comparator，函数式接口和匿名内部类的区别如下：
    
     *  关键字this，匿名类的this关键字指向匿名内部类，而Lambda表达式的this关键字指向包围Lambda表达式的类。
     *  编译方式，Java编译器将Lambda表达式编译成类的私有方法，使用Java7的invokeddynnamic字节码指令来动态绑定这个方法。Java编译器将匿名内部类编译成外部类$数字编号的新类。
    
    编译器间自动生成私有静态的`lambda$main$**(*)`方法，这个方法的实现其实就是Lambda表达式里面的逻辑。
    
    invokedynamic指令执行Lambda表达式
    
    比较与匿名内部类的区别，发现并没有在磁盘上生成外部类$数字编号的新类
    
    invokedynamic指令执行时实际上回去调用java/lang/invoke/LambdaMetafactory的metafactory静态方法。\*\*这个静态方法实际上会在运行时生成一个函数式接口的具体类。\*\*然后具体类会调用Test的私有静态`lambda$main$**(*)`方法。
    
    我们可以通过添加- Djdk.internal . lambda .dumpProxyClasses 这个虚拟机运行参数，那么运行时会将生成的新类的 .class 内窑输出到一个文件中。

Sun/Oracle Hotspot VM和Android虚拟机解释Lambda表达式的异同点

上面的方式是Sun/Oracle Hotspot VM解释.class文件中lambda表达式的方式，\*\*Android虚拟机首先通过javac把源代码编译成.class，然后再通过dx工具优化成适合移动设备的dex字节码文件。\*\*Android中如果要使用Java8的语言特性，需要使用新的Jack工具类来替换掉就的工具类编译。细节见书籍。

很明显可以看到.dex字节码文件和.class字节码文件对Lambda表达式处理的异同点：

共同点：编译期间都会为外部类合成一个static辅助方法，该方法内部逻辑实现Lambda表达式。

不同点：

1.  .class字节码通过invoke-dynamic指令执行Lambda表达式。而.dex字节码中执行Lambda表达式跟普通方法调用没有任何区别。
2.  .class字节码中运行时生成新类，**.dex字节码中编译期间生成新类**。
3.  热部署解决方案
    
    打补丁是通过反编译为smail然后跟新APK跟基线APK进行差异对比，得到最后的补丁包。
    
    新增一Lambda表达式，会导致外部类新增一个辅助方法，所以此时不支持走热部署方案。如果Lambda表达式中访问非静态field/method，就会持有外部类的引用。
    
    增加或减少一个Lambda表达式会导致类方法比较错乱，所以会导致热部署失败。
    
    修改一个Lambda表达式，可能导致新增field，所以此时也导致热部署失败。

**9. 访问权限检查对热替换的影响**

1.  类加载阶段父类/实现接口访问权限检查
    
    一个类的加载过程，必须经历resolve,link,init三个阶段，父类或实现接口权限控制检查主要发生在link阶段。
2.  类校验阶段访问权限检查

**10. `<clinit>`方法**

由于补丁热部署的特殊性，不允许类结构变更以及不允许变更`<clinit>`方法，所以补丁工具如果发现了以上几种限制情况，只能走冷启动。可能有时候在源码层上来看并没有新增或减少method和 field，但是实际上由于要满足 Java 各种语法特性的需求，所以编译器会在编译期间自动合成一些method 和 field时,最后就有可能触发了这几个限制情况。

###### 小结 ######

重点讲解了影响热替换热修复的一些重要的编译器问题。但是热修复还有个比较大的问题，由于是在运行期发生了变动，如果我们修改了某个方法的逻辑，就会导致它在修复前后的逻辑不一致，这就会引发一些诡异的错误。\*\*因此热替换方式的热修复只适用于修复一些简单的BUG，如果要做一些功能方面的更新，不建议采用。\*\*热部署修复方案的根本原理是基于native层方法的替换，所以当类结构变化时，如新增减少类method/field在热部署模式下会受到限制，修复了的非静态方法会被反射调用也会受到限制。

##### 冷启动代码修复 #####

现有的一些冷启动实现方案

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>Tinker</th> 
   <th>QQ空间</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>原理</td> 
   <td>提供dex差量包，整体替换dex的方案。差量的方式给出patch.dex，然后将patch.dex与应用的class.dex合并成一个完整的dex，完整的dex加载得到dexFile对象作为参数构建一个Element对象然后整体替换掉旧的dex Element数组。</td> 
   <td>为了解决Dalvik下的unexpected dex problem异常而采用插桩的方式，单独放一个帮助类在独立的dex中让其他类调用，阻止了类被打上CLASS_ISPREVERIFIED标志从而规避问题的出现。最后加载补丁dex得到dexFile对象作为参数构建一个Element对象插入到dex Elements数组的最前面</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>优点</td> 
   <td>自研dex差异算法，补丁包很小，dex merge成完整的dex，Dalvik不影响类加载性能，Art下也不存在必须包含父类/引用类的情况</td> 
   <td>没有合成整包，产物比较小，比较灵活</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>缺点</td> 
   <td>dex合并内存消耗在vm heap上，容易导致OOM，最后导致dex合成失败</td> 
   <td>Dalvik下影响类加载性能，Art下类地址写死，导致必须包含父类/引用类，最后补丁包很大</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Tinker的dex merge操作是在**Java层面**进行的，所有对象的分配都是在java heap上完成的，可能发生申请的java heap超过vm heap规定的大小，进程发生OOM导致进程被杀死合成失败，如果在JNI层面进行C++ new/malloc申请的内存，分配在native heap，native heap的增长并不受vm heap大小的限制，只受限于RAM，如果RAM不足，也会导致进程被杀死导致闪退。在JNI层面进行dex merge，从而避免OOM提高合并成功率。

###### QQ空间的[解决方案][Link 4] ######

**问题来源**

如果我们把要修复的QzoneActivityManager类打包成一个dex文件，插入到所有的dex文件的最前面，

**1. ModuleManager在classes.dex中**

**2. QzoneActivityManager在patch.dex**

ModuleManager引用了QzoneActivityManager，但是发现这两个类不在同一个dex文件中，于是问题就出现了

![7ff9abb07c48e8611fa992ca6ecc7bfd.png][]

**解决方案**

dex在转换为odex(dexopt)的代码中的一段，在安装apk的时候，class.dex会被虚拟机(dexopt)优化成odex文件，然后才拿去执行

//DexPrepare.cpp
    /*
         * First, try to verify it.
         */
        if (doVerify) {
            if (dvmVerifyClass(clazz)) {
                /*
                 * Set the "is preverified" flag in the DexClassDef.  We
                 * do it here, rather than in the ClassObject structure,
                 * because the DexClassDef is part of the odex file.
                 */
                assert((clazz->accessFlags & JAVA_FLAGS_MASK) ==
                    pClassDef->accessFlags);
                ((DexClassDef*)pClassDef)->accessFlags |= CLASS_ISPREVERIFIED;
                verified = true;
            } else {
                // TODO: log when in verbose mode
                ALOGV("DexOpt: '%s' failed verification", classDescriptor);
            }
        }

虚拟机在启动的时候，会有许多的启动参数，其中一项就是verify选项，当verify选项被打开的时候，上面doVerify变量为true，那么就会执行dvmVerifyClass进行类的校验，如果dvmVerifyClass校验类成功，那么这个类会被打上CLASS\_ISPREVERIFIED的标志，那么具体的校验过程是什么样子的呢？

//DexVerify.cpp
    bool dvmVerifyClass(ClassObject* clazz)
    {
        int i;
        if (dvmIsClassVerified(clazz)) {
            ALOGD("Ignoring duplicate verify attempt on %s", clazz->descriptor);
            return true;
        }
        for (i = 0; i < clazz->directMethodCount; i++) {
            if (!verifyMethod(&clazz->directMethods[i])) {
                LOG_VFY("Verifier rejected class %s", clazz->descriptor);
                return false;
            }
        }
        for (i = 0; i < clazz->virtualMethodCount; i++) {
            if (!verifyMethod(&clazz->virtualMethods[i])) {
                LOG_VFY("Verifier rejected class %s", clazz->descriptor);
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

1.  验证clazz->dvmIsClassVerified方法，directMethods包含了以下方法：
    
     *  static方法
     *  private方法
     *  构造函数
2.  clazz->virtualMethods
    
     *  虚函数=override方法

概括一下就是如果以上方法中直接引用到的类(第一层级关系，不会递归进行搜索)和clazz都在同一个dex中的话，那么这个类就会被打上**CLASS\_ISPREVERIFIED**

**因为dex在优化的过程中会进行class的校验，给每一个class打上了一个CLASS\_ISPREVERIFIED的标签，在调用的时候会根据该标签判断所在的class是否是同一个dex如果不是会抛出异常导致程序停止。所以我们需要防止类被打上CLASS\_ISPREVERIFIED。**

![927266aff31778ecc292579cfa6a901b.png][]

最终的解决方案是在所有类的构造函数里面插入了一段代码：代码如下

if (ClassVerifier.PREVENT_VERIFY) {
    System.out.println(AntilazyLoad.class);
    }

**其中AntilazyLoad类会被打包成单独的hack.dex，这样当安装apk的时候，classes.dex内的类都会引用一个在不相同dex中的AntilazyLoad类，这样就防止了类被打上CLASS\_ISPREVERIFIED的标志了，只要没被打上这个标志的类都可以进行打补丁操作。**

**然后在应用启动的时候加载进来.AntilazyLoad类所在的dex包必须被先加载进来,不然AntilazyLoad类会被标记为不存在，即使后续加载了hack.dex包，那么他也是不存在的，这样屏幕就会出现茫茫多的类AntilazyLoad找不到的log。**

**所以Application作为应用的入口不能插入这段代码。（因为载入hack.dex的代码是在Application中onCreate中执行的，如果在Application的构造函数里面插入了这段代码，那么就是在hack.dex加载之前就使用该类，该类一次找不到，会被永远的打上找不到的标志)**

其中

class ClassVerifier{
            public static boolean PREVENT_VERIFY=false;//false防止代码被执行,提高性能
    }

**之所以选择构造函数是因为他不增加方法数，一个类即使没有显式的构造函数，也会有一个隐式的默认构造函数。**

空间使用的是在字节码插入代码,而不是源代码插入，使用的是javaassist库来进行字节码插入的。

虚拟机在安装期间为类打上**CLASS\_ISPREVERIFIED**标志是为了提高性能的，我们强制防止类被打上标志会影响性能.（5.0以下）

但是插桩会给类加载效率带来比较严重的影响，熟悉Dalvik虚拟机开发的都知道，一个类的加载阶段通常有三个阶段：

*  dvmResolveClass
 *  dvmLinkClass
 *  dvmInitClass：在类解析完并尝试初始化类的时候执行，这个方法主要完成父类的初始化，当前类的初始化，静态变量的初始化赋值等操作。

![2d936f0605e2a00c697ff4bc620f603e.png][]

可以看到如果类没被打上CLASS ISPREVERIFIED/CLASS ISOPTIMIZED 的标志，那么类的校验和优化都在类的初始化阶段进行。那么类的校验和优化都将在类的初始化阶段进行。正常情况下类的校验和优化都仅在 APK 第一次安装执行 dexopt 操作的时候进行 ， 类的校验任务实际上是很重的，因为会对类的所有方法中的所有指令都进行校验，单个类加载时类校验耗时并不多，但是如果是在同一时间点加载大量类的情况下，这种耗时就会被放大 。

**性能影响**

插桩导致所有的类都非preverify，从而导致校验和优化操作都会在类加载时触发，平均每个类的校验和优化的耗时并不长，但是应用刚启动的时候一般会同时加载大量的类，容易导致用户白屏。

###### QFix的解决方案 ######

与QQ空间采用的native hook方式不同，不会去hook某个系统方法，而是从navie层直接调用，有如下注意点：

*  dvmResolveClass的第三个参数fromUnverifiedConstant必须为true。
 *  在APK多dex的情况下，dvmResolveClass第一个参数referrer类必须跟需要打包的类在同一个dex中，但是它们两个类不需要存在任何引用关系，任何一个在同一个dex中的类作为referrer都可以。
 *  referrer类必须提前加载。

但是QFix的方案有它独特的缺陷，由于是在dexopt后绕过的，dexopt会改变原有的很多逻辑，许多odex层面的优化会固定字段和方法的访问偏移，这会导致比较严重的bug。比如可能导致方法调用错乱。

但是上面两种方案都是侵入应用打包，我们的需求是冷启动模式是热部署模式的补充方案，所以这两种方案使用的应该是同一套补丁，我们的需求是**无侵入打包又能做热部署模式的补充解决方案**。

**如何解决Dalvik虚拟机下类的pre-verify问题**，如果一个类中直接引用到的所有非系统类都和该类在同一个dex中的话，那么这个类就会被打上CLASS\_ISPAREVERIFIED标志，具体判定代码可见虚拟机中的verifyAndOptimizeClass函数。

**腾讯三大热修复方案如何解决该问题**：

*  QQ空间的处理方式是在每个类中插入一个来自其他dex的hack.class，由此让所有类都无法满足pre-verified条件。
    
    缺点：入侵打包流程，添加臃肿代码，不优雅，无法新增public函数。
 *  Tinker的方式是合成全量的dex文件，这样所有类都在全量dex中解决，从而消除类重复而带来的冲突。
    
    粒度过细，实现起来较为复杂，性能消耗比较严重，时空代价转换的性价比不高（dex占apk比例不高）
 *  QFix的方式是获取虚拟机中的某些底层函数，提前解析所有补丁类。以此绕过Pre-verify检查。
    
    需要获取底层虚拟机函数，不够稳定可靠，无法新增public函数。

###### Robust解决方案(实时生效) ######

在打基础包时插桩，在每一个方法前插入一段ChangeQuickRedirect静态变量的逻辑，插入过程对业务开发完全透明。加载补丁时，从补丁包中读取要替换的类以及具体替换的方法实现，新建ClassLoader加载补丁dex。当changeQuickRedirect不为null的时候，可能会执行到accessDispatch从而替换掉之前老的逻辑，达到fix的目的。

public static ChangeQuickRedirect u;
    protected void onCreate(Bundle bundle) {
            //为每个方法自动插入修复逻辑代码，如果ChangeQuickRedirect为空则不执行
            if (u != null) {
                if (PatchProxy.isSupport(new Object[]{bundle}, this, u, false, 78)) {
                    PatchProxy.accessDispatchVoid(new Object[]{bundle}, this, u, false, 78);
                    return;
                }
            }
            super.onCreate(bundle);
            ...
        }

Robust的核心修复源码如下：

public class PatchExecutor extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            ...
            applyPatchList(patches);
            ...
        }
        /**
         * 应用补丁列表
         */
        protected void applyPatchList(List<Patch> patches) {
            ...
            for (Patch p : patches) {
                ...
                currentPatchResult = patch(context, p);
                ...
                }
        }
         /**
         * 核心修复源码
         */
        protected boolean patch(Context context, Patch patch) {
            ...
            //新建ClassLoader
            DexClassLoader classLoader = new DexClassLoader(patch.getTempPath(), context.getCacheDir().getAbsolutePath(),
                    null, PatchExecutor.class.getClassLoader());
            patch.delete(patch.getTempPath());
            ...
            try {
                patchsInfoClass = classLoader.loadClass(patch.getPatchesInfoImplClassFullName());
                patchesInfo = (PatchesInfo) patchsInfoClass.newInstance();
                } catch (Throwable t) {
                 ...
            }
            ...
            //通过遍历其中的类信息进而反射修改其中 ChangeQuickRedirect 对象的值
            for (PatchedClassInfo patchedClassInfo : patchedClasses) {
                ...
                try {
                    oldClass = classLoader.loadClass(patchedClassName.trim());
                    Field[] fields = oldClass.getDeclaredFields();
                    for (Field field : fields) {
                        if (TextUtils.equals(field.getType().getCanonicalName(), ChangeQuickRedirect.class.getCanonicalName()) && TextUtils.equals(field.getDeclaringClass().getCanonicalName(), oldClass.getCanonicalName())) {
                            changeQuickRedirectField = field;
                            break;
                        }
                    }
                    ...
                    try {
                        patchClass = classLoader.loadClass(patchClassName);
                        Object patchObject = patchClass.newInstance();
                        changeQuickRedirectField.setAccessible(true);
                        changeQuickRedirectField.set(null, patchObject);
                        } catch (Throwable t) {
                        ...
                    }
                } catch (Throwable t) {
                     ...
                }
            }
            return true;
        }
    }

其实我感觉Robust的方案虽然有侵入性，增加代码体积等的缺点，但是感觉这种方式是兼容率最好的方案。也不会受Android版本的更新影响。

###### Sophix的解决方案 ######

新的全量dex方案(Dalvik)

在原先基线包里的dex中，去掉补丁包dex中也有的类，这样基线包dex里就只包含不变的类了。而这些不变的类在要用拿到补丁中的新类会自动找到补丁dex，补丁包中的新类在需要用到不变的类时也会找到基线包dex的类。基线包里面不使用补丁类的类仍旧可以按原来的逻辑做odex，最大程度的保证了dexopt的效果。对dex的结构也不用进行破坏性重构。

所以问题就变成了如何在基线包dex中去掉补丁包中包含的所有类，**dalvik中dex的文件结构可以[查看这里][Link 5]**

**解决方法**

我们要做的并不是把某个类的所有信息都从你dex移除，因为这么做，可能会导致dex的各个部分都发送变化，从而需要调整大量的offset，这么就变得费时费力了。我们需要做的仅仅是使得解析这个dex的时候找不到这个类的定义就可以了。**因此只需要移除定义的入口，对于类的具体内容不进行删除，这样可以最大限度的减少offset的修改。**

*  Dalvik下采用自行研发的全量dex方案
 *  在Art下本质上虚拟机已经支持多dex的加载，我们要做的仅仅是把补丁dex作为dex(classes.dex)加载而已。

Art模式下虚拟机默认支持多dex压缩文件的加载。Art下面最终冷启动解决方案：我们只要把补丁dex命名为classes.dex。原APK中dex依次命名为class(2,3,4…).dex就可以了，然后一起打包进一个压缩文件。在通过DexFile.loadDex得到DexFile对象，最后用该DexFile整体替换旧的dexElements就可以了。

**不得不说的其他点**

DexFile.loadDex尝试把一个dex文件解析并加载到native内存中，在加载到内存之前，如果dex不存在对应的odex，那么Dalvik下会执行dexopt，Art下会执行dexoat，最后得到的都是一个优化后的odex。实际上最后虚拟机执行的是这个odex而不是dex。如果dex足够大，dexopt/dexoat的操作是很耗时的，在Dalvik下面的影响比较小，因为loadDex的仅仅是补丁包。但是在Art下影响非常大。因为loadDex是补丁dex和Apk中原dex合并成一个完整补丁压缩包，所以dexoat操作非常耗时，所以优化后的所以如果优化后的 odex 文件没生成或者不完整，那么 loadDex 便不能在应用启动的时候进行，因为会 阻塞 loadDex 线程， 一般是主线程 。 所以为了解决这个问题，**我们\]把 loadDex 当作一个事务来看，如果中途被打断，那么就删除odex 文件，重启的时候如果发现存在odex 文件，loadDex 完之后，反射注入 /替换dexElernents 数组，实现打包。如 果不存在odex文件，那么重启另一个子线程loadDex，重启之后再生效。**

另外一方面，为了补丁包的安全性，虽然对补丁包进行签名校验，这个时候能够防止整个补丁包被篡改，但是实际上因为虚拟机执行的是 odex 而不是 dex，还需要对odex文件进行 MD5 完整性校验，如果匹配，则直接加载，如果不匹配，则重新生成odex文件，防止odex文件被篡改 。

注意：

*  补丁dex必须命名为classes.dex
 *  用loadDex得到的DexFile完整替换掉dexElements数组而不是插入。

**对于Application的处理**

现在已经实现了完成的dex合成，所有完整的dex替换方案都会遇到，对Application的处理问题。由于Application是整个App的入口，因此在进入到替换的完整的dex之前，一定会通过Appliation代码，而Application必然是加载在原来的dex里面的。只有在补丁加载后使用的类，会在新的完整dex里面找到。**如果替换掉Application，也会遇到这个问题。**

因此，加载补丁后，如果Application类使用其他新dex里的类，由于在不同dex里，如果Application被打上了pre-verified标志，就会抛出异常。

Sophix在JNI层清除掉pre-verified(CLASS\_ISPREVERIFIED)的标志，这样在dvmResolveClass中找到新的dex里的类后，由于CLASS\_VERIFIED标志被清空，就不会判断所在dex是否相同，从而成功的避免抛出异常。这样对Application既没有侵入编译过程，也不需要进行反射替换，所有兼容操作都在运行期间自动做好，极其顺滑。

在处理标志的过程会遇到dvmOptResolveClass的问题，有两种处理方式，第一种方式是Android官方的multi-dex机制会自动将Application用到的类都自动打包到住dex中，所以只要把热修复初始化放在attachBaseContext的最前面，一般都没有问题。

**入口类与初始化时机**

Application.attachBaseContext → ContentProvide.oncreate → Application.onCreate → Activity.onCreate

attachBaseContext是Application中最早被执行的代码，但是需要注意的是，在attachBaseContext里面有很多限制，此时的App申请权限还没有被授予完成，所以会遇到无法访问网络之类的问题。因此在attachBaseContext里面可以初始化，但不可以进行网络请求下载新补丁。如果要使热修复类之前使用其他类最少，最好放在attachBaseContext()中。

**防不胜防的细节错误**

错误示范：

![d6ba5e9c025d375766ddb112b2b2e1ee.png][]

1.  Crash的注册早于Sophix的初始化是不可以的，Sophix的初始化不可以包装在其他类中，否则会导致提前引入类。
2.  BuildConfig类是Android编译期间动态生成的，也属于非系统类，如果在这里使用就会有提前引入的问题。建议使用PackageManager来获取版本号。
3.  Sophix的回调类load中使用的自定义的Logger，在回调状态的时候可能热修复还未初始化完毕，需要替换成系统Log类。
4.  LocalStroageUtil直接在声明处赋值了它的实例，这个赋值其实是隐式发生在对象的构造函数中的，这个时候甚至是早于attachBaseContext的，因此也是不行的，需要在初始化之后才能赋值。
5.  MultiDex.install(this)放在热修复之后，可能会导致后面的热修复框架初始化的时候找不到其他不在主dex中的热修复框架内部类，因此需要放在热修复初始化之前。
6.  不要遗漏super.attachBaseContext(base)

**入口类带来的修复限制**

如果获取某个类的某个方法，是根据这个方法在类里面的方法索引来取得的，这个索引是这个万法在类里面的序号，那么 ， 如果在这个类里面新增或者减少万法， 就会导致这个类中的方法索引与原有的不一致 。 而在 Application 入口类中，仍然是处于安装包的 oat 文件里，是原有的索引，所以如果用这个索引去类中获取方法，将可能不再是原来的万法，从而引发崩溃。 同理，对于类里面的字段， 也存在索引，因此也有类似的问题 。

不过，触发这个问题需要使得 Application 中使用的类的方法索引发生变化。 如果对这些使用的类，不增加或者减少方法数或者字段的话 ， 就没关系 。 即使发生了增减的情况，如果在 Application 里面直接使用到的这些方法或者字段索引没有受到影响，那也是没问题的 。 例如插入的方法正好是在所用方法之后，那就影响不到这个方法的索引。 保险起见，还是需要注意这类情况，并尽量避免。

开发者使用这种万式进行初始化的时候 ， 只需要复制这个 SophixStubApplication 类到自己的项目中，然后把 AndroidManifest 里面的 Application 指定为它，再设置 SophixEntry 为 SampleApplication 就可以了 。

使用SophixApplication，Sophix在运行的时候，会先执行初始化逻辑，当初始化完成后， 通过反射得到SophixStubApplication 的静态内部类 RealApplicationStub，最终通过它的类注解SophixEntry得到真正的 Application 即 SampleApplication。然后调用 SampleApplication 的生命周期函数 attachBaseContext、 onCreate 等 ，再进行替换 。 后续，所有使用 Application 的地方都能够找到这个换回来的 SampleApplication。

其他方案

Tinker的方案是在AndroidManifest.xml什么中就要求开发者将自己的Application直接替换成TinkerApplcation。而对于真正的Application，要在初始化TinkerApplcation时作为参数传入，在生命周期回调时通过反射的方式调用实际的Applicationn的相关逻辑。这么做确实很好地将入口Application和用户代码隔开，不过需要改造原有的Application，如果对Application有更多扩展，接入成本也是比较高的。Tinker中的sample如下：

@SuppressWarnings("unused")
    @DefaultLifeCycle(application = "tinker.sample.android.app.SampleApplication",
                      flags = ShareConstants.TINKER_ENABLE_ALL,
                      loadVerifyFlag = false)
    public class SampleApplicationLike extends DefaultApplicationLike {
        private static final String TAG = "Tinker.SampleApplicationLike";
    
        public SampleApplicationLike(Application application, int tinkerFlags, boolean tinkerLoadVerifyFlag,
                                     long applicationStartElapsedTime, long applicationStartMillisTime, Intent tinkerResultIntent) {
            super(application, tinkerFlags, tinkerLoadVerifyFlag, applicationStartElapsedTime, applicationStartMillisTime, tinkerResultIntent);
        }
    
        /**
         * install multiDex before install tinker
         * so we don't need to put the tinker lib classes in the main dex
         *
         * @param base
         */
        @TargetApi(Build.VERSION_CODES.ICE_CREAM_SANDWICH)
        @Override
        public void onBaseContextAttached(Context base) {
            super.onBaseContextAttached(base);
            //you must install multiDex whatever tinker is installed!
            MultiDex.install(base);
    
            SampleApplicationContext.application = getApplication();
            SampleApplicationContext.context = getApplication();
            TinkerManager.setTinkerApplicationLike(this);
    
            TinkerManager.initFastCrashProtect();
            //should set before tinker is installed
            TinkerManager.setUpgradeRetryEnable(true);
    
            //optional set logIml, or you can use default debug log
            TinkerInstaller.setLogIml(new MyLogImp());
    
            //installTinker after load multiDex
            //or you can put com.tencent.tinker.** to main dex
            TinkerManager.installTinker(this);
            Tinker tinker = Tinker.with(getApplication());
        }
    
        @TargetApi(Build.VERSION_CODES.ICE_CREAM_SANDWICH)
        public void registerActivityLifecycleCallbacks(Application.ActivityLifecycleCallbacks callback) {
            getApplication().registerActivityLifecycleCallbacks(callback);
        }
    
    }

Amigo的方案是在编译过程中，用Amigo自定义的gradle插件将App的Application替换成Amigo自己的一个Application，并将原来的Application的name保存起来，该修复的问题都修复完成后再调用之前保存的Application的attch(context)，然后将它回调到loadApk中，最后调用它的onCreate()，执行原有的Application中的逻辑，这种方式是在编译期帮用户做替换，这种对系统做方式替换本身也是有一定风险的。

###### 多态对冷启动类加载的影响 ######

多态一般是指非静态非私有方法的多态，field和静态方法不具有多态性。

首先new B()的执行会尝试加载类B，方法调用链dvmResolveClass->dvmLinkClass->createVtable，此时会为类B创建一个vtable，**其实在虚拟机中加载每个类都会为这个类生成一张vtable表，vtable表就是当前类的所有virtual方法的一个数组，当前类和所有继承父类的public/protected/default方法就是virtual方法，因为public/protected/default方法是可以被继承的。private/static方法不属于这个范畴，因为不能被继承。**

子类vtable的大小等于子类virtual方法数+父类vtable的大小。

*  整体复制父类vtable到子类的vtable
 *  遍历子类的virtual方法集合，如果方法原型一致，说明是重写父类方法，那么在相同索引位置处，子类重写方法覆盖掉vtable中父类的方法；
 *  若方法原型不一致，那么把该烦恼规范添加到vtable的末尾。

field/static方法为什么不具有多态性，简单来讲，\*\*是从当前变量的引用类型而不是实际类型中查找，如果查不到，再去父类中递归查找。\*\*所以field和static方法不具备多态性。

###### 冷启动方案限制 ######

方法调用错乱问题：

dex文件第一次加载的时候，会进行dexopt，dexopt有verify和optimize两个过程：

*  dvmVerifyClass：类校验，简单来说，类校验的目的就是为了防止类被篡改而校验类的合法性。此时会对类的每个方法进行校验，这里我们只需要知道如果类的所有方法中直接引用到的类(第一层级关系，不会进行递归搜索)和当前类都在同一个dex中的话，dvmVerifyClass就返回true。
 *  dvmOptimizeClass：类优化，简单来说，这个过程会把部分指令优化成虚拟机的内部指令，比如方法调用指令invoke-virtual-quick，quick指令会从类的vtable表中直接获取，vtable简单来说就是类的所有方法的一张大表（包括继承自父类的方法）。因此提升了方法的执行速率。
    
    Invoke-virtual-quick效率明显比invoke-virtual更高，**直接从实际类型的vtable中获取调用方法的指针**，而省略了dvmResolveMethod从变量的引用类型获取该方法在vtable索引ID的步骤，所以更高效。(例子：new B()的执行会尝试加载类B，方法调用链dvmResolveClass->dvmLinkClass->createVtable)

#### 资源修复 ####

Instant Run中的资源热修复分为两步

1.  构造一个新的AssetManager，通过反射调用addAssetPath函数，然后把**完整的**新资源包加载到AssetManager中。这样就得到了一个含有所有新资源的AssetManager。
2.  找到所有之前引用到原有的AssetManager的地方，通过反射，把引用处替换为新的AssetManager

没有直接参考Instant Run的技术，而是另辟蹊径构造一个package id为0x66的资源包，这个包里面只需要包含需要改变的资源项，然后直接在原有AssetManger中通过addAssetPath函数添加这个包就可以了。由于补丁包的package id为0x66，不与目前的已经加载的地址为0x7f的包冲突，因此直接加载到已有的AssetManager中就可以直接使用了。

补丁包里面的只有新增的资源和需要替换的资源。并且，我们采用了更加优雅的替换方式，直接在原有的AssetManager对象上进行解析和重构，这样所有原有对AssetManager对象的引用是没有发生改变的，不需要想Instant Run那样进行繁琐的修改了。

Instant Run团队和Android Framework不是一个团队，他们对系统源码了解也不是很深，所以做的也并不是很好，我们只要仔细阅读源码，也能搞出更好的方案。

Sophix的修改方案

*  不修改AssetManger的引用处，替换资源更快更完整(对比Instant Run以及所有CopyCat的实现)
 *  不必下发完整包，补丁包中只包含变动的资源(对比Instant Run，Amigo等方式的实现)
 *  不需要在运行时合成包，不占用运行时计算和内存资源（对比Tinker实现）

#### so库修复 ####

so库的修复本质是对native方法的修复和替换

采用类似类修复反射反射注入方式。把补丁so库的路径插入到nativeLibraryDirectories数组的最前面，就能够达到加载so库的时候是补丁so库的目录，从而达到修复bug的目的。不像某些方案需要手动替换系统的System.load来实现替换功能。

区别于所谓的黑科技(类似保活)，实际上是改善了Android的生态环境。

#### Android与iOS热修复的不同 ####

1.  谷歌和苹果在中国的地位不同，控制能力不同
2.  Android和iOS的开放性不同

#### 热修复的必要性 ####

热修复不是简单的客户端SDK，它还包含了安全机制和服务端的控制逻辑，整条链路也不是短时间可以快速完成的。

**专业的事是交给专业的人去做。开发者应该把更多的时间精力放到自己的核心业务之中。**

#### 总结 ####

想要深入了解热修复，需要了解类加载机制，Instant Run，multidex以及java底层实现细节，JNI，AAPT和虚拟机的知识，需要庞大的知识贮备才能进行深入理解，当然Android Framwork的实现细节是非常重要的。熟悉热修复的原理有助于我们提供自己的编程水平，提升自己解决问题的能力，最后热修复不是简单的客户端SDK，它还包含了安全机制和服务端的控制逻辑，整条链路也不是短时间可以快速完成的。还是这句话，**专业的事是交给专业的人去做。开发者应该把更多的时间精力放到自己的核心业务之中。**

> 本文在开源项目：[https://github.com/Android-Alvin/Android-LearningNotes][Link 1] 中已收录，里面包含不同方向的自学编程路线、面试题集合/面经、及系列技术文章等，资源持续更新中…

作者：伤心的猪大肠  
链接：https://juejin.im/post/6870510331228717063

[Link 1]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2FAndroid-Alvin%2FByteDance-Android-Architecture%2Fblob%2Fmaster%2F%25E5%25AD%2597%25E8%258A%2582%25E8%25B7%25B3%25E5%258A%25A8%25E7%25A7%25BB%25E5%258A%25A8%25E6%259E%25B6%25E6%259E%2584%25E5%25B8%2588%25E5%25AD%25A6%25E4%25B9%25A0%25E7%25AC%2594%25E8%25AE%25B0.md
[8dd28e27c81bcc02ce469d5608b0f180.png]: /images/20221123/9b6a354c3eee4e46bcc34e7d566bb60b.png
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[Link 2]: https://www.jianshu.com/p/dd4e424071e7
[Link 3]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxNDEwNjk5OQ==&mid=2650400395&idx=1&sn=73747503d729309027b7c2f17fa6de9e&scene=21#wechat_redirect
[Atlas]: https://github.com/alibaba/atlas
[Link 4]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/20308548
[7ff9abb07c48e8611fa992ca6ecc7bfd.png]: /images/20221123/41aaff43d80b455c959709ca16c516cf.png
[927266aff31778ecc292579cfa6a901b.png]: /images/20221123/87d7b7f0d1f64e15a675b20f635a66eb.png
[2d936f0605e2a00c697ff4bc620f603e.png]: /images/20221123/9b080866ea844e5cad54a68cbfe79c5f.png
[Link 5]: https://source.android.com/devices/tech/dalvik/dex-format
[d6ba5e9c025d375766ddb112b2b2e1ee.png]: /images/20221123/3d51d193383746a9bceb97cda5ba828e.png