热修复技术自从QQ空间团队搞出来之后便渐渐趋于成熟。
我们这个系列主要介绍如何一步步手动实现基本的热修复功能，无需使用第三方框架。
在开始学习之前，需要对基本的热修复技术有些了解，以下文章可以帮助到你：
- 安卓App热补丁动态修复技术介绍
- 【腾讯Bugly干货分享】Android Patch 方案与持续交付
- Android dex分包方案
- dodola/HotFix
一、dex文件的生成与加载
我们在这部分主要做的流程有：
- 1.编写基本的Java文件并编译为.class文件。
- 2.将.class文件转为.dex文件。
- 3.将转好的dex文件放入创建好的Android工程内并在启动时将其写入本地。
- 4.加载解压后的.dex文件中的类，并调用其方法进行测试。
Note: 在阅读本节之前最好先了解一下类加载器的双亲委派模型、DexClassLoader的使用以及反射的知识点。
编写基本的Java文件并编译为.class文件
首先我们在一个工程目录下开始创建并编写我们的Java文件，你可能会选择各种IDE来做这件事，但我在这里劝你不要这么做，因为有坑在等你。等把基本流程搞清楚可以再选择更进阶的方法。这里我们可以选择文本编辑器比如EditPlus来对Java文件进行编辑。
新建一个Java文件，并命名为：com.sahadev.bean.ClassStudent.java，并在java文件内键入以下代码
public class com.sahadev.bean.ClassStudent {
private String name;
public com.sahadev.bean.ClassStudent() {
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName(){
return this.name + ".Mr";
}
}
Note: 这里要注意，不要对类添加包名，因为在后期对class文件处理时会遇到问题，具体问题会稍后说明。上面的getName方法在返回时对this.name属性添加了一段字符串，这里请注意，后面会用到。
在文件创建好之后，对Java文件进行编译：
将.class文件转为.dex文件
好，现在我们使用class文件生成对应的dex文件。生成dex文件所需要的工具为dx，dx工具位于sdk的build-tools文件夹内，如下图所示：
Tips: 为了方便使用，建议将dx的路径添加到环境变量中。如果对dx工具不熟悉的，可以在终端中输入dx --help以获取帮助。
dx工具的基本用法是：
dx --dex [--output=] [.class | .{zip,jar,apk} | ]
Tips: 刚开始自己摸索的时候，就没有仔细看命令，导致后面两个参数的顺序颠倒了，搞出了一些让人疑惑难解的问题，最后又不得不去找dx工具的源码调试，最后才发现自己的问题在哪。如果有对dx工具感兴趣的，可以对dx的包进行反编译或者获取dx的相关源代码进行了解。dx.lib文件位于dx.bat的下级目录lib文件夹中，可以使用JD-GUI工具对其进行查看或导出。如果需要获取源代码的，请使用以下命令进行克隆：
git clone https://android.googlesource.com/platform/dalvik
我们使用以下命令生成dex文件：
dx --dex --output=user.dex com.sahadev.bean.ClassStudent.class
这里我为了防止出错，提前在当前目录下新建好了user.dex文件。上述命令依赖编译.class文件的JDK版本，如果使用的是JDK8编译的class会提示以下问题：
PARSE ERROR:
unsupported class file version 52.0
...while parsing com.sahadev.bean.ClassStudent.class
1 error; aborting
这里的52.0意味着class文件不被支持，需要使用JDK8以下的版本进行编译，但是dx所需的环境还是需要为JDK8的，这里我编译class文件使用的是JDK7,请注意。
上面我们提到了为什么先不要在ClassStudent中使用包名，因为在执行dx的时候会报以下异常，这是因为以下第二项条件没有通过，该代码位于com.android.dx.cf.direct.DirectClassFile文件内：
String thisClassName = thisClass.getClassType().getClassName();
if(!(filePath.endsWith(".class") && filePath.startsWith(thisClassName) && (filePath.length()==(thisClassName.length()+6)))){
throw new ParseException("class name (" + thisClassName + ") does not match path (" + filePath + ")");
}
运行截图如下所示：
好了，到此为止我们的目录应该如下：
写入dex到本地磁盘
接下来将生成好的user.dex文件放入Android工程的res\raw文件夹下：
在系统启动时将其写入到磁盘，这里不再贴出具体的写入代码，项目的MainActivity中包含了此部分代码。
加载dex中的类并测试
在写入完毕之后使用DexClassLoader对其进行加载。DexClassLoader的构造方法需要4个参数，这里对这4个参数进行简要说明：
- String dexPath:dex文件的绝对路径。在这里我将其放入了应用的cache文件夹下。
- String optimizedDirectory:优化后的dex文件存放路径。DexClassLoader在构造完毕之后会对原有的dex文件优化并生成一个新的dex文件，在这里我选择的是.../cache/optimizedDirectory/目录。此外，API文档对该目录有严格的说明：Do not cache optimized classes on external storage.出于安全考虑，请不要将优化后的dex文件放入外部存储器中。
- String libraryPath:dex文件所需要的库文件路径。这里没有依赖，使用空字符串代替。
- ClassLoader parent:双亲委派模型中提到的父类加载器。这里我们使用默认的加载器，通过getClassLoader()方法获得。
在解释完毕DexClassLoader的构造参数之后，我们开始对刚刚的dex文件进行加载：
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(apkPath, file.getParent() + "/optimizedDirectory/", "", classLoader);
接来下开始load我们刚刚写入在dex文件中的ClassStudent类：
Class aClass = dexClassLoader.loadClass("com.sahadev.bean.ClassStudent");
然后我们对其进行初始化，并调用相关的get/set方法对其进行验证，在这里我传给ClassStudent对象一个字符串，然后调用它的get方法获取在方法内合并后的字符串：
Object instance = aClass.newInstance();
Method method = aClass.getMethod("setName", String.class);
method.invoke(instance, "Sahadev");
Method getNameMethod = aClass.getMethod("getName");
Object invoke = getNameMethod.invoke(instance););
最后我们实现的代码可能是这样的：
/**
* 加载指定路径的dex
*
* @param apkPath
*/
private void loadClass(String apkPath) {
ClassLoader classLoader = getClassLoader();
File file = new File(apkPath);
try {
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(apkPath, file.getParent() + "/optimizedDirectory/", "", classLoader);
Class aClass = dexClassLoader.loadClass("com.sahadev.bean.ClassStudent");
mLog.i(TAG, "com.sahadev.bean.ClassStudent = " + aClass);
Object instance = aClass.newInstance();
Method method = aClass.getMethod("setName", String.class);
method.invoke(instance, "Sahadev");
Method getNameMethod = aClass.getMethod("getName");
Object invoke = getNameMethod.invoke(instance);
mLog.i(TAG, "invoke result = " + invoke);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
最后附上我们的运行截图：
二、Class文件的替换
在完成基本外部类加载之后，我们这一节开始对工程内部的类实行替换。
Tips: 本章主要依赖文章http://blog.csdn.net/vurtne_ye/article/details/39666381中的未实现代码实现，实现思路也源自该文章，在阅读本文之前可以先行了解。
这一节我们主要实现的流程有：
- 在类的内部创建与外部dex相同的类文件，但在调用getName()方法返回字符串时会稍有区别，以便进行结果验证
- 使用DexClassLoader加载外部的user.dex
- 将DexClassLoader中的dexElements放在PathClassLoader的dexElements之前
- 验证替换结果
因为上节课中专门声明了不可以对类声明包名，但是这样在Android工程中无法引用没有包名的类，所以把不能声明包名的问题解决了一下。
上一节课主要遇到的问题是在编译Java文件时没有使用正当的命令。对含有包名的Java文件应当使用以下命令：
javac -d ./ ClassStudent.java
经过上面命令编译后的.class文件便可以顺利通过dx工具的转换。
我们还是按照第一节的步骤将转换后的user.dex文件放入工程中并写入本地磁盘，以便稍后使用。
在开始之前还是先说一下具体的实现思路：一个类在使用之前必须要经过加载器的加载才能使用，在加载器加载类之前会调用自身的findClass()方法进行查找。然而在Android中类的查找使用的是BaseDexClassLoader，BaseDexClassLoader对findClass()方法进行了重写：
@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
Class clazz = pathList.findClass(name);
if (clazz == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return clazz;
}
pathList是类DexPathList的实例，这里pathList.findClass的实现如下：
public Class findClass(String name) {
for (Element element : dexElements) {
DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
}
return null;
}
由此我们可以得知类的查找是通过遍历dexElements来进行查找的。所以为了实现替换效果，我们需要将DexClassLoader中的Element对象放到dexElements数组的第0个位置，这样才能在BaseDexClassLoader查找类时先找到DexClassLoader所用的user.dex中的类。
Tips: 如果对上面这句话看不懂的，没关系，可以先了解一下类的加载机制与ClassLoader的双亲委派模型。
好了，有了基本的实现思路之后，我们接下来对思路进行实践。
下面的方法是我们主要的注入方法：
public String inject(String apkPath) {
boolean hasBaseDexClassLoader = true;
File file = new File(apkPath);
try {
Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
} catch (ClassNotFoundException e) {
hasBaseDexClassLoader = false;
}
if (hasBaseDexClassLoader) {
PathClassLoader pathClassLoader = (PathClassLoader) getClassLoader();
DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(apkPath, file.getParent() + "/optimizedDirectory/", "", pathClassLoader);
try {
Object dexElements = combineArray(getDexElements(getPathList(pathClassLoader)), getDexElements(getPathList(dexClassLoader)));
Object pathList = getPathList(pathClassLoader);
setField(pathList, pathList.getClass(), "dexElements", dexElements);
return "SUCCESS";
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
return android.util.Log.getStackTraceString(e);
}
}
return "SUCCESS";
}
这段代码原封不动采用于http://blog.csdn.net/vurtne_ye/article/details/39666381文章中最后的实现代码，但是该文章并没有给出具体的注入细节。我们接下里的过程就是对没有给全的细节进行补充与讲解。
这段代码的核心在于将DexClassLoader中的dexElements与PathClassLoader中的dexElements进行合并，然后将合并后的dexElements替换原先的dexElements。最后我们在使用ClassStudent类的时候便可以直接使用外部的ClassStudent，而不会再使用默认的ClassStudent类。默认情况下会加载默认的ClassStudent类。
首先我们通过classLoader获取各自的pathList对象：
public Object getPathList(BaseDexClassLoader classLoader) {
Class aClass = classLoader.getClass();
Class superclass = aClass.getSuperclass();
try {
Field pathListField = superclass.getDeclaredField("pathList");
pathListField.setAccessible(true);
Object object = pathListField.get(classLoader);
return object;
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
在使用以上反射的时候要注意，pathList属性属于基类BaseDexClassLoader。所以如果直接对DexClassLoader或者PathClassLoader获取pathList属性的话，会得到null。
其次是获取pathList对应的dexElements，这里要注意dexElements是个数组对象：
public Object getDexElements(Object object) {
if (object == null)
return null;
Class aClass = object.getClass();
try {
Field dexElements = aClass.getDeclaredField("dexElements");
dexElements.setAccessible(true);
return dexElements.get(object);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
接下来我们将两个数组对象合并成为一个：
public Object combineArray(Object object, Object object2) {
Class aClass = Array.get(object, 0).getClass();
Object obj = Array.newInstance(aClass, 2);
Array.set(obj, 0, Array.get(object2, 0));
Array.set(obj, 1, Array.get(object, 0));
return obj;
}
上面这段代码我们根据数组对象的类型创建了一个新的大小为2的新数组，并将两个数组的第一个元素取出，将dex中的dexElement放在了第0个位置。这样可以确保在查找类时优先从dex的dexElement中查找。
最后将原先的dexElements覆盖：
public void setField(Object pathList, Class aClass, String fieldName, Object fieldValue) {
try {
Field declaredField = aClass.getDeclaredField(fieldName);
declaredField.setAccessible(true);
declaredField.set(pathList, fieldValue);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
运行验证结果：
大功告成！
类的加载机制简要介绍
一个类在被加载到内存之前要经过加载、验证、准备等过程。经过这些过程之后，虚拟机才会从方法区将代表类的运行时数据结构转换为内存中的Class。
我们这节内容的重点在于一个类是如何被加载的，所以我们从类的加载入口开始。
类的加载是由虚拟机触发的，类的加载入口位于ClassLoader的loadClassInternal()方法：
// This method is invoked by the virtual machine to load a class.
private Class loadClassInternal(String name)
throws ClassNotFoundException
{
// For backward compatibility, explicitly lock on 'this' when
// the current class loader is not parallel capable.
if (parallelLockMap == null) {
synchronized (this) {
return loadClass(name);
}
} else {
return loadClass(name);
}
}
这段方法还有段注释说明：这个方法由虚拟机调用用来加载一个类。我们看到这个类的内部最后调用了loadClass()方法。那我们进入loadClass()方法看看：
public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
return loadClass(name, false);
}
loadClass()方法方法内部调用了loadClass()的重载方法：
protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
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) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
loadClass()方法大概做了以下工作：
首先查找该类是否已经被加载.
如果该ClassLoader有父加载器，那么调用父加载器的loadClass()方法.
如果没有父加载器，则调用findBootstrapClassOrNull()方法进行加载，该方法会使用引导类加载器进行加载。普通类是不会被该加载器加载到的，所以这里一般返回null.
如果前面的步骤都没找到，那调用自身的findClass()方法进行查找。
好，ClassLoader的findClass()方法是个空方法，所以这个过程一般是由子加载器实现的。Java的加载器这么设计是有一定的渊源的，感兴趣的读者可以自行查找书籍了解。
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
在Android中，ClassLoader的直接子类是BaseDexClassLoader，我们看一下BaseDexClassLoader的findClass()实现：
@Override
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
Class clazz = pathList.findClass(name);
if (clazz == null) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
return clazz;
}
Tips: 有需要虚拟机以及类加载器全套代码的，请使用以下命令克隆:
git clone https://android.googlesource.com/platform/dalvik-snapshot
相关代码位于项目的ics-mr1分支上。
看到这里我们可以知道，Android中类的查找是通过这个pathList进行查找的，而pathList又是个什么鬼呢？
在BaseDexClassLoader中声明了以下变量：
/** structured lists of path elements */
private final DexPathList pathList;
所以我们可以看看DexPathList的findClass()方法做了什么：
public Class findClass(String name) {
for (Element element : dexElements) {
DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {
Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
if (clazz != null) {
return clazz;
}
}
}
return null;
}
这里通过遍历dexElements中的Element对象进行查找，最终走的是DexFile的loadClassBinaryName()方法：
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader) {
return defineClass(name, loader, mCookie);
}
private native static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, int cookie);
到此为止，我们就将一个类真正的加载过程梳理完了。