Android动态替换Application实现

背景

虽然热更新和Hook技术都被大家聊烂了，但是还是想和大家聊一下这方面的内容。最近做一些Android方面的优化工作，大家知道Android的ClassLoader在加载dex文件的过程中，而AndroidManifest的Application类就在dex文件中，Application通常会做一些全局的初始化工作，在加载dex之前，我们需要替换原有的Application为ProxyApplication。使其应用启动时加载ProxyApplication，然后在其中实现加载dex等一些流程处理。而后要替换回原有的Application（以下称为RealApplication），确保应用正常运行，并且要保持生命周期、初始化顺序不变，屏蔽对于应用中getContext，getApplicationContext的影响。

在替换Application的过程中，应该注意以下几点：

• 创建RealApplication，维护正常的生命周期，并进行回调。
• 对应用中屏蔽掉ProxyApplication，对于下层无感知。在Activity等调用getApplicationContext之后，应该返回RealApplication。
• ContentProvider创建时机比较特殊，在满足正常的初始化顺序之后，也要屏蔽ProxyApplication的存在。

方案实现

在AndroidManifest.xml文件中替换Application为ProxyApplication，可以使用自动化方式，或者打包方式，关于实现的具体细节此处不讨论。这里主要叙述创建RealApplication的过程。替换了ProxyApplication之后，对于系统而言ProxyApplication就是应用初始化的入口，所有的回调均是在ProxyApplication中发生。我们主要关注attachBaseContext和onCreate的回调。

创建RealApplication

创建RealApplication，我们可以使用反射的方式newInstance创建对象，然后执行回调attachBaseContext。但是对于不同的系统版本，内部执行的细节可能不同，或者有其它相关逻辑的处理，所以我们采用另一种方式进行处理。首先看系统源码的如何实现，这里选择8.0.0的系统源码进行分析，其它版本去http://androidxref.com/查看。
我们知道，Android初始化是从android.app.ActivityThread开始的，所以从ActivityThread开始查看，ActivityThread中存在静态方法currentActivityThread返回实例。可以参考系统的ActivityThread类：

public static ActivityThread currentActivityThread() {
        return sCurrentActivityThread;
    }

ActivityThread内部存在成员变量AppBindData mBoundApplication。AppBindData是一个静态内部类，其中包含成员变量LoadedApk info。查看android.app.LoadedApk源代码，发现创建Application的makeApplication方法。

 public Application makeApplication(boolean forceDefaultAppClass,
            Instrumentation instrumentation) {
        if (mApplication != null) {
            return mApplication;
        }

        Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "makeApplication");

        Application app = null;

        String appClass = mApplicationInfo.className;
        if (forceDefaultAppClass || (appClass == null)) {
            appClass = "android.app.Application";
        }

        try {
            java.lang.ClassLoader cl = getClassLoader();
            if (!mPackageName.equals("android")) {
                Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER,
                        "initializeJavaContextClassLoader");
                initializeJavaContextClassLoader();
                Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
            }
            ContextImpl appContext = ContextImpl.createAppContext(mActivityThread, this);
            app = mActivityThread.mInstrumentation.newApplication(
                    cl, appClass, appContext);
            appContext.setOuterContext(app);
        } catch (Exception e) {
            if (!mActivityThread.mInstrumentation.onException(app, e)) {
                Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                throw new RuntimeException(
                    "Unable to instantiate application " + appClass
                    + ": " + e.toString(), e);
            }
        }
        mActivityThread.mAllApplications.add(app);
        mApplication = app;

        if (instrumentation != null) {
            try {
                instrumentation.callApplicationOnCreate(app);
            } catch (Exception e) {
                if (!instrumentation.onException(app, e)) {
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                    throw new RuntimeException(
                        "Unable to create application " + app.getClass().getName()
                        + ": " + e.toString(), e);
                }
            }
        }

        // Rewrite the R 'constants' for all library apks.
        SparseArray packageIdentifiers = getAssets(mActivityThread)
                .getAssignedPackageIdentifiers();
        final int N = packageIdentifiers.size();
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            final int id = packageIdentifiers.keyAt(i);
            if (id == 0x01 || id == 0x7f) {
                continue;
            }

            rewriteRValues(getClassLoader(), packageIdentifiers.valueAt(i), id);
        }

        Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);

        return app;
    }

通过上面的代码可以发现，如果缓存mApplication不为空，则直接返回。mApplication为空时，则创建RealApplication，并且执行相关的回调，创建RealApplication时，类名是从mApplicationInfo.className中获取。
添加新创建RealApplication到mActivityThread.mAllApplications。赋值给缓存mApplication。所以我们在调用makeApplication之前，需要将mApplication置为null，否则会直接返回ProxyApplication的实例。

首先，通过android.app.ActivityThread中静态方法获取ActivityThread实例，然后，通过ActivityThread实例，获得LoadedApk实例。为了使makeApplication顺利执行，先设置mApplication为null。移除mAllApplications中ProxyApplication的实例。LoadedApk中mApplicationInfo和AppBindData中appInfo都是ApplicationInfo类型，需要分别替换className字段的值为RealApplication的实际类全名。

之后，反射调用系统的makeApplication.

这样，在ProxyApplication.attachBaseContext中，调用makeApplication创建RealApplication，并且内部已经完成对于RealApplication的attchBaseContext的回调。在ProxyApplication.onCreate中只需要回调RealApplication实例的onCreate，即可完成对于RealApplication的创建，已经内部替换以及正常的生命周期的回调。而且在Activity中调用getApplicationContext返回的值，实际上也是LoadedApk中mApplication的值，同时也保证对于Activity等地方屏蔽ProxyApplication的目的。

ContentProvider中getContext

Application和ContentProvider的初始化顺序是：Application.attachBaseContext -> ContentProvider.onCreate -> Application.onCreate。ContentProvider中也存在getContext方法，看ContentProvider的源代码实现：

其中mContext被赋值的有两个地方，一个在构造方法，一个是attchInfo的时候。继续追踪源代码中使用构造方法初始化，或者调用attachInfo的地方，结果在android.app.ActivityThread中找到installProvider方法中存在着调用关系。

可以看出，使用反射调用ContentProvider无参构造方法创建实例，然后调用了attachInfo，传递的Context为installProvider方法中的参数，而installProvider的参数是在installContentProviders内部在初始化中传递的。

可以明确，installContentProviders中调用installProvider时传递的Context，也是由方法调用时传递的参数。继续向上追踪发现ActivityThread.handleBindApplication在初始化ContentProvider时调用了installContentProviders，最终通过attachInfo设置给ContentProvider中的Context的实际类型是Application。

在App初始化时，系统调用makeApplication创建了ProxyApplication实例，同时回调了attachBaseContext(Context context)。所以这个方法返回的就是App初始化时ProxyApplication，调用发生ProxyApplication.attachBaseContext之后，ProxyApplication.onCreate之前。所以我们没有办法在这两个方法生命周期内进行替换为RealApplication。

这种方案，接入成本比较低，但是新系统出现之后，可能出现兼容性的问题，需要每次发布新系统之后进行相关的适配。但是这种Hook解决问题的思路，可以借鉴一下。