前言
热修复也叫热更新，又叫做动态加载、动态修复、动态更新，是指不通过重新安装新的APK安装包的情况下修复一些线上的BUG。
通过这样做，可以免去发版、安装、重新打开等过程，就可以修复线上的BUG，防止用户流失。因此这是几乎每一个APP都需要的一个功能，因此很有学习的必要。
需要注意的是：热修复只是临时的亡羊补牢。在企业中真正的热修复发版与正式版一样，需要测试进行测试。但是热修复也存在一些兼容性问题。因此高质量的版本与热修复框架才是解决问题的最好的手段。
各大热修复框架的对比图
目前流行的热修复技术有：
- QQ空间的超级补丁方案
- 微信的Tinker
- 阿里巴巴的AndFix、Dexposed
- 美团的Robust
- 饿了么的MiGo
- 百度的HotFix
下面给出一些常见的热修复框架的对比图：
可以看出几乎每一个框架都有优势和弊端。其中“即时生效”的意思就是是否能不通过重启来达到修复的效果，就像AndFix，支持即时生效，但是只能做到方法的替换，而不是替换（新增）类、资源等。选择什么框架，还是需要根据APP或者BUG的实际情况出发。
关于更多的热修复框架的对比，可以参考一些网上的文章。今天我们主要分析的是阿里巴巴的AndFix。
技术选型
既然有这么多的技术，那么我们必将面临技术选型的问题，因此这里给出一些技术选型上的参考标准：
- 框架是否符合项目的需求，需求是衡量一切的标准
- 能够满足需求的前提下，选择学习成本最低的（同时也代表着使用简单、维护起来简单）
- 学习成本差不多的情况下，优先选择大公司的框架
AndFix的基本使用
AndFix的引入
首先我们在gradle脚本中添加AndFix的依赖：
compile 'com.alipay.euler:andfix:0.5.0@aar'
由于热修复需要读写SD卡，因此需要添加一些权限，注意6.0的权限适配问题。如果你的补丁文件是从服务器下载的，那么就需要联网权限。
初始化
自定义一个Application，初始化AndFix，这里为了方便演示，在加载Patch文件的时候，我们省略了校验的步骤：
public class App extends Application {
private static final String TAG = App.class.getSimpleName();
//Patch文件的路径
private static final String APATCH_PATH = "/out.apatch";
@Override
public void onCreate() {
super.onCreate();
//初始化PatchManager
PatchManager mPatchManager = new PatchManager(this);
mPatchManager.init("1.0");
//加载已加载过的Patch文件
mPatchManager.loadPatch();
//添加外部Patch文件
try {
// .apatch file path
String patchFileString = Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath() + APATCH_PATH;
mPatchManager.addPatch(patchFileString);
Log.d(TAG, "加载成功：" + patchFileString);
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "", e);
}
}
}
AndFix的示例
然后我们写一个有BUG的Test类：
public class Test {
public static int test() {
return 1 / 0;
}
}
在Activity中调用这个类：
findViewById(R.id.btn_test).setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
String res = Test.test() + "";
Toast.makeText(MainActivity.this, res, Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
});
把当前的代码签名打包成一个APK，我们修改名字问old.apk。
然后把Test的BUG修改，再次签名打包成一个APK，我们修改名字问new.apk。
public class Test {
public static int test() {
return 1 / 1;
}
}
下载生成Patch文件的工具、生成Patch文件
然后我们去AndFix的官网下载生成Patch文件的工具：
//Windows电脑用
apkpatch.bat
//Linux、苹果电脑用
apkpatch.sh
然后我们把刚刚生产的两个APK文件、签名文件放到同一个目录。由于笔者使用的是Ubuntu系统，因此需要给apkpatch.sh添加执行的权限，Ubuntu下，签名文件的格式是jks。
然后执行下面的命令，生产Patch文件：
./apkpatch.sh -f new.apk -t old.apk -o out -k nan.jks -p 123456 -a nan -e 123456
在命令里面我们执行了新旧两个APK文件，输出路径，签名文件，签名密码，签名文件的别名以及密码。
最终我们输出一个文件：
new-e726f4396cbed42d1cf50fb2d781c9d9.apatch
我们修改名字为out.apatch，放到手机的SD卡根目录下面。
效果
一开始如果没有放入out.apatch的时候，APP运行的时候是直接因为BUG而崩溃的，但是放入了out.apatch之后，APP的BUG被修复了。
AndFix源码分析
准备步骤
为了更方便地查看、分析AndFix的源码，我们将源码导入Android Studio中，由于AndFix源码是使用ndk-build进行构建的，为了更加方便导入，笔者根据Android.mk编写了一个CMake脚本，供读者参考：
#配置CMake的最低版本
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
#配置工程路径
#set(path_project /home/wuhuannan/AndroidPrj/AndFix)
set(path_project D:/AndroidStudio/AndFix)
#JNI文件夹的路径
set(path_jni ${path_project}/jni)
#配置头文件的包含路径
include_directories(${path_project}/jni/art)
include_directories(${path_project}/jni/dalvik)
include_directories(${path_project}/jni)
#添加自己写的库
add_library(andfix
SHARED
${path_jni}/andfix.cpp ${path_jni}/art/art_method_replace.cpp ${path_jni}/art/art_method_replace_4_4.cpp ${path_jni}/art/art_method_replace_5_0.cpp ${path_jni}/art/art_method_replace_5_1.cpp ${path_jni}/art/art_method_replace_6_0.cpp ${path_jni}/art/art_method_replace_7_0.cpp ${path_jni}/dalvik/dalvik_method_replace.cpp
)
#找到Android的log库（这个库已经在Android平台中了）
find_library(
log-lib
log
)
#找到Android的的库（这个库已经在Android平台中了），这个库貌似用不上，姑且先加上吧
find_library(
android-lib
android
)
#把需要的库链接到自己的库中
target_link_libraries(
andfix
${log-lib}
${android-lib}
)
一、Patch文件分析
官网给出的AndFix核心原理如下图所示：
主要是通过Native层的Hook技术，实现方法的动态替换，而替换哪个方法，就需要根据Patch文件中的@MethodReplace注解而决定。
从上面的例子中我们可以直观地看到，我们的BUG是通过加载一个Patch文件来修复，那么我们就从这个Patch文件作为我们源码分析的入口吧。
Patch文件实际上一个zip压缩的文件，因此我们不妨把它的后缀名改为zip，然后用解压缩工具打开。可以看到，
我们可以看到解压出来的是一个MeTA-INF文件夹以及dex文件。其中MeTA-INF文件夹里面的PATCH.MF文件保存的是这个Patch的一些关键信息。等下我们分析源码的时候需要用到。
再者就是下面的这个dex文件，我们不妨利用dex2jar-2.0工具对其进行反编译，Linux中的命令如下：
./d2j-dex2jar.sh -f -o out.jar classes.dex
反编译出来以后我们我们再次解压jar包，直接拖动AS中打开：
package com.nan.andfixdemo;
import com.alipay.euler.andfix.annotation.MethodReplace;
public class Test_CF {
public Test_CF() {
}
@MethodReplace(
clazz = "com.nan.andfixdemo.Test",
method = "test"
)
public static int test() {
return 1;
}
}
可以看到，其实这个dex文件就把我们需要替换的方法添加了一个@MethodReplace注解。
二、AndFix中Java层核心类分析
AndFix里面有几个核心的类，其中包括：
代表补丁文件的类：Patch
补丁文件的管理：PatchManager
修复的类：AndFixManager
与C/C++层交互的类：AndFix
一个Patch文件实质上是对应一个Patch对象的：
public class Patch implements Comparable
//省略一些代码
private final File mFile;
private String mName;
private Date mTime;
private Map> mClassesMap;
public Patch(File file) throws IOException {
mFile = file;
init();
}
@SuppressWarnings("deprecation")
private void init() throws IOException {
//省略一些代码
}
public String getName() {
return mName;
}
public File getFile() {
return mFile;
}
public Set getPatchNames() {
return mClassesMap.keySet();
}
public List getClasses(String patchName) {
return mClassesMap.get(patchName);
}
public Date getTime() {
return mTime;
}
@Override
public int compareTo(Patch another) {
return mTime.compareTo(another.getTime());
}
}
从上面的构造方法中可以看出，AndFix在创建Patch对象的时候，调用了inti方法：
private void init() throws IOException {
JarFile jarFile = null;
InputStream inputStream = null;
try {
jarFile = new JarFile(mFile);
JarEntry entry = jarFile.getJarEntry(ENTRY_NAME);
inputStream = jarFile.getInputStream(entry);
Manifest manifest = new Manifest(inputStream);
Attributes main = manifest.getMainAttributes();
mName = main.getValue(PATCH_NAME);
mTime = new Date(main.getValue(CREATED_TIME));
mClassesMap = new HashMap>();
Attributes.Name attrName;
String name;
List strings;
for (Iterator it = main.keySet().iterator(); it.hasNext();) {
attrName = (Attributes.Name) it.next();
name = attrName.toString();
if (name.endsWith(CLASSES)) {
strings = Arrays.asList(main.getValue(attrName).split(","));
if (name.equalsIgnoreCase(PATCH_CLASSES)) {
mClassesMap.put(mName, strings);
} else {
mClassesMap.put(
name.trim().substring(0, name.length() - 8),// remove
// "-Classes"
strings);
}
}
}
} finally {
if (jarFile != null) {
jarFile.close();
}
if (inputStream != null) {
inputStream.close();
}
}
}
可以看出，在Patch构造的时候，调用了Java提供的一些读取jar文件的API去读取Patch文件。主要就是PATCH.MF文件这个文件：
Manifest-Version: 1.0
Patch-Name: new
Created-Time: 20 Apr 2017 02:45:20 GMT
From-File: new.apk
To-File: old.apk
Patch-Classes: com.nan.andfixdemo.Test_CF
Created-By: 1.0 (ApkPatch)
例如读取了Patch名、创建日期等，其中最核心的就是读取Patch-Classes，这就是需要修复的类的全名：
if (name.equalsIgnoreCase(PATCH_CLASSES)) {
mClassesMap.put(mName, strings);
} else {
mClassesMap.put(
name.trim().substring(0, name.length() - 8),// remove
// "-Classes"
strings);
}
因为这个Patch-Classes有可能会叫Classes，因此这里需要分两种情况处理。
上面就分析了Patch对象的构建，最终通过getClasses()方法就可以得到需要修复的所有的类。
三、AndFix中Java层基本修复流程分析
我们回到自定义的Application中：
//初始化PatchManager
PatchManager mPatchManager = new PatchManager(this);
mPatchManager.init("1.0");
//加载已加载过的Patch文件
mPatchManager.loadPatch();
//添加外部Patch文件
try {
// .apatch file path
String patchFileString = Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath() + APATCH_PATH;
mPatchManager.addPatch(patchFileString);
Log.d(TAG, "加载成功：" + patchFileString);
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "", e);
}
一开始我们初始化了AndFix，然后调用loadPatch方法进行补丁的加载：
public void loadPatch() {
mLoaders.put("*", mContext.getClassLoader());// wildcard
Set patchNames;
List classes;
for (Patch patch : mPatchs) {
patchNames = patch.getPatchNames();
for (String patchName : patchNames) {
classes = patch.getClasses(patchName);
mAndFixManager.fix(patch.getFile(), mContext.getClassLoader(),
classes);
}
}
}
在loadPatch方法方法中，先拿到Map中的ClassLoader，最后通过AndFixManager的fix方法进行修复。
由于AndFix在加载Patch之后，会将当前的Patch保存起来，下次将不再加载。那么我们的Patch一开始其实是从下面这段代码加载的：
try {
// .apatch file path
String patchFileString = Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath() + APATCH_PATH;
mPatchManager.addPatch(patchFileString);
Log.d(TAG, "加载成功：" + patchFileString);
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "", e);
}
核心逻辑就是通过PatchManager的addPatch方法进行加载：
public void addPatch(String path) throws IOException {
File src = new File(path);
File dest = new File(mPatchDir, src.getName());
if(!src.exists()){
throw new FileNotFoundException(path);
}
if (dest.exists()) {
Log.d(TAG, "patch [" + path + "] has be loaded.");
return;
}
FileUtil.copyFile(src, dest);// copy to patch's directory
Patch patch = addPatch(dest);
if (patch != null) {
loadPatch(patch);
}
}
我们可以看到，AndFix是把我们添加进来的Patch文件进行了copy，放到一个特定的目录中去的，下次就不会再加载了。因此我们在使用AndFix的时候，如果再次修复BUG的时候，就需要修改Patch文件的名字了，否则将不会再次加载，这是一个隐藏的大坑啊！不过这样做的好处就是省去了每次重复加载的工作，提高了APP的性能。
最后也是调用loadPatch方法进行加载以及fix。
四、AndFix中Java层修复流程分析
从上面的分析我们知道，Java层最终会调用AndFixManager的fix方法进行修复（方法替换）。那么我们不妨先进来看一看究竟：
public synchronized void fix(File file, ClassLoader classLoader,
List classes) {
//判断AndFix是否可用，主要是判断是否正确初始化了
if (!mSupport) {
return;
}
//验证Patch文件（MD5验证，相关代码请自行分析）
if (!mSecurityChecker.verifyApk(file)) {// security check fail
return;
}
try {
File optfile = new File(mOptDir, file.getName());
boolean saveFingerprint = true;
if (optfile.exists()) {
if (mSecurityChecker.verifyOpt(optfile)) {
saveFingerprint = false;
} else if (!optfile.delete()) {
return;
}
}
//加载Patch文件中的dex文件
final DexFile dexFile = DexFile.loadDex(file.getAbsolutePath(),
optfile.getAbsolutePath(), Context.MODE_PRIVATE);
if (saveFingerprint) {
mSecurityChecker.saveOptSig(optfile);
}
//自定义一个ClassLoader去加载需要修复的类
ClassLoader patchClassLoader = new ClassLoader(classLoader) {
@Override
protected Class findClass(String className)
throws ClassNotFoundException {
Class clazz = dexFile.loadClass(className, this);
if (clazz == null
&& className.startsWith("com.alipay.euler.andfix")) {
return Class.forName(className);// annotation’s class
// not found
}
if (clazz == null) {
throw new ClassNotFoundException(className);
}
return clazz;
}
};
//查找相应的修复注解，如果找到，就进行修复
Enumeration entrys = dexFile.entries();
Class clazz = null;
while (entrys.hasMoreElements()) {
String entry = entrys.nextElement();
if (classes != null && !classes.contains(entry)) {
continue;// skip, not need fix
}
clazz = dexFile.loadClass(entry, patchClassLoader);
if (clazz != null) {
fixClass(clazz, classLoader);
}
}
} catch (IOException e) {
Log.e(TAG, "pacth", e);
}
}
在AndFixManager的fix方法中，一开始进行了一些是否初始化的验证、Patch文件的验证，然后就加载Patch包中的dex文件，生成一个DexFile对象。
然后通过自定义的类加载器加载DexFile对象中的类。这里由于是加载我们第三方的class，因此需要自定义一个类加载器。加载成功以后，就通过反射的方式循环去读方法上面的注解，如果找到了注解，就进行修复。
下面继续看fixClass方法，这里就是通过循环找到MethodReplace注解，然后调用replaceMethod进行方法替换。（AndFix热修复实质就是方法的替换）
private void fixClass(Class clazz, ClassLoader classLoader) {
Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
MethodReplace methodReplace;
String clz;
String meth;
for (Method method : methods) {
methodReplace = method.getAnnotation(MethodReplace.class);
if (methodReplace == null)
continue;
clz = methodReplace.clazz();
meth = methodReplace.method();
if (!isEmpty(clz) && !isEmpty(meth)) {
//方法替换，参数分别是：类加载器、需要修复的类、修复好的方法、被修复的方法
replaceMethod(classLoader, clz, meth, method);
}
}
}
MethodReplace注解的定义如下：
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface MethodReplace {
String clazz();
String method();
}
可以看到，这是一个运行时的注解，只能够使用在方法上面。注解中指定了类名以及方法名。
通过分析方法的调用链，replaceMethod方法最终会调用AndFix的静态方法replaceMethod：
private static native void replaceMethod(Method dest, Method src);
可以看到这是一个native方法。
五、AndFix中C/C++层修复流程分析
我们找到andfix.cpp，找到了replaceMethod的实现：
static void replaceMethod(JNIEnv* env, jclass clazz, jobject src, jobject dest) {
if (isArt) {
art_replaceMethod(env, src, dest);
} else {
dalvik_replaceMethod(env, src, dest);
}
}
这里需要判断当前的虚拟机类型是dalvik还是art。在JNI初始化的时候，需要注册虚拟机（方法替换的实质就是通过Hook虚拟机层的一些流程实现的，下面将会介绍到）：
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
JNIEnv* env = NULL;
jint result = -1;
if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
return -1;
}
assert(env != NULL);
if (!registerNatives(env)) { //注册
return -1;
}
//需要返回JNI 1.4以上的版本
result = JNI_VERSION_1_4;
return result;
}
其中注册虚拟机的时候，调用了registerNatives，最终调用registerNativeMethods方法，进行native方法的链接（注册与一些与类关联的native方法，向虚拟机进行登记，这是JNI实现的另外一种方式，具体可以参考JNI相关文档，这里不再深入）：
static int registerNatives(JNIEnv* env) {
if (!registerNativeMethods(env, JNIREG_CLASS, gMethods,
sizeof(gMethods) / sizeof(gMethods[0])))
return JNI_FALSE;
return JNI_TRUE;
}
这里传入的gMethods数组如下：
static JNINativeMethod gMethods[] = {
/* name, signature, funcPtr */
{ "setup", "(ZI)Z", (void*) setup }, { "replaceMethod",
"(Ljava/lang/reflect/Method;Ljava/lang/reflect/Method;)V",
(void*) replaceMethod }, { "setFieldFlag",
"(Ljava/lang/reflect/Field;)V", (void*) setFieldFlag }, };
gMethods实质就是Andfix中的一些方法：setup、replaceMethod、setFieldFlag，会在JNI加载的时候调用，进行初始化，下面主要看setup方法中的Java实现：
public static boolean setup() {
try {
final String vmVersion = System.getProperty("java.vm.version");
boolean isArt = vmVersion != null && vmVersion.startsWith("2");
int apilevel = Build.VERSION.SDK_INT;
return setup(isArt, apilevel);
} catch (Exception e) {
Log.e(TAG, "setup", e);
return false;
}
}
在Java代码中，判断了当前虚拟机类型是dalvik还是art，获取了API的等级。最终又调用了native层的setup方法，下面来看native层setup方法的实现：
static jboolean setup(JNIEnv* env, jclass clazz, jboolean isart,
jint apilevel) {
isArt = isart;
LOGD("vm is: %s , apilevel is: %i", (isArt ? "art" : "dalvik"),
(int )apilevel);
if (isArt) {
return art_setup(env, (int) apilevel);
} else {
return dalvik_setup(env, (int) apilevel);
}
}
具体的虚拟机注册比较复杂，为了简单起见，我们只分析一下dalvik虚拟机的初始化：
extern jboolean __attribute__ ((visibility ("hidden"))) dalvik_setup(
JNIEnv* env, int apilevel) {
//通过dlopen（该方法在系统头文件dlfcn.h中）加载libdvm.so
void* dvm_hand = dlopen("libdvm.so", RTLD_NOW);
//进行Hook
if (dvm_hand) {
dvmDecodeIndirectRef_fnPtr = dvm_dlsym(dvm_hand,
apilevel > 10 ?
"_Z20dvmDecodeIndirectRefP6ThreadP8_jobject" :
"dvmDecodeIndirectRef");
if (!dvmDecodeIndirectRef_fnPtr) {
return JNI_FALSE;
}
dvmThreadSelf_fnPtr = dvm_dlsym(dvm_hand,
apilevel > 10 ? "_Z13dvmThreadSelfv" : "dvmThreadSelf");
if (!dvmThreadSelf_fnPtr) {
return JNI_FALSE;
}
jclass clazz = env->FindClass("java/lang/reflect/Method");
jClassMethod = env->GetMethodID(clazz, "getDeclaringClass",
"()Ljava/lang/Class;");
return JNI_TRUE;
} else {
return JNI_FALSE;
}
}
先来补充一些基本知识：
- 如上图所示，Android虚拟机是有别于Java原生的虚拟机的，它执行的是dex文件而不是class文件。Android虚拟机分为dalvik虚拟机和art虚拟机。
- 虚拟机（进程）启动的时候会加载一个很重要的动态库文件（libdalvik.so或者libart.so）。
- Java在虚拟机环境中执行，每个Java方法都会对应一个底层的函数指针，当Java方法被调用的时候，实质虚拟机会找到这个函数指针然后去执行底层的方法，从而Java方法被执行。
我们回到虚拟机初始化的分析中来，dalvik_setup方法主要做了两个步骤：
- 通过调用dlopen（该方法在系统头文件dlfcn.h中）加载libdvm.so（这个so在APP进程初始化的时候会加载），这个加载是为了下一步的Hook做准备。
- 加载完libdvm.so之后，就可以进行Hook了。在API10以上、以下，Java方法调用的时候会执行不同的底层的系统函数，因此必须Hook不同的系统函数才会有效。Hook成功以后，在这些系统函数调用的时候，就会调用我们自己的代码，进行替换。
我们在loadPatch的时候，最终会调用AndFixManager的fix方法，根据一系列的调用链，最终会调用dalvik_replaceMethod或者art_replaceMethod。下面继续以dalvik虚拟机为例，继续来看dalvik_replaceMethod方法的实现：
extern void __attribute__ ((visibility ("hidden"))) dalvik_replaceMethod(
JNIEnv* env, jobject src, jobject dest) {
jobject clazz = env->CallObjectMethod(dest, jClassMethod);
//我们可以看到刚刚我们Hook成功的两个函数
ClassObject* clz = (ClassObject*) dvmDecodeIndirectRef_fnPtr(dvmThreadSelf_fnPtr(), clazz);
clz->status = CLASS_INITIALIZED;
//进行方法替换
Method* meth = (Method*) env->FromReflectedMethod(src);
Method* target = (Method*) env->FromReflectedMethod(dest);
LOGD("dalvikMethod: %s", meth->name);
// meth->clazz = target->clazz;
meth->accessFlags |= ACC_PUBLIC;
meth->methodIndex = target->methodIndex;
meth->jniArgInfo = target->jniArgInfo;
meth->registersSize = target->registersSize;
meth->outsSize = target->outsSize;
meth->insSize = target->insSize;
meth->prototype = target->prototype;
meth->insns = target->insns;
meth->nativeFunc = target->nativeFunc;
}
这就是AndFix的核心代码了，当BUG方法被底层系统函数调用的时候，我们的Hook的钩子函数就会调用，然后就是进行有BUG与无BUG的Java方法的所有成员的变量替换，达到一个狸猫换太子的目的。
总结一句话就是，通过Hook系统的底层函数，在我们有BUG的Java方法被调用的时候，通过一句“刀下留人”，然后狸猫换太子一样，调用我们已经修复好的方法。
结束语
关于AndFix热修复的使用与分析就到这里了，有一些东西可能解析得不是特别清楚，毕竟这些玩意还是非常深入的，对于我们一般的开发者来说，会使用一些常见的热修复框架即可，无需太过深入。深入分析源码通常来说只是为了我们更好去使用而已。
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