关于 Android中的插件化开发，dex分包，热修复（Tinker）的思考（二）

插件化开发的主要原理就是动态加载技术。上文已经对动态加载DexClassLoader进行了解析今天要讲的是动态加载技术的亲戚 —— MultiDex。他们的核心原理之一都是dex文件的加载。

先来理解概念
MultiDex

MultiDex是Google为了解决“65535方法数超标”以及“INSTALL_FAILED_DEXOPT”问题而开发的一个Support库 这篇博客主要是配合源码分析MultiDex的工作原理，使用方法，以及提供一些MultiDex优化的方案。

实现：
1、通过反射获取PathClassLoader中的DexPathList中的Element数组（已加载了第一个dex包，由系统加载）
2、通过反射获取DexClassLoader中的DexPathList中的Element数组（将第二个dex包加载进去）
3、将两个Element数组合并之后，再将其赋值给PathClassLoader的Element数组
谷歌提供的MultiDex支持库就是按照这个思路来实现的。下面看具体原理。

前言：Dex的工作机制

Android程序的每一个Class都是由ClassLoader#loadClass方法加载进内存的，更准确来说，一个ClassLoader实例会有一个或者多个DexFile实例，调用了ClassLoader#loadClass之后，ClassLoader会通过类名，在自己的DexFile数组里面查找有没有那个DexFile对象里面存在这个类，如果都没有就抛ClassNotFound异常。ClassLoader通过调用DexFile的一个叫defineClass的Native方法去加载指定的类，这点与JVM略有不同，后者是直接调用ClassLoader#defineCLass方法，反正最后实际加载类的方法都叫defineClass就没错了。
我们知道ClassLoader主要是通过DexFile.loadDex这个静态方法来创建它需要的DexFile实例的，这里创建DexFile的时候，保存了Dex文件的文件路径mFileName，同时调用了openDexFile的Native方法打开Dex文件并返回了一个mCookie的整型变量(我不知道这个干啥用的，我猜它是一个C++用的资源句柄，用于Native层访问具体的Dex文件)。在Native层的openDexFile方法里，主要做了检查当前创建来的Dex文件是否是有效的Dex文件，还是是一个带有Dex文件的压缩包，还是一个无效的Dex文件。
加载Dex文件里的类

加载类的时候，ClassLoader又是通过DexFile#loadClass这个方法来完成的，这个方法里调用了defineClass这个Native方法，看来DexFile才是加载Class的具体API，加载Dex文件和加载具体Class都是通过Native方法完成，ClassLoader有点名不副实。
MultiDex的工作机制

当一个Dex文件太肥的时候(方法数目太多、文件太大)，在打包Apk文件的时候就会出问题，就算打包的时候不出问题，在Android 5.0以下设备上安装或运行Apk也会出问题。既然一个Dex文件不行的话，那就把这个硕大的Dex文件拆分成若干个小的Dex文件，刚好一个ClassLoader可以有多个DexFile，这就是MultiDex的基本设计思路。

使用dx进行拆包
这里还有两个两类：一个是自动拆包，一个手动拆包
–multi-dex：多 dex 打包的开关
–main-dex-list=：参数是一个类列表的文件，在该文件中的类会被打包在第一个 dex 中
–minimal-main-dex：只有在–main-dex-list 文件中指定的类被打包在第一个 dex，其余的都在第二个 dex 文件中

打包过程中如何产生多个的DEX包？
如果做到动态加载，怎么决定哪些DEX动态加载呢？
如果启动后在工作线程中做动态加载，如果没有加载完而用户进行页面操作需要使用到动态加载DEX中的class怎么办？
以上疑问，下方链接有解释。
http://yydcdut.com/2016/03/20/split-dex/index.html
http://tech.meituan.com/mt-android-auto-split-dex.html
工作流程

MultiDex的工作流程具体分为两个部分，一个部分是打包构建Apk的时候，将Dex文件拆分成若干个小的Dex文件，这个Android Studio已经帮我们做了(设置 “multiDexEnabled true”)，另一部分就是在启动Apk的时候，同时加载多个Dex文件(具体是加载Dex文件优化后的Odex文件，不过文件名还是.dex)，这一部分工作从Android 5.0开始系统已经帮我们做了，但是在Android 5.0以前还是需要通过MultiDex Support库来支持(MultiDex.install(Context))。
注意：就是Android中在分包之后会有多个dex,但是系统默认会先找到classes.dex文件然后自动加载运行，所以这里就有一个问题，我们需要将一些初始化的重要类放到classes.dex中，不然运行就会报错或者闪退。

首先来看看使用：
1、修改Gradle的配置，支持multidex:

android {
    compileSdkVersion 21
    buildToolsVersion "21.1.0"
    defaultConfig {
        ...
        minSdkVersion 14
        targetSdkVersion 21
        ...
        // Enabling multidex support.
        multiDexEnabled true
    }
    ...
}
dependencies {
  compile 'com.android.support:multidex:1.0.0'
}

在manifest文件中，在application标签下添加MultidexApplication Class的引用，如下所示：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    package="com.ws.android.multidex.myapp">
    <application
        ...
        android:name="android.support.multidex.MultiDexApplication">
        ...
    </application>
</manifest>

看看MultiDexApplication类。

public class MultiDexApplication extends Application {
    public MultiDexApplication() {
    }

    protected void attachBaseContext(Context base) {
        super.attachBaseContext(base);
        MultiDex.install(this);
    }
}

进入MultiDex.install(this)方法。

public static void install(Context context) {
    if(IS_VM_MULTIDEX_CAPABLE) {
        Log.i("MultiDex", "VM has multidex support, MultiDex support library is disabled.");
    // 可以看到，MultiDex不支持SDK版本小于4的系统
    } else if(VERSION.SDK_INT < 4) {
        throw new RuntimeException("Multi dex installation failed. SDK " + VERSION.SDK_INT + " is unsupported. Min SDK version is " + 4 + ".");
    } else {
        try {
            // 获取到应用信息
            ApplicationInfo e = getApplicationInfo(context);
            if(e == null) {
                return;
            }

            Set var2 = installedApk;
            synchronized(installedApk) {
                // 得到我们这个应用的apk文件路径
                // 拿到这个apk文件路径之后，后面就可以从中提取出其他的dex文件
                // 并且加载dex放到一个Element数组中
                String apkPath = e.sourceDir;
                if(installedApk.contains(apkPath)) {
                    return;
                }
                // 将这个apk文件路径放到一个set中
                installedApk.add(apkPath);

                // 得到classLoader，它就是PathClassLoader
                // 后面就可以从这个PathClassLoader中拿到DexPathList中的Element数组
                // 这个数组里面就包括由系统加载第一个dex包
                ClassLoader loader;
                try {
                    loader = context.getClassLoader();
                } catch (RuntimeException var9) {
                    Log.w("MultiDex", "Failure while trying to obtain Context class loader. Must be running in test mode. Skip patching.", var9);
                    return;
                }

                // 得到apk解压后得到的dex文件的存放目录，放到应用的data目录下
                File dexDir = new File(e.dataDir, SECONDARY_FOLDER_NAME);

                // 这个方法就是从apk中提取dex文件，放到data目录下，就不展开了
                List files = MultiDexExtractor.load(context, e, dexDir, false);
                if(checkValidZipFiles(files)) {
                    // 这个方法就是将其他的dex文件注入到系统classloader中的具体操作
                    installSecondaryDexes(loader, dexDir, files);
                } else {
                    files = MultiDexExtractor.load(context, e, dexDir, true);
                    installSecondaryDexes(loader, dexDir, files);
                }
            }
        } catch (Exception var11) {
            Log.e("MultiDex", "Multidex installation failure", var11);
            throw new RuntimeException("Multi dex installation failed (" + var11.getMessage() + ").");
        }
    }
}

下面我们重点看看installSecondaryDexes方法。

// loader对应的就是PathClassLoader
// dexDir是dex的存放目录
// files对应的就是dex文件
private static void installSecondaryDexes(ClassLoader loader, File dexDir, List<File> files) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException, NoSuchFieldException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException, IOException {
    if(!files.isEmpty()) {
        if(VERSION.SDK_INT >= 19) {
            MultiDex.V19.install(loader, files, dexDir);
        } else if(VERSION.SDK_INT >= 14) {
            MultiDex.V14.install(loader, files, dexDir);
        } else {
            MultiDex.V4.install(loader, files);
        }
    }

}

可以看到不同的sdk版本实现是有差别的，因为它里面是使用反射实现的，所以会有不同，我们看看MultiDex.V14.install方法。

private static void install(ClassLoader loader, List<File> additionalClassPathEntries, File optimizedDirectory) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException, NoSuchFieldException, InvocationTargetException, NoSuchMethodException {
    // 这个方法就是使用反射来得到loader的pathList字段
    Field pathListField = MultiDex.findField(loader, "pathList");
    // 得到loader的pathList字段后，我们就可以得到这个字段的值，也就是DexPathList对象
    Object dexPathList = pathListField.get(loader);
    // 这个方法就是将其他的dex文件Element数组和第一个dex的Element数组合并
    // makeDexElements方法就是用来得到其他dex的Elements数组
    MultiDex.expandFieldArray(dexPathList, "dexElements", makeDexElements(dexPathList, new ArrayList(additionalClassPathEntries), optimizedDirectory));
}

下面来看看合并的过程

// instance对应的就是pathList对象
// fieldName 对应的就是字段名，我们要得到的就是pathList对象里面的dexElements数组
// extraElements对应的就是其他dex对应的Element数组
private static void expandFieldArray(Object instance, String fieldName, Object[] extraElements) throws NoSuchFieldException, IllegalArgumentException, IllegalAccessException {
    // 得到Element数组字段
    Field jlrField = findField(instance, fieldName);
    // 得到pathList对象里面的dexElements数组
    Object[] original = (Object[])((Object[])jlrField.get(instance));
    // 创建一个新的数组用来存放合并之后的结果
    Object[] combined = (Object[])((Object[])Array.newInstance(original.getClass().getComponentType(), original.length + extraElements.length));
    // 将第一个dex的Elements数组复制到创建的数组中去
    System.arraycopy(original, 0, combined, 0, original.length);
    // 将其他dex的Elements数组复制到创建的数组中去
    System.arraycopy(extraElements, 0, combined, original.length, extraElements.length);
    // 将得到的这个合并的新数组的值设置到pathList对象的Element数组字段上
    jlrField.set(instance, combined);
}

局限
MultiDex的实现原理已经分析完了。但是目前MultiDex还是有很多局限

1.在应用安装到手机上的时候dex文件的安装是复杂的(complex)有可能会因为第二个dex文件太大导致ANR。请用proguard优化你的代码。
2.使用了mulitDex的App有可能在4.0(api level 14)以前的机器上无法启动，因为Dalvik linearAlloc bug(Issue 22586) 。请多多测试自祈多福。用proguard优化你的代码将减少该bug几率。
3.使用了mulitDex的App在runtime期间有可能因为Dalvik linearAlloc limit (Issue 78035) Crash。该内存分配限制在 4.0版本被增大，但是5.0以下的机器上的Apps依然会存在这个限制。
4.主dex被dalvik虚拟机执行时候，哪些类必须在主dex文件里面这个问题比较复杂。build tools 可以搞定这个问题。但是如果你代码存在反射和native的调用也不保证100%正确。

优化方案
MultiDex有个比较蛋疼的问题，就是会产生明显的卡顿现象，通过上面的分析，我们知道具体的卡顿产生在解压dex文件以及优化dex两个步骤。不过好在，在Application#attachBaseContext(Context)中，UI线程的阻塞是不会引发ANR的，只不过这段长时间的卡顿(白屏)还是会影响用户体验。

PreMultiDex方案
大致思路是，在安装一个新的apk的时候，先在Worker线程里做好MultiDex的解压和Optimize工作，安装apk并启动后，直接使用之前Optimize产生的odex文件，这样就可以避免第一次启动时候的Optimize工作。
安装dex的时候，核心是创建DexFile对象并使用其Native方法对dex文件进行opt处理，同时生产一个与dex文件(.zip)同名的已经opt过的dex文件(.dex)。如果安装dex的时候，这个opt过的dex文件已经存在，则跳过这个过程，这会节省许多耗时。所以优化的思路就是，下载Apk完成的时候，预先解压dex文件，并预先触发安装dex文件以生产opt过的dex文件。这样覆盖安装Apk并启动的时候，如果MultiDex能命中解压好的dex和odex文件，则能避开耗时最大的两个操作。
不过这个方案的缺点也是明显的，第一次安装的apk没有作用，而且事先需要使用内置的apk更新功能把新版本的apk文件下载下来后，才能做PreMultiDex工作。

异步MultiDex方案
这种方案也是目前比较流行的Dex手动分包方案，启动App的时候，先显示一个简单的Splash闪屏界面，然后启动Worker线程执行MultiDex#install(Context)工作，就可以避免UI线程阻塞。不过要确保启动以及启动MultiDex#install(Context)所需要的类都在主dex里面(手动分包)，而且需要处理好进程同步问题。

参考：
http://blog.csdn.net/wangbaochu/article/details/51178881
http://blog.csdn.net/synaric/article/details/53540760
http://blog.csdn.net/hp910315/article/details/51681710