修改可发Android插件化原理分析(基于Neptune框架)

作者: Android高级工程师 | 来源:发表于2019-05-14 17:55 被阅读0次

前言

Android插件化不算是一门新技术，发展了有一些年头了。不同公司的插件化方案大体原理上很相似。本文通过阅读爱奇艺的Neptune框架来介绍插件化的整体思路和流程。

插件化基础知识点

插件应用安装

所谓的插件其实本质上也是一个apk。在原生的Android应用中，apk在运行时会被映射成一个LoadedApk对象。插件在安装之后也会被映射成类似的PluginLoadedApk对象，统一管理插件的相关信息。

public class PluginLoadedApk {
    public static final ConcurrentMap<String, Vector<Method>> sMethods = new ConcurrentHashMap<String, Vector<Method>>(1);
    private static final String TAG = "PluginLoadedApk";
    /* 保存注入到宿主ClassLoader的插件 */
    private static Set<String> sInjectedPlugins = Collections.synchronizedSet(new HashSet<String>());
    /* 保存所有的插件ClassLoader */
    private static Map<String, DexClassLoader> sAllPluginClassLoader = new ConcurrentHashMap<>();

    /* 宿主的Context */
    private final Context mHostContext;
    /* 宿主的ClassLoader */
    private final ClassLoader mHostClassLoader;
    /* 宿主的Resource对象 */
    private final Resources mHostResource;
    /* 宿主的包名 */
    private final String mHostPackageName;
    /* 插件的路径 */
    private final String mPluginPath;
    /* 插件运行的进程名 */
    private final String mProcessName;
    /* 插件ClassLoader的parent */
    private ClassLoader mParent;
    /* 插件的类加载器 */
    private DexClassLoader mPluginClassLoader;
    /* 插件的Resource对象 */
    private Resources mPluginResource;
    /* 插件的AssetManager对象 */
    private AssetManager mPluginAssetManager;
    /* 插件的全局默认主题 */
    private Resources.Theme mPluginTheme;
    /* 插件的详细信息，主要通过解析AndroidManifest.xml获得 */
    private PluginPackageInfo mPluginPackageInfo;
    /* 插件工程的包名 */
    private String mPluginPackageName;
    /* 插件的Application */
    private Application mPluginApplication;
    /* 自定义插件Context,主要用来改写其中的一些方法从而改变插件行为 */
    private PluginContextWrapper mPluginAppContext;
    /* 自定义Instrumentation，对Activity跳转进行拦截 */
    private PluginInstrument mPluginInstrument;
    ...
}

插件的安装分为内置插件（asset目录，sdcard）和线上插件两部分。

内置插件：
- 约定存放在assets/pluginapp/<plugin_pkg_name>.apk形式，安装时解压到/data/data/<host_pkg_name>/app_pluginapp目录
- sdcard插件，允许调试模式下安装，以<plugin_pkg_name>.apk命名

线上插件：直接将插件下载到sdcard目录上，然后拷贝到/data/data/<host_pkg_name>/app_pluginapp目录下；为了减少拷贝操作，可以直接下载到/data/data/<hots_pkg_name>/app_pluginapp目录；

插件的安装通过运行在独立进程的Service完成，主要防止部分机型dexopt hang住主进程。

dexopt

Android根据系统版本不同会采用两种虚拟机。Dalvik虚拟机是JIT方式解释执行dex字节码；ART虚拟机是AOT方式将dex字节码转化为oat机器码。

Dalvik是运行时解释dex文件，安装比较快，开启应用比较慢，应用占用空间小
ART是安装的时候字节码预编译成机器码存储在本地，执行的时候直接就可以运行的，安装慢，开启应用快，占用空间大；

如果当前运行在Dalvik虚拟机下，Dalvik会对classes.dex进行一次“翻译”，“翻译”的过程也就是守护进程installd的函数dexopt来对dex字节码进行优化，实际上也就是由dex文件生成odex文件，最终odex文件被保存在手机的VM缓存目录data/dalvik-cache下（注意！这里所生成的odex文件依旧是以dex为后缀名，格式如：system@priv-app@Settings@Settings.apk@classes.dex）。如果当前运行于ART模式下， ART同样会在首次进入系统的时候调用/system/bin/dexopt（此处应该是dex2oat工具吧）工具来将dex字节码翻译成本地机器码，保存在data/dalvik-cache下。那么这里需要注意的是，无论是对dex字节码进行优化，还是将dex字节码翻译成本地机器码，最终得到的结果都是保存在相同名称的一个odex文件里面的，但是前者对应的是一个.dex文件（表示这是一个优化过的dex），后者对应的是一个.oat文件。通过这种方式，原来任何通过绝对路径引用了该odex文件的代码就都不需要修改了。由于在系统首次启动时会对应用进行安装，那么在预置APK比较多的情况下，将会大大增加系统首次启动的时间。
对于插件安装来说，插件的安装通过运行在独立进程的Service完成，主要防止部分机型dexopt hang住主进程。

插件安装过程主要执行以下几步：

拷贝apk到内置存储区，重命名为<plugin_pkg_name>.apk
解压apk中的so库到app_pluginapp/<plugin_pkg_name>/lib目录
dexopt优化插件dex，Android 7.0以上第一次会使用解释模式执行dex，优化加载速度

类加载

image.png

Java中的类都是通过ClassLoader加载的，而Android中类的加载也离不开ClassLoadder。在Android系统中，主要的ClassLoader有三个：

BootClassLoader：Android系统启动时用来预加载常用的类
PathClassLoader：用来加载系统和应用程序中的类，如果是非系统应用程序类，则会加载/data/app目录下的dex、apk或jar文件
DexClassLoader：可以加载指定路径的dex、apk或jar文件，支持从SD卡进行加载，是插件化的技术基础

类加载的双亲委派机制

某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

关于插件中类的加载机制有两种处理方式，一种是单类加载机制，另一种是多类加载机制；单类加载器机制，即所有插件APP的类都通过宿主的ClassLoader（即PathClassLoader）进行加载，与MultiDex、Qzone热修复技术类似，通过Dex前插后者后插的方式实现。采用单类加载器模型，随着业务团队和插件的增加，很容易出现类重复问题，无法保证所有类都是独一无二的。多类加载器机制是指每个插件都由一个新的类加载器实例来加载，组件间的类是完全隔离，不能直接互相访问。

利用ClassLoader的双亲委派机制，多类加载有两种思路：

自定义代理的ClassLoader设置为PathClassLoader的父类加载器，那么自定义的类加载器就能代理所有的类加载行为；在代理ClassLoader内部做类加载的逻辑分发，先尝试从宿主的ClassLoader加载，再尝试插件的ClassLoader加载。(好处：只需要在启动时hook ClassLoader，添加DelegateClassLoader，后续的类加载由DelegateClassLoader分发；对于未加载的插件，可以通过包名匹配，先触发插件加载，再加载类)
每个PluginLoadedApk维护一个PluginClassLoader实例，其父ClassLoader是PathClassLoader；在类加载时，先尝试从宿主的ClassLoader加载，再尝试本插件的ClassLoader加载。（好处：每个插件维护自己的PluginLoadedApk，不存在分发，类隔离做的更好）

资源加载

Android APP运行除了类还有资源，运行时需要加载资源；对于Android来说，资源是通过AssetManager和Resources这两个类管理。App在运行时查找资源是通过当前Context的Resource实例中查找，在Resource内部是通过AssetManager管理当前的资源，AssetManager维护了资源包路径的数组。插件化的原理，就是将插件的资源路径添加到AssetManager的资源路径数组中，通过反射AssetManager的隐藏方法addAssetPath实现插件资源的加载。

try{
    AssetManager am = AssetManager.class.newInstance();
    Method addAssetPath = AssetManager.class.getDeclaredMethod("addAssetPath", String.class);
    addAssetPath.setAccessible(true);
    addAssetPath.invoke(am, pluginApkPath);
    Resources pluginResources = new Resources(am, hostResource.getDisplayMetrics(), hostResources.getConfiguration());
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

各种插件化方案的资源加载原理都是一样，区别主要在于不同插件的资源管理，是公用一套资源还是插件独立资源，插件和宿主的资源访问ID冲突问题。

公用一套资源需要采用固定资源id及ID分段机制避免冲突
独立资源方案，不同插件管理自己的资源

插件化中资源使用限制

限制：插件不能使用自己的转场动画，只能使用宿主、系统定义的转场动画。

转场动画最终会调用到IActivityManager,发起IPC请求，与AMS交互

    public void overridePendingTransition(IBinder token, String packageName,
            int enterAnim, int exitAnim) throws RemoteException;

Apk打包流程

先附上两张Android原生打包流程图

image.png

在插件编译打包时，需要完成以下几件事：

插件的资源和宿主的资源通过不同的资源分段区分
在插件化中，如果插件需要引用宿主的资源，则需要将宿主的资源id进行固定
处理插件aapt的编译产物，不将宿主的资源打入apk中
处理Manifest文件，将占坑的四大组件写入Manifest文件中
在字节码层面对代码做修改

Hook点

Hook MergeResources Task，将public.xml文件拷贝至资源merge完成的目录
Hook ProcessAndroidResources Task，修改生成的arsc文件。
Hook ManifestProcessorTask，在Manifest中插入特定信息。
Hook dexTask/Transform，最源代码的修改

四大组件的插件化

Activity的插件化

Activity启动可以分为两个阶段：往AMS发起启动Activity的请求、AMS校验后执行Activity启动。

往AMS发起请求

image.png

在Android 8.0（api 26）以下，应用往AMS发起启动Activity请求的流程如上。在Android 8.0及以上版本，AMN、AMP已经被弃用，而是使用ActivityManager类；

Hook点：

Hook Instrumentation类，代理execStartActivity方法
Hook AMN（<26）/ActivityManager（>=26），动态代理IActivityManager接口的实例对象

AMS校验后启动Activity

image.png

Android P(api 28)对Activity的启动过程做了修改；在Android P之前，是在H类的handleMessage方法的switch分支语句中，有专门处理启动Activity的逻辑

 public void handleMessage(Message msg) {
            switch (msg.what) {
                case LAUNCH_ACTIVITY: {
                    final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;

                    r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
                            r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
                    handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
                } break;
            
            //以下省略很多代码
            }
        }

在Android P中，启动Activity的这部分逻辑，被转移到了LaunchActivityItem类的execute方法中

public class LaunchActivityItem extends ClientTransactionItem {

    @Override
    public void execute(ClientTransactionHandler client, IBinder token,
            PendingTransactionActions pendingActions) {
        ActivityClientRecord r = new ActivityClientRecord(token, mIntent, mIdent, mInfo,
                mOverrideConfig, mCompatInfo, mReferrer, mVoiceInteractor, mState, mPersistentState,
                mPendingResults, mPendingNewIntents, mIsForward,
                mProfilerInfo, client);
        client.handleLaunchActivity(r, pendingActions, null /* customIntent */);
    }
}

Android P把H类中的100-109这10个消息都删除了，取而代之的是159这个消息，名为EXECUTE_TRANSACTION。收敛了Activity相关的message分发。

Hook点：

Hook H类，将占坑Activity替换成真实的Activity（需要做Android P的适配）
Hook Instrumentation类，替换成自定义的Instrument，重写newActivity、callActivityOnCreate等方法

Service的插件化

Service启动可以分为两个阶段：往AMS发起启动Service的请求、AMS校验后执行Service启动。

往AMS发起启动Service的请求

image.png

在Android 8.0（api 26）以下，应用往AMS发起启动Service请求的流程如上。在Android 8.0及以上版本，AMN、AMP已经被弃用，而是使用ActivityManager类。

Hook点

Hook ContextWrapper；替换成自定义的ContextWrapper，将Service替换成占坑的Service
Hook AMN（<26）/ActivityManager（>=26），动态代理IActivityManager接口的实例对象

修改可发Android插件化原理分析(基于Neptune框架)

前言

插件化基础知识点

插件应用安装

dexopt

类加载

类加载的双亲委派机制

资源加载

插件化中资源使用限制

Apk打包流程

Hook点

四大组件的插件化

Activity的插件化

往AMS发起请求

Hook点：

AMS校验后启动Activity

Hook点：

往AMS发起启动Service的请求

Hook点

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