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作者: 小龍五 | 来源:发表于2019-01-04 17:18 被阅读7次

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      - ### 增量更新

    #### 热修复简介

    热修复:热修复(也称热补丁、热修复补丁,英语:hotfix)是一种包含信息的独立的累积更新包,通常表现为一个或多个文件。这被用来解决软件产品的问题(例如一个程序错误)。 —— 维基百科

    #### 技术原理及特点

    代码修复主要有三个方案,分别是底层替换方案、类加载方案和Instant Run方案

    - ##### 类加载方案

      类加载方案基于Dex分包方案,什么是Dex分包方案呢?这个得先从65536限制和LinearAlloc限制说起。

    **65536限制**

    随着应用功能越来越复杂,代码量不断地增大,引入的库也越来越多,可能会在编译时提示如下异常:

    ```

    com.android.dex.DexIndexOverflowException: method ID not in [0, 0xffff]: 65536

    ```

    这说明应用中引用的方法数超过了最大数65536个。产生这一问题的原因就是系统的65536限制,65536限制的主要原因是DVM Bytecode的限制,DVM指令集的方法调用指令invoke-kind索引为16bits,最多能引用 65535个方法。

    **LinearAlloc限制**

    在安装时可能会提示INSTALL_FAILED_DEXOPT。产生的原因就是LinearAlloc限制,DVM中的LinearAlloc是一个固定的缓存区,当方法数过多超出了缓存区的大小时会报错。

    为了解决65536限制和LinearAlloc限制,从而产生了Dex分包方案。Dex分包方案主要做的是在打包时将应用代码分成多个Dex,将应用启动时必须用到的类和这些类的直接引用类放到主Dex中,其他代码放到次Dex中。当应用启动时先加载主Dex,等到应用启动后再动态的加载次Dex,从而缓解了主Dex的65536限制和LinearAlloc限制。

    Dex分包方案主要有两种,分别是Google官方方案、Dex自动拆包和动态加载方案。因为Dex分包方案不是本章的重点,这里就不再过多的介绍,我们接着来学习类加载方案。

    ClassLoader的加载过程,其中一个环节就是调用DexPathList的findClass的方法,如下所示。

    libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java

    ```

    public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {

            for (Element element : dexElements) {//1

                Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);//2

                if (clazz != null) {

                    return clazz;

                }

            }

            if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {

                suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));

            }

            return null;

        }

    ```

    Element内部封装了DexFile,DexFile用于加载dex文件,因此每个dex文件对应一个Element。

    多个Element组成了有序的Element数组dexElements。当要查找类时,会在注释1处遍历Element数组dexElements(相当于遍历dex文件数组),注释2处调用Element的findClass方法,其方法内部会调用DexFile的loadClassBinaryName方法查找类。如果在Element中(dex文件)找到了该类就返回,如果没有找到就接着在下一个Element中进行查找。

    根据上面的查找流程,我们将有bug的类Key.class进行修改,再将Key.class打包成包含dex的补丁包Patch.jar,放在Element数组dexElements的第一个元素,这样会首先找到Patch.dex中的Key.class去替换之前存在bug的Key.class,排在数组后面的dex文件中的存在bug的Key.class根据ClassLoader的双亲委托模式就不会被加载,这就是类加载方案,如下图所示。

    类加载方案需要重启App后让ClassLoader重新加载新的类,为什么需要重启呢?这是因为类是无法被卸载的,因此要想重新加载新的类就需要重启App,因此采用类加载方案的热修复框架是不能即时生效的。

    虽然很多热修复框架采用了类加载方案,但具体的实现细节和步骤还是有一些区别的,比如QQ空间的超级补丁和Nuwa是按照上面说得将补丁包放在Element数组的第一个元素得到优先加载。微信Tinker将新旧apk做了diff,得到patch.dex,然后将patch.dex与手机中apk的classes.dex做合并,生成新的classes.dex,然后在运行时通过反射将classes.dex放在Element数组的第一个元素。饿了么的Amigo则是将补丁包中每个dex 对应的Element取出来,之后组成新的Element数组,在运行时通过反射用新的Element数组替换掉现有的Element 数组。

    采用类加载方案的主要是以腾讯系为主,包括微信的Tinker、QQ空间的超级补丁、手机QQ的QFix、饿了么的Amigo和Nuwa等等。

    - ##### 底层替换方案

    与类加载方案不同的是,底层替换方案不会再次加载新类,而是直接在Native层修改原有类,由于是在原有类进行修改限制会比较多,不能够增减原有类的方法和字段,如果我们增加了方法数,那么方法索引数也会增加,这样访问方法时会无法通过索引找到正确的方法,同样的字段也是类似的情况。

    底层替换方案和反射的原理有些关联,就拿方法替换来说,方法反射我们可以调用java.lang.Class.getDeclaredMethod,假设我们要反射Key的show方法,会调用如下所示。

    ```

      Key.class.getDeclaredMethod("show").invoke(Key.class.newInstance());

    ```

    Android 8.0的invoke方法,如下所示。

    libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/reflect/Method.java

    ```

        @FastNative

        public native Object invoke(Object obj, Object... args)

                throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException;

    ```

    invoke方法是个native方法,对应Jni层的代码为:

    art/runtime/native/java_lang_reflect_Method.cc

    ```

    static jobject Method_invoke(JNIEnv* env, jobject javaMethod, jobject javaReceiver,

                                jobject javaArgs) {

      ScopedFastNativeObjectAccess soa(env);

      return InvokeMethod(soa, javaMethod, javaReceiver, javaArgs);

    Method_invoke函数中又调用了InvokeMethod函数:

    art/runtime/reflection.cc

    jobject InvokeMethod(const ScopedObjectAccessAlreadyRunnable& soa, jobject javaMethod,

                        jobject javaReceiver, jobject javaArgs, size_t num_frames) {

    ...

      ObjPtr<mirror::Executable> executable = soa.Decode<mirror::Executable>(javaMethod);

      const bool accessible = executable->IsAccessible();

      ArtMethod* m = executable->GetArtMethod();//1

    ...

    }

    ```

    注释1处获取传入的javaMethod(Key的show方法)在ART虚拟机中对应的一个ArtMethod指针,ArtMethod结构体中包含了Java方法的所有信息,包括执行入口、访问权限、所属类和代码执行地址等等,ArtMethod结构如下所示。

    art/runtime/art_method.h

    ```

    class ArtMethod FINAL {

    ...

    protected:

      GcRoot<mirror::Class> declaring_class_;

      std::atomic<std::uint32_t> access_flags_;

      uint32_t dex_code_item_offset_;

      uint32_t dex_method_index_;

      uint16_t method_index_;

      uint16_t hotness_count_;

    struct PtrSizedFields {

        ArtMethod** dex_cache_resolved_methods_;//1

        void* data_;

        void* entry_point_from_quick_compiled_code_;//2

      } ptr_sized_fields_;

    }

    ```

    ArtMethod结构中比较重要的字段是注释1处的dex_cache_resolved_methods_和注释2处的entry_point_from_quick_compiled_code_,它们是方法的执行入口,当我们调用某一个方法时(比如Key的show方法),就会取得show方法的执行入口,通过执行入口就可以跳过去执行show方法。

    替换ArtMethod结构体中的字段或者替换整个ArtMethod结构体,这就是底层替换方案。

    AndFix采用的是替换ArtMethod结构体中的字段,这样会有兼容问题,因为厂商可能会修改ArtMethod结构体,导致方法替换失败。Sophix采用的是替换整个ArtMethod结构体,这样不会存在兼容问题。

    底层替换方案直接替换了方法,可以立即生效不需要重启。采用底层替换方案主要是阿里系为主,包括AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix。

    - ##### Instant Run方案

    除了资源修复,代码修复同样也可以借鉴Instant Run的原理, 可以说Instant Run的出现推动了热修复框架的发展。

    Instant Run在第一次构建apk时,使用ASM在每一个方法中注入了类似如下的代码:

    ```

    IncrementalChange localIncrementalChange = $change;//1

    if (localIncrementalChange != null) {//2

    localIncrementalChange.access$dispatch(

    "onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V", new Object[] { this,

    paramBundle });

    return;

    }

    ```

    其中注释1处是一个成员变量localIncrementalChange ,它的值为$change,$change实现了IncrementalChange这个抽象接口。当我们点击InstantRun时,如果方法没有变化则$change为null,就调用return,不做任何处理。如果方法有变化,就生成替换类,这里我们假设MainActivity的onCreate方法做了修改,就会生成替换类MainActivity$override,这个类实现了IncrementalChange接口,同时也会生成一个AppPatchesLoaderImpl类,这个类的getPatchedClasses方法会返回被修改的类的列表(里面包含了MainActivity),根据列表会将MainActivity的$change设置为MainActivity$override,因此满足了注释2的条件,会执行MainActivity$override的access$dispatch方法,accessdispatch方法中会根据参数&quot;onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V&quot;执行‘MainActivity dispatch方法中会根据参数&quot;onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V&quot;执行`MainActivitydispatch方法中会根据参数"onCreate.(Landroid/os/Bundle;)V"执行‘MainActivityoverride`的onCreate方法,从而实现了onCreate方法的修改。

    借鉴Instant Run的原理的热修复框架有Robust和Aceso。

    ---------------------

    #### 热修复框架分类

    | 类别  | 成员 |

    |-------|:---:|

    | 阿里系  | AndFix、Dexposed、阿里百川、Sophix |

    | 腾讯系 | 微信的Tinker、QQ空间的超级补丁、手机QQ的QFix  |

    | 其他  | 美团的Robust、饿了么的Amigo、美丽说蘑菇街的Aceso等等  |

    ---------------------

    #### 热修复框架对比

    | 特性  | AndFix | Tinker    | QQ空间  |Robust/Aceso|

    |-------|:---:|:------:|:------:| :-------: |

    | 即时生效  |  &#10003; |  &#10005;  |  &#10005;    |  &#10003;  |

    | 方法替换  | &#10003; | &#10003;    | &#10003; |  &#10003;  |

    | 类替换 |  &#10005; | &#10003;      | &#10003;  |  &#10005; |

    | 类结构修改  |    &#10005; |  &#10003; |    &#10005;  |  &#10005;  |

    | 资源替换  |    &#10005; |  &#10003;  |  &#10003;  |  &#10005; |

    | so替换  |  &#10005;  |  &#10003;  |    &#10005;  |    &#10005; |

    | 支持gralde  |  &#10005;  |  &#10003;  |    &#10005;  |    &#10005; |

    ---------------------

    - #### Tinker框架解析

    ![tinker](https://github.com/Tencent/tinker/blob/master/assets/tinker.png) 

    https://github.com/xiaolongwuhpu/TestBugly

    #### 增量更新

    - ##### 准备

      * **工具** 

      apk文件的差分、合成,可以通过 开源的二进制比较工具 bsdiff 来实现,又因为bsdiff依赖bzip2,所以我们还需要用到 bzip2

      bsdiff中,bsdiff.c 用于生成差分包,bspatch.c 用于合成文件。 

    [bsdiff官网下载地址](http://www.daemonology.net/bsdiff/) 

        [bzip2-1.0.6下载地址](http://www.bzip.org/downloads.html)

      * **增量更新三部曲**

      1. 生成两个版本apk的差分包; 

      2. 在手机客户端,使用已安装的apk与这个差分包进行合成,得到新版的apk; 

      3. 校验新合成的apk文件是否完整,MD5或SHA1是否正确,如正确,则引导用户安装;

      *  **环境配置** 

    创建一个工程,勾选Include C++ Support,Android Studio会在main目录创建cpp文件夹,里边有个native-lib.cpp的C++文件;在app目录还有个CMakeLists.txt文件;在module的build.gradle中标示了采用CMake构建方式,并设置CMakeLists.txt路径。

    *  **过程分析** 

    这一步需要在服务器端来实现,一般来说,每当apk有新版本需要提示用户升级,都需要运营人员在后台管理端上传新apk,上传时就应该由程序生成与之前所有旧版本们与最新版的差分包。

    例如: 你的apk已经发布了3个版,V1.0、V2.0、V3.0,这时候你要在后台发布V4.0,那么,当你在服务器上传最新的V4.0包时,服务器端就应该立即生成以下差分包:

    V1.0 ——> V4.0的差分包; 

    V2.0 ——> V4.0的差分包; 

    V3.0 ——> V4.0的差分包; 

    生成patch包直接略过...

    * **合成新的APK步骤** 

    根据cpp/bspatch.c文件定义的JNI

    创建BsPatchJNI.java,用来合成增量文件

    public class BsPatchJNI {

        static {

            System.loadLibrary("bspatch");

        }

        /**

        * 将增量文件合成为新的Apk

        * @param oldApkPath 当前Apk路径

        * @param newApkPath 合成后的Apk保存路径

        * @param patchPath 增量文件路径

        * @return

        */

        public static native int patch(String oldApkPath, String newApkPath, String patchPath);

    }

    在MainActivity中使用:

    public class MainActivity extends AppCompatActivity {

        public static final String SDCARD_PATH = Environment.getExternalStorageDirectory() + File.separator;

        public static final String PATCH_FILE = "old-to-new.patch";

        public static final String NEW_APK_FILE = "new.apk";

        @Override

        protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

            super.onCreate(savedInstanceState);

            setContentView(R.layout.activity_main);

            findViewById(R.id.btn_main).setOnClickListener(new View.OnClickListener() {

                @Override

                public void onClick(View v) {

                    //并行任务

                    new ApkUpdateTask().executeOnExecutor(AsyncTask.THREAD_POOL_EXECUTOR);

                }

            });

        }

        /**

        * 合并增量文件任务

        */

        private class ApkUpdateTask extends AsyncTask<Void, Void, Boolean> {

            @Override

            protected Boolean doInBackground(Void... params) {

                String oldApkPath = ApkUtils.getCurApkPath(MainActivity.this);

                File oldApkFile = new File(oldApkPath);

                File patchFile = new File(getPatchFilePath());

                if(oldApkFile.exists() && patchFile.exists()) {

                    Log("正在合并增量文件...");

                    String newApkPath = getNewApkFilePath();

                    BsPatchJNI.patch(oldApkPath, newApkPath, getPatchFilePath());

    //                //检验文件MD5值

    //                return Signtils.checkMd5(oldApkFile, MD5);

                    Log("增量文件的MD5值为:" + SignUtils.getMd5ByFile(patchFile));

                    Log("新文件的MD5值为:" + SignUtils.getMd5ByFile(new File(newApkPath)));

                    return true;

                }

                return false;

            }

            @Override

            protected void onPostExecute(Boolean result) {

                super.onPostExecute(result);

                if(result) {

                    Log("合并成功,开始安装");

                    ApkUtils.installApk(MainActivity.this, getNewApkFilePath());

                } else {

                    Log("合并失败");

                }

            }

        }

        private String getPatchFilePath() {

            return SDCARD_PATH + PATCH_FILE;

        }

        private String getNewApkFilePath() {

            return SDCARD_PATH + NEW_APK_FILE;

        }

        /**

        * 打印日志

        * @param log

        */

        private void Log(String log) {

            Log.e("MainActivity", log);

        }

    }

    创建ApkUtils.java,用来获取当前Apk路径和安装新的Apk文件

    public class ApkUtils {

        /**

        * 获取当前应用的Apk路径

        * @param context 上下文

        * @return

        */

        public static String getCurApkPath(Context context) {

            context = context.getApplicationContext();

            ApplicationInfo applicationInfo = context.getApplicationInfo();

            String apkPath = applicationInfo.sourceDir;

            return apkPath;

        }

        /**

        * 安装Apk

        * @param context 上下文

        * @param apkPath Apk路径

        */

        public static void installApk(Context context, String apkPath) {

            File file = new File(apkPath);

            if(file.exists()) {

                Intent intent = new Intent(Intent.ACTION_VIEW);

                intent.setFlags(Intent.FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK);

                intent.setDataAndType(Uri.fromFile(file), "application/vnd.android.package-archive");

                context.startActivity(intent);

            }

        }

    }

    创建SignUtils.java,用来校验增量文件和合成的新Apk文件MD5值是否与服务器给的值相同

    public class SignUtils {

        /**

        * 判断文件的MD5值是否为指定值

        * @param file1

        * @param md5

        * @return

        */

        public static boolean checkMd5(File file1, String md5) {

            if(TextUtils.isEmpty(md5)) {

                throw new RuntimeException("md5 cannot be empty");

            }

            if(file1 != null && file1.exists()) {

                String file1Md5 = getMd5ByFile(file1);

                return file1Md5.equals(md5);

            }

            return false;

        }

        /**

        * 获取文件的MD5值

        * @param file

        * @return

        */

        public static String getMd5ByFile(File file) {

            String value = null;

            FileInputStream in = null;

            try {

                in = new FileInputStream(file);

                MessageDigest digester = MessageDigest.getInstance("MD5");

                byte[] bytes = new byte[8192];

                int byteCount;

                while ((byteCount = in.read(bytes)) > 0) {

                    digester.update(bytes, 0, byteCount);

                }

                value = bytes2Hex(digester.digest());

            } catch (Exception e) {

                e.printStackTrace();

            } finally {

                if (null != in) {

                    try {

                        in.close();

                    } catch (IOException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            }

            return value;

        }

        private static String bytes2Hex(byte[] src) {

            char[] res = new char[src.length * 2];

            final char hexDigits[] = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'};

            for (int i = 0, j = 0; i < src.length; i++) {

                res[j++] = hexDigits[src[i] >>> 4 & 0x0f];

                res[j++] = hexDigits[src[i] & 0x0f];

            }

            return new String(res);

        }

    }

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