前言
在上一篇文章我们学习了Java的ClassLoader，很多同学会把Java和Android的ClassLoader搞混，甚至会认为Android中的ClassLoader和Java中的ClassLoader是一样的，这显然是不对的。这一篇文章我们就来学习Android中的ClassLoader，来看看它和Java中的ClassLoader有何不同。
1.ClassLoader的类型
我们知道Java中的ClassLoader可以加载jar文件和Class文件（本质是加载Class文件），这一点在Android中并不适用，因为无论是DVM还是ART它们加载的不再是Class文件，而是dex文件，这就需要重新设计ClassLoader相关类，我们先来学习ClassLoader的类型。
Android中的ClassLoader类型和Java中的ClassLoader类型类似，也分为两种类型，分别是系统ClassLoader和自定义ClassLoader。其中系统ClassLoader包括三种分别是BootClassLoader、PathClassLoader和DexClassLoader。
1.1 BootClassLoader
Android系统启动时会使用BootClassLoader来预加载常用类，与Java中的BootClassLoader不同，它并不是由C/C++代码实现，而是由Java实现的，BootClassLoade的代码如下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ClassLoader.java
class BootClassLoader extends ClassLoader {
private static BootClassLoader instance;
@FindBugsSuppressWarnings("DP_CREATE_CLASSLOADER_INSIDE_DO_PRIVILEGED")
public static synchronized BootClassLoader getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new BootClassLoader();
}
return instance;
}
...
}
BootClassLoader是ClassLoader的内部类，并继承自ClassLoader。BootClassLoader是一个单例类，需要注意的是BootClassLoader的访问修饰符是默认的，只有在同一个包中才可以访问，因此我们在应用程序中是无法直接调用的。
1.2 DexClassLoader
DexClassLoader可以加载dex文件以及包含dex的压缩文件（apk和jar文件），不管是加载哪种文件，最终都是要加载dex文件，为了方便理解和叙述，将dex文件以及包含dex的压缩文件统称为dex相关文件。
来查看DexClassLoader的代码，如下所示。
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexClassLoader.java
public class DexClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public DexClassLoader(String dexPath, String optimizedDirectory,
String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, new File(optimizedDirectory), librarySearchPath, parent);
}
}
DexClassLoader的构造方法有四个参数：
- dexPath：dex相关文件路径集合，多个路径用文件分隔符分隔，默认文件分隔符为‘：’
- optimizedDirectory：解压的dex文件存储路径，这个路径必须是一个内部存储路径，一般情况下使用当前应用程序的私有路径：
/data/data/<Package Name>/...。 - librarySearchPath：包含 C/C++ 库的路径集合，多个路径用文件分隔符分隔分割，可以为null。
- parent：父加载器。
DexClassLoader 继承自BaseDexClassLoader ，方法实现都在BaseDexClassLoader中。
1.3 PathClassLoader
Android系统使用PathClassLoader来加载系统类和应用程序的类，来查看它的代码：
libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/PathClassLoader.java
public class PathClassLoader extends BaseDexClassLoader {
public PathClassLoader(String dexPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, null, parent);
}
public PathClassLoader(String dexPath, String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
super(dexPath, null, librarySearchPath, parent);
}
}
PathClassLoader继承自BaseDexClassLoader，实现也都在BaseDexClassLoader中。
PathClassLoader的构造方法中没有参数optimizedDirectory，这是因为PathClassLoader已经默认了参数optimizedDirectory的值为：/data/dalvik-cache，很显然PathClassLoader无法定义解压的dex文件存储路径，因此PathClassLoader通常用来加载已经安装的apk的dex文件(安装的apk的dex文件会存储在/data/dalvik-cache中)。
2.ClassLoader的继承关系
运行一个Android程序需要用到几种类型的类加载器呢？如下所示。
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
ClassLoader loader = MainActivity.class.getClassLoader();
while (loader != null) {
Log.d("liuwangshu",loader.toString());//1
loader = loader.getParent();
}
}
}
首先我们得到MainActivity的类加载器，并在注释1处通过Log打印出来，接着打印出当前类的类加载器的父加载器，直到没有父加载器终止循环。打印结果如下所示。
10-07 07:23:02.835 8272-8272/? D/liuwangshu: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_dependencies_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_0_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_1_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_2_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_3_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_4_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_5_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_6_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_7_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_8_apk.apk", zip file "/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/split_lib_slice_9_apk.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/lib/x86, /vendor/lib, /system/lib]]]
10-07 07:23:02.835 8272-8272/? D/liuwangshu: java.lang.BootClassLoader@e175998
可以看到有两种类加载器，一种是PathClassLoader，另一种则是BootClassLoader。DexPathList中包含了很多apk的路径，其中/data/app/com.example.liuwangshu.moonclassloader-2/base.apk就是示例应用安装在手机上的位置。关于DexPathList后续文章会进行介绍。
和Java中的ClassLoader一样，虽然系统所提供的类加载器有3种类型，但是系统提供的ClassLoader相关类却不只3个。ClassLoader的继承关系如下图所示。
可以看到上面一共有7个ClassLoader相关类，其中有一些和Java中的ClassLoader相关类十分类似，下面简单对它们进行介绍：
- ClassLoader是一个抽象类，其中定义了ClassLoader的主要功能。BootClassLoader是它的内部类。
- SecureClassLoader类和JDK8中的SecureClassLoader类的代码是一样的，它继承了抽象类ClassLoader。SecureClassLoader并不是ClassLoader的实现类，而是拓展了ClassLoader类加入了权限方面的功能，加强了ClassLoader的安全性。
- URLClassLoader类和JDK8中的URLClassLoader类的代码是一样的，它继承自SecureClassLoader，用来通过URl路径从jar文件和文件夹中加载类和资源。
- BaseDexClassLoader继承自ClassLoader，是抽象类ClassLoader的具体实现类，PathClassLoader和DexClassLoader都继承它。
3.BootClassLoader的创建
BootClassLoader是在何时被创建的呢？这得先从Zygote进程开始说起，不了解Zygote进程的可以查看Android系统启动流程（二）解析Zygote进程这篇文章。
ZygoteInit的main方法如下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
public static void main(String argv[]) {
...
try {
...
preload(bootTimingsTraceLog);
...
}
}
main方法是ZygoteInit入口方法，其中调用了ZygoteInit的preload方法，preload方法中又调用了ZygoteInit的preloadClasses方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
private static void preloadClasses() {
final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();
InputStream is;
try {
is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);//1
} catch (FileNotFoundException e) {
Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
return;
}
...
try {
BufferedReader br
= new BufferedReader(new InputStreamReader(is), 256);//2
int count = 0;
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {//3
line = line.trim();
if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
continue;
}
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
try {
if (false) {
Log.v(TAG, "Preloading " + line + "...");
}
Class.forName(line, true, null);//4
count++;
} catch (ClassNotFoundException e) {
Log.w(TAG, "Class not found for preloading: " + line);
}
...
} catch (IOException e) {
Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
} finally {
...
}
}
preloadClasses方法用于Zygote进程初始化时预加载常用类。注释1处将/system/etc/preloaded-classes文件封装成FileInputStream，preloaded-classes文件中存有预加载类的目录，这个文件在系统源码中的路径为frameworks/base/preloaded-classes，这里列举一些preloaded-classes文件中的预加载类名称，如下所示。
android.app.ApplicationLoaders
android.app.ApplicationPackageManager
android.app.ApplicationPackageManager$OnPermissionsChangeListenerDelegate
android.app.ApplicationPackageManager$ResourceName
android.app.ContentProviderHolder
android.app.ContentProviderHolder$1
android.app.ContextImpl
android.app.ContextImpl$ApplicationContentResolver
android.app.DexLoadReporter
android.app.Dialog
android.app.Dialog$ListenersHandler
android.app.DownloadManager
android.app.Fragment
可以看到preloaded-classes文件中的预加载类的名称有很多都是我们非常熟知的。预加载属于拿空间换时间的策略，Zygote环境配置的越健全越通用，应用程序进程需要单独做的事情也就越少，预加载除了预加载类，还有预加载资源和预加载共享库，因为不是本文重点，这里就不在延伸讲下去了。
回到preloadClasses方法的注释2处，将FileInputStream封装为BufferedReader，并注释3处遍历BufferedReader，读出所有预加载类的名称，每读出一个预加载类的名称就调用注释4处的代码加载该类，Class的forName方法如下所示。
libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/Class.java
@CallerSensitive
public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader)
throws ClassNotFoundException
{
if (loader == null) {
loader = BootClassLoader.getInstance();//1
}
Class<?> result;
try {
result = classForName(name, initialize, loader);//2
} catch (ClassNotFoundException e) {
Throwable cause = e.getCause();
if (cause instanceof LinkageError) {
throw (LinkageError) cause;
}
throw e;
}
return result;
}
注释1处创建了BootClassLoader，并将BootClassLoader实例传入到了注释2处的classForName方法中，classForName方法是Native方法，它的实现由c/c++代码来完成，如下所示。
@FastNative
static native Class<?> classForName(String className, boolean shouldInitialize,
ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException;
4.PathClassLoader的创建
PathClassLoader的创建也得从Zygote进程开始说起，Zygote进程启动SyetemServer进程时会调用ZygoteInit的startSystemServer方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
private static boolean startSystemServer(String abiList, String socketName)
throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
...
int pid;
try {
parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);//2
ZygoteConnection.applyDebuggerSystemProperty(parsedArgs);
ZygoteConnection.applyInvokeWithSystemProperty(parsedArgs);
/*1*/
pid = Zygote.forkSystemServer(
parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
parsedArgs.gids,
parsedArgs.debugFlags,
null,
parsedArgs.permittedCapabilities,
parsedArgs.effectiveCapabilities);
} catch (IllegalArgumentException ex) {
throw new RuntimeException(ex);
}
if (pid == 0) {//2
if (hasSecondZygote(abiList)) {
waitForSecondaryZygote(socketName);
}
handleSystemServerProcess(parsedArgs);//3
}
return true;
}
注释1处，Zygote进程通过forkSystemServer方法fork自身创建子进程（SystemServer进程）。注释2处如果forkSystemServer方法返回的pid等于0，说明当前代码是在新创建的SystemServer进程中执行的，接着就会执行注释3处的handleSystemServerProcess方法：
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
private static void handleSystemServerProcess(
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
throws Zygote.MethodAndArgsCaller {
...
if (parsedArgs.invokeWith != null) {
...
} else {
ClassLoader cl = null;
if (systemServerClasspath != null) {
cl = createPathClassLoader(systemServerClasspath, parsedArgs.targetSdkVersion);//1
Thread.currentThread().setContextClassLoader(cl);
}
ZygoteInit.zygoteInit(parsedArgs.targetSdkVersion, parsedArgs.remainingArgs, cl);
}
}
注释1处调用了createPathClassLoader方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java
static PathClassLoader createPathClassLoader(String classPath, int targetSdkVersion) {
String libraryPath = System.getProperty("java.library.path");
return PathClassLoaderFactory.createClassLoader(classPath,
libraryPath,
libraryPath,
ClassLoader.getSystemClassLoader(),
targetSdkVersion,
true /* isNamespaceShared */);
}
createPathClassLoader方法中又会调用PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法，看来PathClassLoader是用工厂来进行创建的。
frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/PathClassLoaderFactory.java
public static PathClassLoader createClassLoader(String dexPath,
String librarySearchPath,
String libraryPermittedPath,
ClassLoader parent,
int targetSdkVersion,
boolean isNamespaceShared) {
PathClassLoader pathClassloader = new PathClassLoader(dexPath, librarySearchPath, parent);
...
return pathClassloader;
}
在PathClassLoaderFactory的createClassLoader方法中会创建PathClassLoader。
结语
在这篇文章中我们学习了Android的ClassLoader的类型、ClassLoader的继承关系以及BootClassLoader和PathClassLoader是何时创建的。BootClassLoader是在Zygote进程的入口方法中创建的，PathClassLoader则是在Zygote进程创建SystemServer进程时创建的。
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