Android 热修复技术中的CLASS_ISPREVERIFIED问题

一、前言

上一篇博客中，我们通过介绍dex分包原理引出了Android的热补丁技术，而现在我们将解决两个问题。 
1. 怎么将修复后的Bug类打包成dex 
2. 怎么将外部的dex插入到ClassLoader中

二、建立测试Demo

2.1 目录结构

2.2 源码

activity_main.xml

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<RelativeLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    android:paddingBottom="@dimen/activity_vertical_margin"
    android:paddingLeft="@dimen/activity_horizontal_margin"
    android:paddingRight="@dimen/activity_horizontal_margin"
    android:paddingTop="@dimen/activity_vertical_margin"
    tools:context=".MainActivity">

    <Button
        android:layout_width="wrap_content"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:onClick="click"
        android:text="小喵叫一声"/>
</RelativeLayout>

MainActivity.class

package com.aitsuki.bugfix;

import android.os.Bundle;
import android.support.v7.app.AppCompatActivity;
import android.view.View;
import android.widget.Toast;
import com.aitsuki.bugfix.animal.Cat;

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private Cat mCat;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        mCat = new Cat();
    }

    public void click(View view) {
        Toast.makeText(this, mCat.say(),Toast.LENGTH_SHORT).show();
    }
}

Cat.class

package com.aitsuki.bugfix.animal;

/**
 * Created by AItsuki on 2016/3/14.
 */
public class Cat {
    public String say() {
        return "汪汪汪！";
    }
}

2.3 运行结果

假设这是我们公司的开发项目，刚刚上线就发现了严重bug，猫会狗叫。 
想修复bug，让用户再立刻更新一次显然很不友好，此时热补丁修复技术就有用了。

三、制作补丁

在加载dex的代码之前，我们先来制作补丁。 
1. 首先我们将Cat类修复，汪汪汪改成喵喵喵，然后重新编译项目。（Rebuild一下就行了） 
2. 去保存项目的地方，将Cat.class文件拷贝出来，在这里 
 
3. 新建文件夹，要和该Cat.class文件的包名一致，然后将Cat.class复制到这里，如图 
 
4. 命令行进入到图中的test目录，运行一下命令，打包补丁。如图： 
 
然后test目录是这样的 
 
patch_dex.jar就是我们打包好的补丁了，我们将它放到sdCard中，待会从这里加载补丁。

关于什么用这么复杂的方法打包补丁的说明： 
你也可以直接将java文件拷出来，通过javac -d带包编译再转成jar。 
但我这么麻烦是有原因的，因为用这种方法你可能会遇到ParseException，原因是jar包版本和dx工具版本不一致。 
而从项目中直接将编译好的class直接转成jar就没问题，因为java会向下兼容，打出来的jar包和class版本是一致的。 
总而言之，dx版本要和class编译版本对应。

四、加载补丁

4.1 思路

通过上一篇博文，我们知道dex保存在这个位置 
BaseDexClassLoader–>pathList–>dexElements

1. apk的classes.dex可以从应用本身的DexClassLoader中获取。
2. path_dex的dex需要new一个DexClassLoader加载后再获取。
3. 分别通过反射取出dex文件，重新合并成一个数组，然后赋值给盈通本身的ClassLoader的dexElements

4.2 代码实现

加载外部dex，我们可以在Application中操作。 
首先新建一个HotPatchApplication，然后在清单文件中配置，顺便加上读取sdcard的权限，因为补丁就保存在那里。

HotPatchApplication代码如下：

package com.aitsuki.hotpatchdemo;

import android.app.Application;
import android.os.Environment;
import android.util.Log;
import java.io.File;
import java.lang.reflect.Array;
import java.lang.reflect.Field;
import dalvik.system.DexClassLoader;

/**
 * Created by hp on 2016/4/6.
 */
public class HotPatchApplication extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();

        // 获取补丁，如果存在就执行注入操作
        String dexPath = Environment.getExternalStorageDirectory().getAbsolutePath().concat("/patch_dex.jar");
        File file = new File(dexPath);
        if (file.exists()) {
            inject(dexPath);
        } else {
            Log.e("BugFixApplication", dexPath + "不存在");
        }
    }

    /**
     * 要注入的dex的路径
     *
     * @param path
     */
    private void inject(String path) {
        try {
            // 获取classes的dexElements
            Class<?> cl = Class.forName("dalvik.system.BaseDexClassLoader");
            Object pathList = getField(cl, "pathList", getClassLoader());
            Object baseElements = getField(pathList.getClass(), "dexElements", pathList);

            // 获取patch_dex的dexElements（需要先加载dex）
            String dexopt = getDir("dexopt", 0).getAbsolutePath();
            DexClassLoader dexClassLoader = new DexClassLoader(path, dexopt, dexopt, getClassLoader());
            Object obj = getField(cl, "pathList", dexClassLoader);
            Object dexElements = getField(obj.getClass(), "dexElements", obj);

            // 合并两个Elements
            Object combineElements = combineArray(dexElements, baseElements);

            // 将合并后的Element数组重新赋值给app的classLoader
            setField(pathList.getClass(), "dexElements", pathList, combineElements);

            //======== 以下是测试是否成功注入 =================
            Object object = getField(pathList.getClass(), "dexElements", pathList);
            int length = Array.getLength(object);
            Log.e("BugFixApplication", "length = " + length);

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 通过反射获取对象的属性值
     */
    private Object getField(Class<?> cl, String fieldName, Object object) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = cl.getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        return field.get(object);
    }

    /**
     * 通过反射设置对象的属性值
     */
    private void setField(Class<?> cl, String fieldName, Object object, Object value) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = cl.getDeclaredField(fieldName);
        field.setAccessible(true);
        field.set(object, value);
    }

    /**
     * 通过反射合并两个数组
     */
    private Object combineArray(Object firstArr, Object secondArr) {
        int firstLength = Array.getLength(firstArr);
        int secondLength = Array.getLength(secondArr);
        int length = firstLength + secondLength;

        Class<?> componentType = firstArr.getClass().getComponentType();
        Object newArr = Array.newInstance(componentType, length);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            if (i < firstLength) {
                Array.set(newArr, i, Array.get(firstArr, i));
            } else {
                Array.set(newArr, i, Array.get(secondArr, i - firstLength));
            }
        }
        return newArr;
    }

}

五、CLASS_ISPREVERIFIED

运行一下Demo，报以下错误。（AndroidStudio 2.0可能不会报错，需要打包的时候才会出现错误，这是Instant run导致的） 
 
dexElements的length = 2，看来我们的patch_dex已经成功添加进去了。 
但是从黄色框框和黄色框上面那一段log提示中可以看出，MainActivity引用了Cat，但是发现他们在不同的Dex中。

看到这里可能就会问： 
为什么之前那么多项目都采用分包方案，但是却不会出现这个错误呢？ 
我在这里总结了一个过程，想知道详细分析过程的请看QQ空间开发团队的原文。

1. 在apk安装的时候，虚拟机会将dex优化成odex后才拿去执行。在这个过程中会对所有class一个校验。
2. 校验方式：假设A该类在它的static方法，private方法，构造函数，override方法中直接引用到B类。如果A类和B类在同一个dex中，那么A类就会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标记
3. 被打上这个标记的类不能引用其他dex中的类，否则就会报图中的错误
4. 在我们的Demo中，MainActivity和Cat本身是在同一个dex中的，所以MainActivity被打上了CLASS_ISPREVERIFIED。而我们修复bug的时候却引用了另外一个dex的Cat.class，所以这里就报错了
5. 而普通分包方案则不会出现这个错误，因为引用和被引用的两个类一开始就不在同一个dex中，所以校验的时候并不会被打上CLASS_ISPREVERIFIED
6. 补充一下第二条：A类如果还引用了一个C类，而C类在其他dex中，那么A类并不会被打上标记。换句话说，只要在static方法，构造方法，private方法，override方法中直接引用了其他dex中的类，那么这个类就不会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标记。

5.1 解决方案

根据上面的第六条，我们只要让所有类都引用其他dex中的某个类就可以了。

下面是QQ控件给出的解决方案 

1. 在所有类的构造函数中插入这行代码 System.out.println(AntilazyLoad.class); 
   这样当安装apk的时候，classes.dex内的类都会引用一个在不相同dex中的AntilazyLoad类，这样就防止了类被打上CLASS_ISPREVERIFIED的标志了，只要没被打上这个标志的类都可以进行打补丁操作。
2. hack.dex在应用启动的时候就要先加载出来，不然AntilazyLoad类会被标记为不存在，即使后面再加载hack.dex，AntilazyLoad类还是会提示不存在。该类只要一次找不到，那么就会永远被标上找不到的标记了。
3. 我们一般在Application中执行dex的注入操作，所以在Application的构造中不能加上System.out.println(AntilazyLoad.class);这行代码，因为此时hack.dex还没有加载进来，AntilazyLoad并不存在。
4. 之所以选择构造函数是因为他不增加方法数，一个类即使没有显式的构造函数，也会有一个隐式的默认构造函数。

5.2 插入代码的难点

1. 首先在源码中手动插入不太可行，hack.dex此时并没有加载进来，AntilazyLoad.class并不存在，编译不通过。
2. 所以我们需要在源码编译成字节码之后，在字节码中进行插入操作。对字节码进行操作的框架有很多，但是比较常用的则是ASM和javaassist
3. 但AndroidStudio是使用Gradle构建项目，编译-打包都是自动化的。

六、写在后面

其实整个热补丁技术最难的地方不是原理，不是注入dex，而是字节码的注入。 
这需要我们队Gradle构建脚本，Groovy语言有一定的了解。其中的知识量实在是太过庞大，这里推荐几篇博文预习一下。 
Gradle学习系列之一——Gradle快速入门 
深入理解Android之Gradle——by 阿拉神农