Android系统下的动态Dex加载

1 问题
在Android系统中，一个App的所有代码都在一个Dex文件里面。Dex是一个类似Jar的存
储了多有Java编译字节码的归档文件。因为Android系统使用Dalvik虚拟机，所以需要把
使用Java Compiler编译之后的class文件转换成Dalvik能够执行的class文件。这里需要强
调的是，Dex和Jar一样是一个归档文件，里面仍然是Java代码对应的字节码文件。
当Android系统启动一个应用的时候，有一步是对Dex进行优化，这个过程有一个专门的
工具来处理，叫DexOpt。DexOpt的执行过程是在第一次加载Dex文件的时候执行的。这
个过程会生成一个ODEX文件，即Optimised Dex。执行ODex的效率会比直接执行Dex文
件的效率要高很多。但是在早期的Android系统中，DexOpt有一个问题，也就是这篇文
章想要说明并解决的问题。DexOpt会把每一个类的方法id检索起来，存在一个链表结构
里面。但是这个链表的长度是用一个short类型来保存的，导致了方法id的数目不能够超过
65536个。当一个项目足够大的时候，显然这个方法数的上限是不够的。尽管在新版本的
Android系统中，DexOpt修复了这个问题，但是我们仍然需要对老系统做兼容。
2 思路
一种有效的解决思路是把Dex文件分割成多个较小的Dex。这就如同很多项目会把自己分
割成多个Jar文件一样，不同的功能在不同的Jar文件里面，通过一些配置和额外的操作，
可以让虚拟机有选择性的加载Jar文件。但是在Android系统中，一个应用是只允许有一
个Dex文件的。也就是说在编译期的时候，所有的Jar文件最终会被合并成一个Dex文件。
我们没有办法在Apk文件里面打包两个Dex，让DexOpt分别对两个Dex文件做处理，而
Android系统也不会同时为一个Apk加载两个Dex。
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2.1 动态加载
如果我们把Dex分成多个文件，然后在程序运行的时候，再把多的那几个动态的加载进来
是否可行呢？也就是说我们能否在运行时阶段把代码加入虚拟机中。对于虚拟机来说，其
实所有的代码都是在运行时被加载进来的。而不同于C语言还存在着静态链接。虚拟机在
所有Java代码执行之前被启动，然后开始把字节码加载到环境中执行，我们可以理解成所
有的代码都是动态加载到虚拟机里的。
而说到加载，不得不说的是ClassLoader。它的工作就是加载.class文件。在Android的
Dalvik环境中，对应的是DexClassLoader，它们的功能是完全一样的。ClassLoader的
一大特点就是它是一个树状结构。每个ClassLoader都有一个父亲ClassLoader。也就是
说，ClassLoader不是把所有的Class放到一个巨大的数组或别的什么数据结构中来处理。
ClassLoader在加载一个Jar中的类的时候，需要制定另一个ClassLoader作为父亲节点，
当我们需要通过ClassLoader得到一个类类型的时候，ClassLoader会把请求优先交给父
亲ClassLoader来处理，而父亲ClassLoader又会交给它的父亲，一直到根ClassLoader。
如果根ClassLoader有这个类，而返回这个类的类类型，否则把这个请求交给这个请求的
来源子ClassLoader。这是一种向上传递，向下分发的机制。这种情况下，对于调用着来
说，子ClassLoader永远都是包含最多Class的ClassLoader。有一点我们需要注意，父亲
ClassLoader只会向请求来源分发自己的处理结果。所以如果来源是自己，那么如果没有
请求类它就会返回空，而不是遍历所有子ClassLoader去请求是否有被请求的类。
在Android系统中，对于一个应用来说，其实有两个ClassLoader，一个是SystemClassLoader，这个ClassLoader里面除了Java标准的类库之外，还有一个android.jar，所有
Android Framework层的类都在这里。而另外一个重要的ClassLoader就是基于Android
Context的ClassLoader。所有属于当前应用的类都是用这个ClassLoader来加载的，我们
可以在Android源码中看到，所有的Activity，Service，View都是使用这个ClassLoader
来反射并创建的。我们暂时把它叫做ContextClassLoader。
3 加载外部Dex
3.1 构建一个Dex文件
这一步并不复杂，首先我们把所需要的.class文件或者是Jar文件和一些源码一起编译生
成一个Jar文件。然后使用Android SDK提供的dx工具把Jar文件转成Dex文件。我们可以
提前对它进行ODex操作，让它在被DexClassLoader加载的时候，跳过DexOpt的部分工
作，从而加快加载的过程。
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3.2 DexClassLoader
现在的工作就是在运行时加载这个Dex文件了。我们可以在Application启动的onCreate
方法里面加载Dex，但是如果你的Dex太大，那么它会让你的App启动变慢。我们也可以
使用线程去加载，但我们必须保证加载完成之后再进行某个外部类的请求。当然也可以真
正等到需要某个外部类的时候再进行Dex加载。这根本上取决于Dex文件本身的大小，太
大了可以预加载，而比较小可以等到实际需要的时候再加载。我们暂且把这个加载了外部
Dex的ClassLoader成为ExternalClassLoader
上面我们提到了树形结构和系统中的多个ClassLoader，当我们加载外部Dex的时候，我
们是否需要指定一个父ClassLoader呢？我们当然需要一个父ClassLoader，否则我们ExternalClassLoader连一些基本的Java类都没有，它根本不可能成功的加载一个Dex。进一
步的，我们要选择哪一个ClassLoader来作为我们的父亲呢？是SystemClassLoader还是
ExternalClassLoader？这是根据情况来定的，如果外部的Dex文件里没有任何和Android
相关的代码，那么SystemClassLoader是我们的首选，否则我们就应该用ContextClassLoader。如果是后者的情况，我们的树可以被看成一个链表。
3.3 外部的View, Acitivity等
我们知道，我们编写的四大组建都不是由我们自己来创建的，是由系统来给我们构造并
管理其生命周期的。那么这个过程是什么样的呢？拿Activity来举例，我们需要通过调用
当前Activity/Context的startActivity，传入一个Intent来调用启动一个新的Activity。系
统有一个ActivityManager来处理这里的逻辑。这里的逻辑相当的复杂，但简单来说，
ActivityManager会收到并处理这个Intent，从而决定是是启动一个新的，还是把旧的放
到前台。它会先查找这个Activity在哪个应用里面，这是通过扫描每个应用的AndroidManifest来确定。这些信息是在PackageManager里面被检索的。总之如果这个Activity
不再任何的manifest里面，它就不可能被启动。所以仅有一个Activity类是不够的，我们
需要在manifest里面声明它。
上面是Activity的情况，Service之类的也是同理。那么View怎么办？尽管我们可以直接创
建View，但是大部分的View都不是我们创建的，而是通过XML布局文件Inflate出来的。
也就是说，我们在XML定义了一些外部Dex里面的View，那么显然这个XML是不能被成
功的Inflate的。因为除非系统会使用我们的ExternalClassLoader，否则它肯定是找不到
我们的类的：ContextClassLoader里面并没有外部Dex中的类。
也就是说问题的根本在于，对于那些Android系统为我们创建的对象，它是不能包含在外
部Dex里面的。而Android系统中大部分的组建类的生命周期都交给了系统来管理。我们
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不可能自己来创建这些类对象。那么另一种思路：我们是不是可以通过使用我们的ExternalClassLoader来代替ContextClassLoader呢？尽管系统的ContextClassLoader是私有
的，但是我们可以通过反射强制的把它替换成我们的ExternalClassLoader。而对于那些
外部的组建（Activity等），尽管我们没有它们的类，但是并不影响我们在AndroidManifest里面声明这个Activity。因为Android系统只是把它作为一个检索，并不会真正检查它
里面的组建是不是真的在虚拟机环境中已经被加载了，只有真正使用Intent启动某个组建
的时候才会去检查。而只要我们保证这个时候我们已经加载了外部的ClassLoader，那么
这个组建就可以被正常的启动。
还有一点，除了我们要为外部可能有的组建在AndroidManifest里面做声明一外，那些外
部组建可能用到的权限我们也需要一一声明，例如如果外部Activity使用了相机功能，那
么如果我们的Manifest里面没有声明使用相机功能的权限的话，即便这个Activity能成功
为加载出来，仍然是不能使用的。
4 核心代码段
加载外部Dex
mClassLoader = new DexClassLoader ( f . getAbsolutePath ( ) ,
mContext . getCacheDir ( ) . getAbsolutePath ( ) ,
null , mContext . getClassLoader ( ) ) ;
让系统使用ExternalClassLoader
t r y {
F ie ld mMainThread = ge t F ie ld ( A c t i v i t y . class , ”mMainThread”) ;
Object mainThread = mMainThread . get ( a c t i v i t y ) ;
Class t hreadClass = mainThread . get Class ( ) ;
F ie ld mPackages = ge t F ie ld ( threadClass , ”mPackages”) ;
WeakReference<?> r e f ;
Map< St ring , ?> map =(Map< St ring , ? >) mPackages . get (mainThread ) ;
r e f = (WeakReference<? >) map . get (mContext . getPackageName ( ) ) ;
Object apk = r e f . get ( ) ;
Class apkClass = apk . get Class ( ) ;
F ie ld mClassLoader = ge t F ie ld ( apkClass , ”mClassLoader”) ;
mClassLoader . set (apk , classLoader ) ;
} catch ( I llegalArgument Except ion e) {
i f (DEBUG) {
e . print St ackTrace ( ) ;
}
} catch ( I llega lAc c essEx c ept ion e) {
i f (DEBUG) {
4
e . print St ackTrace ( ) ;
}
}
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