热修复之原理2

1.热修复框架的对比？

热修复框架的种类繁多，按照公司团队划分主要有以下几种：

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
知名公司 美团的Robust、饿了么的Amigo、美丽说蘑菇街的Aceso
其他 RocooFix、Nuwa、AnoleFix

虽然热修复框架很多，但热修复框架的核心技术主要有三类，分别是代码修复、资源修复和动态链接库修复。

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。
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2.1 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。
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_;
}
 

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。


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。

3.3 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‘MainActivitydispatch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。
 

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代码修复
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。

3.1 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
1
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。

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 在Android解析ClassLoader（二）Android中的ClassLoader中讲到了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。

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。
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三、阿里百川HotFix
阿里百川推出的热修复HotFix服务，相对于QQ空间超级补丁技术和微信Tinker来说，定位于紧急BUG修复的场景下，能够最及时的修复BUG，下拉补丁立即生效无需等待。
图片描述
1、AndFix实现原理
AndFix不同于QQ空间超级补丁技术和微信Tinker通过增加或替换整个DEX的方案，提供了一种运行时在Native修改Filed指针的方式，实现方法的替换，达到即时生效无需重启，对应用无性能消耗的目的。
原理图如下：
图片描述
2、AndFix实现过程

对于实现方法的替换，需要在Native层操作，经过三个步骤：
图片描述
接下来以Dalvik设备为例，来分析具体的实现过程：

AndFix对ART设备同样支持，具体的过程与Dalvik相似，这里不再赘述。

从技术原理，不难看出阿里百川HotFix的几个特点：

优势：

    1. BUG修复的即时性

    2. 补丁包同样采用差量技术，生成的PATCH体积小

    3. 对应用无侵入，几乎无性能损耗
      不足：

    4. 不支持新增字段，以及修改<init>方法，也不支持对资源的替换。

    5. 由于厂商的自定义ROM，对少数机型暂不支持。

二、微信Tinker
微信针对QQ空间超级补丁技术的不足提出了一个提供DEX差量包，整体替换DEX的方案。主要的原理是与QQ空间超级补丁技术基本相同，

区别在于不再将patch.dex增加到elements数组中，而是差量的方式给出patch.dex，然后将patch.dex与应用的classes.dex合并，

然后整体替换掉旧的class.dex文件，以达到修复的目的。
图片描述
我们来逆向微信的APK看一下具体的实现：

从代码中可以看到， 通过反射 操作得到PathClassLoader的DexPatchList, 反射调用patchlist的makeDexElements()方法，

把本地的dex文件直接替换到Element[]数组中去，达到修复的目的。

对于如何进行patch.dex与classes.dex的合并操作，这里微信开启了一个新的进程，开启新进程的服务TinkerPatchService 进行合并。
图片描述
整体的流程如下：
图片描述
从流程图来看，同样可以很明显的找到这种方式的特点：
       优势：

    1. 合成整包，不用在构造函数插入代码，防止verify，verify和opt在编译期间就已经完成，不会在运行期间进行。

    2. 性能提高。兼容性和稳定性比较高。

    3. 开发者透明，不需要对包进行额外处理。

         不足：

    1. 与超级补丁技术一样，不支持即时生效，必须通过重启应用的方式才能生效。

    2. 需要给应用开启新的进程才能进行合并，并且很容易因为内存消耗等原因合并失败。

    3. 合并时占用额外磁盘空间，对于多DEX的应用来说，如果修改了多个DEX文件，就需要下发多个patch.dex与对应的classes.dex进行合并操作时这种情况会更严重，因此合并过程的失败率也会更高。

一、QQ空间超级补丁技术
超级补丁技术基于DEX分包方案，使用了多DEX加载的原理，大致的过程就是：把BUG方法修复以后，放到一个单独的DEX里，插入到dexElements数组的最前面，让虚拟机去加载修复完后的方法。
图片描述
当patch.dex中包含Test.class时就会优先加载，在后续的DEX中遇到Test.class的话就会直接返回而不去加载，这样就达到了修复的目的。

但是有一个问题是，当两个调用关系的类不在同一个DEX时，就会产生异常报错。我们知道，在APK安装时，虚拟机需要将classes.dex优化成odex文件，然后才会执行。在这个过程中，会进行类的verify操作，如果调用关系的类都在同一个DEX中的话就会被打上CLASS_ISPREVERIFIED的标志，然后才会写入odex文件。

所以，为了可以正常地进行打补丁修复，必须避免类被打上CLASS_ISPREVERIFIED标志，具体的做法就是单独放一个类在另外DEX中，让其他类调用。

修复的步骤为：

  1. 可以看出是通过获取到当前应用的Classloader，即为BaseDexClassloader

  2. 通过反射获取到他的DexPathList属性对象pathList

  3. 通过反射调用pathList的dexElements方法把patch.dex转化为Element[]

  4. 两个Element[]进行合并，把patch.dex放到最前面去

  5. 加载Element[]，达到修复目的

整体的流程图如下：
图片描述
从流程图来看，可以很明显的找到这种方式的特点：
优势：

  1. 没有合成整包（和微信Tinker比起来），产物比较小，比较灵活

  2. 可以实现类替换，兼容性高。（某些三星手机不起作用）
    不足：

  3. 不支持即时生效，必须通过重启才能生效。

  4. 为了实现修复这个过程，必须在应用中加入两个dex!dalvikhack.dex中只有一个类，对性能影响不大，但是对于patch.dex来说，修复的类到了一定数量，就需要花不少的时间加载。对手淘这种航母级应用来说，启动耗时增加2s以上是不能够接受的事。

  5. 在ART模式下，如果类修改了结构，就会出现内存错乱的问题。为了解决这个问题，就必须把所有相关的调用类、父类子类等等全部加载到patch.dex中，导致补丁包异常的大，进一步增加应用启动加载的时候，耗时更加严重。

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