Android中的动态加载机制的学习研究

在目前的软硬件环境下，native app与web app在用户体验上有着明显的优势，但在实际项目中有些会因为业务的频繁变更而频繁的升级客户端，造成较差的用户体验，而这也恰恰是web app的优势。本文对网上android动态加载jar的资料进行梳理和实践在这里与大家一起分享，试图改善频繁升级这一弊病。

android应用开发在一般情况下，常规的开发方式和代码架构就能满足我们的普通需求。但是有些特殊问题，常常引发我们进一步的沉思。我们从沉思中产生顿悟，从而产生新的技术形式。

如何开发一个可以自定义控件的android应用？就像eclipse一样，可以动态加载插件；如何让android应用执行服务器上的不可预知的代码？如何对android应用加密，而只在执行时自解密，从而防止被破解？……

熟悉java技术的朋友，可能意识到，我们需要使用类加载器灵活的加载执行的类。这在java里已经算是一项比较成熟的技术了，但是在android中，我们大多数人都还非常陌生。

类加载机制

dalvik虚拟机如同其他java虚拟机一样，在运行程序时首先需要将对应的类加载到内存中。而在java标准的虚拟机中，类加载可以从class文件中读取，也可以是其他形式的二进制流，因此，我们常常利用这一点，在程序运行时手动加载class，从而达到代码动态加载执行的目的

然而dalvik虚拟机毕竟不算是标准的java虚拟机，因此在类加载机制上，它们有相同的地方，也有不同之处。我们必须区别对待

例如，在使用标准java虚拟机时，我们经常自定义继承自classloader的类加载器。然后通过defineclass方法来从一个二进制流中加载class。然而，这在android里是行不通的，大家就没必要走弯路了。参看源码我们知道，android中classloader的defineclass方法具体是调用vmclassloader的defineclass本地静态方法。而这个本地方法除了抛出一个“unsupportedoperationexception”之外，什么都没做，甚至连返回值都为空

static void dalvik_java_lang_vmclassloader_defineclass(const u4* args,jvalue* presult){ 
  object* loader = (object*) args[0]; 
  stringobject* nameobj = (stringobject*) args[1]; 
  const u1* data = (const u1*) args[2]; 
  int offset = args[3]; 
  int len = args[4]; 
  object* pd = (object*) args[5]; 
  char* name = null; 
  name = dvmcreatecstrfromstring(nameobj); 
  loge("error: defineclass(%p, %s, %p, %d, %d, %p)\n",loader, name, data, offset, len, pd); 
  dvmthrowexception("ljava/lang/unsupportedoperationexception;","can't load this type of class file"); 
  free(name); 
  return_void(); 
} 

dalvik虚拟机类加载机制

那如果在dalvik虚拟机里，classloader不好使，我们如何实现动态加载类呢？android为我们从classloader派生出了两个类：dexclassloader和pathclassloader。其中需要特别说明的是pathclassloader中一段被注释掉的代码：

/* --this doesn't work in current version of dalvik-- 
  if (data != null) { 
    system.out.println("--- found class " + name 
      + " in zip[" + i + "] '" + mzips[i].getname() + "'"); 
    int dotindex = name.lastindexof('.'); 
    if (dotindex != -1) { 
      string packagename = name.substring(0, dotindex); 
      synchronized (this) { 
        package packageobj = getpackage(packagename); 
        if (packageobj == null) { 
          definepackage(packagename, null, null, 
              null, null, null, null, null); 
        } 
      } 
    } 
    return defineclass(name, data, 0, data.length); 
  } 
*/ 

这从另一方面佐证了defineclass函数在dalvik虚拟机里确实是被阉割了。而在这两个继承自classloader的类加载器，本质上是重载了classloader的findclass方法。在执行loadclass时，我们可以参看classloader部分源码：

protected class<?> loadclass(string classname, boolean resolve) throws classnotfoundexception { 
class<?> clazz = findloadedclass(classname); 
  if (clazz == null) { 
    try { 
      clazz = parent.loadclass(classname, false); 
    } catch (classnotfoundexception e) { 
      // don't want to see this. 
    } 
    if (clazz == null) { 
      clazz = findclass(classname); 
    } 
  } 
  return clazz; 
} 

因此dexclassloader和pathclassloader都属于符合双亲委派模型的类加载器（因为它们没有重载loadclass方法）。也就是说，它们在加载一个类之前，回去检查自己以及自己以上的类加载器是否已经加载了这个类。如果已经加载过了，就会直接将之返回，而不会重复加载。

dexclassloader和pathclassloader其实都是通过dexfile这个类来实现类加载的。这里需要顺便提一下的是，dalvik虚拟机识别的是dex文件，而不是class文件。因此，我们供类加载的文件也只能是dex文件，或者包含有dex文件的.apk或.jar文件。

也许有人想到，既然dexfile可以直接加载类，那么我们为什么还要使用classloader的子类呢？dexfile在加载类时，具体是调用成员方法loadclass或者loadclassbinaryname。其中loadclassbinaryname需要将包含包名的类名中的”.”转换为”/”我们看一下loadclass代码就清楚了：

public class loadclass(string name, classloader loader) { 
    string slashname = name.replace('.', '/'); 
    return loadclassbinaryname(slashname, loader); 
} 

在这段代码前有一段注释，截取关键一部分就是说：if you are not calling this from a class loader, this is most likely not going to do what you want. use {@link class#forname(string)} instead. 这就是我们需要使用classloader子类的原因。至于它是如何验证是否是在classloader中调用此方法的，我没有研究，大家如果有兴趣可以继续深入下去。

有一个细节，可能大家不容易注意到。pathclassloader是通过构造函数new dexfile(path)来产生dexfile对象的；而dexclassloader则是通过其静态方法loaddex（path, outpath, 0）得到dexfile对象。这两者的区别在于dexclassloader需要提供一个可写的outpath路径，用来释放.apk包或者.jar包中的dex文件。换个说法来说，就是pathclassloader不能主动从zip包中释放出dex，因此只支持直接操作dex格式文件，或者已经安装的apk（因为已经安装的apk在cache中存在缓存的dex文件）。而dexclassloader可以支持.apk、.jar和.dex文件，并且会在指定的outpath路径释放出dex文件。

另外，pathclassloader在加载类时调用的是dexfile的loadclassbinaryname，而dexclassloader调用的是loadclass。因此，在使用pathclassloader时类全名需要用”/”替换”.”

实际操作

使用到的工具都比较常规：javac、dx、eclipse等其中dx工具最好是指明--no-strict，因为class文件的路径可能不匹配

加载好类后，通常我们可以通过java反射机制来使用这个类但是这样效率相对不高，而且老用反射代码也比较复杂凌乱。更好的做法是定义一个interface，并将这个interface写进容器端。待加载的类，继承自这个interface，并且有一个参数为空的构造函数，以使我们能够通过class的newinstance方法产生对象然后将对象强制转换为interface对象，于是就可以直接调用成员方法了，下面是具体的实现步骤了:

第一步：

编写好动态代码类：

package com.dynamic.interfaces; 
import android.app.activity; 
/** 
 * 动态加载类的接口 
 */ 
public interface idynamic { 
  /**初始化方法*/ 
  public void init(activity activity); 
  /**自定义方法*/ 
  public void showbanner(); 
  public void showdialog(); 
  public void showfullscreen(); 
  public void showappwall(); 
  /**销毁方法*/ 
  public void destory(); 
} 

实现类代码如下：

package com.dynamic.impl; 
 
import android.app.activity; 
import android.widget.toast; 
 
import com.dynamic.interfaces.idynamic; 
 
/** 
 * 动态类的实现 
 * 
 */ 
public class dynamic implements idynamic{ 
 
  private activity mactivity; 
   
  @override 
  public void init(activity activity) { 
    mactivity = activity; 
  } 
   
  @override 
  public void showbanner() { 
    toast.maketext(mactivity, "我是showbannber方法", 1500).show(); 
  } 
 
  @override 
  public void showdialog() { 
    toast.maketext(mactivity, "我是showdialog方法", 1500).show(); 
  } 
 
  @override 
  public void showfullscreen() { 
    toast.maketext(mactivity, "我是showfullscreen方法", 1500).show(); 
  } 
 
  @override 
  public void showappwall() { 
    toast.maketext(mactivity, "我是showappwall方法", 1500).show(); 
  } 
 
  @override 
  public void destory() { 
  } 
 
} 

这样动态类就开发好了

第二步：

将上面开发好的动态类打包成.jar，这里要注意的是只打包实现类dynamic.java，不打包接口类idynamic.java，

然后将打包好的jar文件拷贝到android的安装目录中的platform-tools目录下，使用dx命令:(我的jar文件是dynamic.jar)

dx --dex --output=dynamic_temp.jar dynamic.jar

这样就生成了dynamic_temp.jar，这个jar和dynamic.jar有什么区别呢？

其实这条命令主要做的工作是:首先将dynamic.jar编译成dynamic.dex文件(android虚拟机认识的字节码文件)，然后再将dynamic.dex文件压缩成dynamic_temp.jar，当然你也可以压缩成.zip格式的，或者直接编译成.apk文件都可以的，这个后面会说到。

到这里还不算完事，因为你想想用什么来连接动态类和目标类呢？那就是动态类的接口了，所以这时候还要打个.jar包，这时候只需要打接口类idynamic.java了

然后将这个.jar文件引用到目标类中，下面来看一下目标类的实现：

package com.jiangwei.demo; 
 
import java.io.file; 
import java.util.list; 
 
import android.app.activity; 
import android.content.intent; 
import android.content.pm.activityinfo; 
import android.content.pm.packagemanager; 
import android.content.pm.resolveinfo; 
import android.os.bundle; 
import android.os.environment; 
import android.view.view; 
import android.widget.button; 
import android.widget.toast; 
 
import com.dynamic.interfaces.idynamic; 
 
import dalvik.system.dexclassloader; 
import dalvik.system.pathclassloader; 
 
public class androiddynamicloadclassactivity extends activity { 
   
  //动态类加载接口 
  private idynamic lib; 
   
  @override 
  public void oncreate(bundle savedinstancestate) { 
    super.oncreate(savedinstancestate); 
    setcontentview(r.layout.main); 
    //初始化组件 
    button showbannerbtn = (button) findviewbyid(r.id.show_banner_btn); 
    button showdialogbtn = (button) findviewbyid(r.id.show_dialog_btn); 
    button showfullscreenbtn = (button) findviewbyid(r.id.show_fullscreen_btn); 
    button showappwallbtn = (button) findviewbyid(r.id.show_appwall_btn); 
    /**使用dexclassloader方式加载类*/ 
    //dex压缩文件的路径(可以是apk,jar,zip格式) 
    string dexpath = environment.getexternalstoragedirectory().tostring() + file.separator + "dynamic.apk"; 
    //dex解压释放后的目录 
    //string dexoutputdir = getapplicationinfo().datadir; 
    string dexoutputdirs = environment.getexternalstoragedirectory().tostring(); 
    //定义dexclassloader 
    //第一个参数：是dex压缩文件的路径 
    //第二个参数：是dex解压缩后存放的目录 
    //第三个参数：是c/c++依赖的本地库文件目录,可以为null 
    //第四个参数：是上一级的类加载器 
    dexclassloader cl = new dexclassloader(dexpath,dexoutputdirs,null,getclassloader()); 
     
    /**使用pathclassloader方法加载类*/ 
    //创建一个意图，用来找到指定的apk：这里的"com.dynamic.impl是指定apk中在androidmainfest.xml文件中定义的<action name="com.dynamic.impl"/>  
    intent intent = new intent("com.dynamic.impl", null);  
    //获得包管理器  
    packagemanager pm = getpackagemanager();  
    list<resolveinfo> resolveinfoes = pm.queryintentactivities(intent, 0);  
    //获得指定的activity的信息  
    activityinfo actinfo = resolveinfoes.get(0).activityinfo;  
    //获得apk的目录或者jar的目录  
    string apkpath = actinfo.applicationinfo.sourcedir;  
    //native代码的目录  
    string libpath = actinfo.applicationinfo.nativelibrarydir;  
    //创建类加载器，把dex加载到虚拟机中  
    //第一个参数：是指定apk安装的路径，这个路径要注意只能是通过actinfo.applicationinfo.sourcedir来获取 
    //第二个参数：是c/c++依赖的本地库文件目录,可以为null 
    //第三个参数：是上一级的类加载器 
    pathclassloader pcl = new pathclassloader(apkpath,libpath,this.getclassloader()); 
    //加载类 
    try { 
      //com.dynamic.impl.dynamic是动态类名 
      //使用dexclassloader加载类 
      //class libproviderclazz = cl.loadclass("com.dynamic.impl.dynamic"); 
      //使用pathclassloader加载类 
      class libproviderclazz = pcl.loadclass("com.dynamic.impl.dynamic"); 
      lib = (idynamic)libproviderclazz.newinstance(); 
      if(lib != null){ 
        lib.init(androiddynamicloadclassactivity.this); 
      } 
    } catch (exception exception) { 
      exception.printstacktrace(); 
    } 
    /**下面分别调用动态类中的方法*/ 
    showbannerbtn.setonclicklistener(new view.onclicklistener() { 
      public void onclick(view view) { 
        if(lib != null){ 
          lib.showbanner(); 
        }else{ 
          toast.maketext(getapplicationcontext(), "类加载失败", 1500).show(); 
        } 
      } 
    }); 
    showdialogbtn.setonclicklistener(new view.onclicklistener() { 
      public void onclick(view view) { 
        if(lib != null){ 
          lib.showdialog(); 
        }else{ 
          toast.maketext(getapplicationcontext(), "类加载失败", 1500).show(); 
        } 
      } 
    }); 
    showfullscreenbtn.setonclicklistener(new view.onclicklistener() { 
      public void onclick(view view) { 
        if(lib != null){ 
          lib.showfullscreen(); 
        }else{ 
          toast.maketext(getapplicationcontext(), "类加载失败", 1500).show(); 
        } 
      } 
    }); 
    showappwallbtn.setonclicklistener(new view.onclicklistener() { 
      public void onclick(view view) { 
        if(lib != null){ 
          lib.showappwall(); 
        }else{ 
          toast.maketext(getapplicationcontext(), "类加载失败", 1500).show(); 
        } 
      } 
    }); 
  } 
} 

这里面定义了一个idynamic接口变量，同时使用了dexclassloader和pathclassloader来加载类，这里面先来说一说

dexclassloader方式加载:
//定义dexclassloader 
//第一个参数：是dex压缩文件的路径 
//第二个参数：是dex解压缩后存放的目录 
//第三个参数：是c/c++依赖的本地库文件目录,可以为null 
//第四个参数：是上一级的类加载器 
dexclassloader cl = new dexclassloader(dexpath,dexoutputdirs,null,getclassloader()); 

上面已经说了，dexclassloader是继承classloader类的，这里面的参数说明：

第一个参数是:dex压缩文件的路径:这个就是我们将上面编译后的dynamic_temp.jar存放的目录，当然也可以是.zip和.apk格式的

第二个参数是:dex解压后存放的目录:这个就是将.jar,.zip,.apk文件解压出的dex文件存放的目录，这个就和pathclassloader方法有区别了，同时你也可以看到pathclassloader方法中没有这个参数，这个也真是这两个类的区别:

pathclassloader不能主动从zip包中释放出dex，因此只支持直接操作dex格式文件，或者已经安装的apk（因为已经安装的apk在手机的data/dalvik目录中存在缓存的dex文件）。而dexclassloader可以支持.apk、.jar和.dex文件，并且会在指定的outpath路径释放出dex文件。

然而我们可以通过dexclassloader方法指定解压后的dex文件的存放目录，但是我们一般不这么做，因为这样做无疑的暴露了dex文件，所以我们一般不会将.jar/.zip/.apk压缩文件存放到用户可以察觉到的位置，同时解压dex的目录也是不能让用户看到的。

第三个参数和第四个参数用到的不是很多，所以这里就不做太多的解释了。

这里还要注意一点就是pathclassloader方法的时候，第一个参数是dex存放的路径，这里传递的是:

//获得apk的目录或者jar的目录  
string apkpath = actinfo.applicationinfo.sourcedir;  

指定的apk安装路径,这个值只能这样获取，不然会加载类失败的

第三步：

运行目标类:

要做的工作是:

如果用的是dexclassloader方式加载类:这时候需要将.jar或者.zip或者.apk文件放到指定的目录中，我这里为了方便就放到sd卡的根目录中

如果用的是pathclassloader方法加载类:这时候需要先将dynamic.apk安装到手机中，不然找不到这个activity，同时要注意的是:

//创建一个意图，用来找到指定的apk：这里的"com.dynamic.impl是指定apk中在androidmainfest.xml文件中定义的<action name="com.dynamic.impl"/>  
intent intent = new intent("com.dynamic.impl", null);  

这里的com.dynamic.impl是一个action需要在指定的apk中定义，这个名称是动态apk和目标apk之间约定好的
运行结果

点击showbanner显示一个toast，成功的运行了动态类中的代码！

其实更好的办法就是将动态的.jar.zip.apk文件从网络上获取，安全可靠，同时本地的目标项目不需要改动代码就可以执行不同的逻辑了

关于代码加密的一些设想

最初设想将dex文件加密，然后通过jni将解密代码写在native层。解密之后直接传上二进制流，再通过defineclass将类加载到内存中。

现在也可以这样做，但是由于不能直接使用defineclass，而必须传文件路径给dalvik虚拟机内核，因此解密后的文件需要写到磁盘上，增加了被破解的风险。

dalvik虚拟机内核仅支持从dex文件加载类的方式是不灵活的，由于没有非常深入的研究内核，我不能确定是dalvik虚拟机本身不支持还是android在移植时将其阉割了。不过相信dalvik或者是android开源项目都正在向能够支持raw数据定义类方向努力。

我们可以在文档中看到google说：jar or apk file with "classes.dex". (may expand this to include "raw dex" in the future.)；在android的dalvik源码中我们也能看到rawdexfile的身影（不过没有具体实现）

在rawdexfile出来之前，我们都只能使用这种存在一定风险的加密方式。需要注意释放的dex文件路径及权限管理，另外，在加载完毕类之后，除非出于其他目的否则应该马上删除临时的解密文件。