Android類動態加載技術

Android應用開發在一般情況下，常規的開發方式和代碼架構就能滿足我們的普通需求。但是有些特殊問題，常常引發我們進一步的沉思。我們從沉思中產生頓悟，從而產生新的技術形式。

如何開發一個可以自定義控件的Android應用？就像eclipse一樣，可以動態加載插件；如何讓Android應用執行服務器上的不可預知的代碼？如何對Android應用加密，而只在執行時自解密，從而防止被破解？……

熟悉Java技術的朋友，可能意識到，我們需要使用類加載器靈活的加載執行的類。這在Java裡已經算是一項比較成熟的技術了，但是在Android中，我們大多數人都還非常陌生。

類加載機制

       Dalvik虛擬機如同其他Java虛擬機一樣，在運行程序時首先需要將對應的類加載到內存中。而在Java標准的虛擬機中，類加載可以從class文件中讀取，也可以是其他形式的二進制流。因此，我們常常利用這一點，在程序運行時手動加載Class，從而達到代碼動態加載執行的目的。

       然而Dalvik虛擬機畢竟不算是標准的Java虛擬機，因此在類加載機制上，它們有相同的地方，也有不同之處。我們必須區別對待。

       例如，在使用標准Java虛擬機時，我們經常自定義繼承自ClassLoader的類加載器。然後通過defineClass方法來從一個二進制流中加載Class。然而，這在Android裡是行不通的，大家就沒必要走彎路了。參看源碼我們知道，Android中ClassLoader的defineClass方法具體是調用VMClassLoader的defineClass本地靜態方法。而這個本地方法除了拋出一個“UnsupportedOperationException”之外，什麼都沒做，甚至連返回值都為空。

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虛擬機類加載機制

       那如果在Dalvik虛擬機裡，ClassLoader不好使，我們如何實現動態加載類呢？Android為我們從ClassLoader派生出了兩個類：DexClassLoader和PathClassLoader。其中需要特別說明的是PathClassLoader中一段被注釋掉的代碼：

這從另一方面佐證了defineClass函數在Dalvik虛擬機裡確實是被閹割了。而在這兩個繼承自ClassLoader的類加載器，本質上是重載了ClassLoader的findClass方法。在執行loadClass時，我們可以參看ClassLoader部分源碼：

/**//* --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);  
 
    }  
 
*/ 
 

因此DexClassLoader和PathClassLoader都屬於符合雙親委派模型的類加載器（因為它們沒有重載loadClass方法）。也就是說，它們在加載一個類之前，回去檢查自己以及自己以上的類加載器是否已經加載了這個類。如果已經加載過了，就會直接將之返回，而不會重復加載。

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;  
 
} 

       DexClassLoader和PathClassLoader其實都是通過DexFile這個類來實現類加載的。這裡需要順便提一下的是，Dalvik虛擬機識別的是dex文件，而不是class文件。因此，我們供類加載的文件也只能是dex文件，或者包含有dex文件的.apk或.jar文件。

        也許有人想到，既然DexFile可以直接加載類，那麼我們為什麼還要使用ClassLoader的子類呢？DexFile在加載類時，具體是調用成員方法loadClass或者loadClassBinaryName。其中loadClassBinaryName需要將包含包名的類名中的”.”轉換為”/”。我們看一下loadClass代碼就清楚了：
       在這段代碼前有一段注釋，截取關鍵一部分就是說：If you are not calling this from a class loader, this is most likely not going to do what you want. Use [email protected] Class#forName(String)} instead. 這就是我們需要使用ClassLoader子類的原因。至於它是如何驗證是否是在ClassLoader中調用此方法的，我沒有研究，大家如果有興趣可以繼續深入下去。

 
public Class loadClass(String name, ClassLoader loader) {  
 
        String slashName = name.replace('.', '/');  
 
        return loadClassBinaryName(slashName, loader);  
 
} 

       有一個細節，可能大家不容易注意到。PathClassLoader是通過構造函數new DexFile(path)來產生DexFile對象的；而DexClassLoader則是通過其靜態方法loadDex（path, outpath, 0）得到DexFile對象。這兩者的區別在於DexClassLoader需要提供一個可寫的outpath路徑，用來釋放.apk包或者.jar包中的dex文件。換個說法來說，就是PathClassLoader不能主動從zip包中釋放出dex，因此只支持直接操作dex格式文件，或者已經安裝的apk（因為已經安裝的apk在cache中存在緩存的dex文件）。而DexClassLoader可以支持.apk、.jar和.dex文件，並且會在指定的outpath路徑釋放出dex文件。

       另外，PathClassLoader在加載類時調用的是DexFile的loadClassBinaryName，而DexClassLoader調用的是loadClass。因此，在使用PathClassLoader時類全名需要用”/”替換”.”。

實際操作

       這一部分比較簡單，因此我就不贅言了。只是簡單的說下。

       可能使用到的工具都比較常規：javac、dx、eclipse等。其中dx工具最好是指明--no-strict，因為class文件的路徑可能不匹配。

       加載好類後，通常我們可以通過Java反射機制來使用這個類。但是這樣效率相對不高，而且老用反射代碼也比較復雜凌亂。更好的做法是定義一個interface，並將這個interface寫進容器端。待加載的類，繼承自這個interface，並且有一個參數為空的構造函數，以使我們能夠通過Class的newInstance方法產生對象。然後將對象強制轉換為interface對象，於是就可以直接調用成員方法了。

關於代碼加密的一些設想

       最初設想將dex文件加密，然後通過JNI將解密代碼寫在Native層。解密之後直接傳上二進制流，再通過defineClass將類加載到內存中。

       現在也可以這樣做，但是由於不能直接使用defineClass，而必須傳文件路徑給dalvik虛擬機內核，因此解密後的文件需要寫到磁盤上，增加了被破解的風險。

       Dalvik虛擬機內核僅支持從dex文件加載類的方式是不靈活的，由於沒有非常深入的研究內核，我不能確定是Dalvik虛擬機本身不支持還是Android在移植時將其閹割了。不過相信Dalvik或者是Android開源項目都正在向能夠支持raw數據定義類方向努力。

       我們可以在文檔中看到Google說：Jar or APK file with "classes.dex". (May expand this to include "raw DEX" in the future.)；在Android的Dalvik源碼中我們也能看到RawDexFile的身影（不過沒有具體實現）。

       在RawDexFile出來之前，我們都只能使用這種存在一定風險的加密方式。需要注意釋放的dex文件路徑及權限管理，另外，在加載完畢類之後，除非出於其他目的否則應該馬上刪除臨時的解密文件。