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全面了解Android热修复技术

作者:赵裕, 腾讯移动客户端开发
商业转载请联系腾讯WeTest获得授权,非商业转载请注明出处。
原文链接:http://wetest.qq.com/lab/view/338.html

WeTest 导读

本文探讨了Android热修复技术的发展脉络,现状及其未来。


热修复技术概述

热修复技术在近年来飞速发展,尤其是在InstantRun方案推出之后,各种热修复技术竞相涌现。国内大部分成熟的主流APP都拥有自己的热修复技术,像手淘、支付宝、QQ、饿了么、美团等等。

目前能搜集到的资料,大多简单罗列每个方案的特点并进行横向比较,而其中技术发展的脉络往往被掩盖了。热修复技术从何而来,又将往何处去?在这些资料中都找不到答案。

我认为,走马观花地看一遍各家的热修复方案并不能找到答案,所以写下本文,希望从一个不同的角度来了解热修复技术,权当抛砖引玉,如有不足,欢迎指正。

代码热修复

代码热修复是最常见,也是热修复中最重要的部分,因为程序错误往往都是代码逻辑的错误。最初的热修复方案也仅支持代码热修复。代码热修复分两个流派,即腾讯系的类加载方案和阿里系的底层替换方案,前者需要重启应用但却能修复大部分错误,后者及时生效却只能作方法内的修改。下面详细介绍。

一、类加载方案

1、Qzone
Qzone的超级热修复方案是业界最早的热修复方案之一,原理简单而巧妙,影响深刻而久远,在此简单介绍。Android类加载的源码如下:
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可以看出当有多个dex文件时,他们会组成一个有序数组,按顺序加载,而对于一个已经加载的Class是不会再次加载的,由此得出热修复方案:把需要修复的类打包成一个dex文件下发,并在APP启动时通过反射,将这个dex文件放在dexElements的最前面,这样修复了的Class就会比有Bug的Class优先加载了。如下图所示:
图片描述

但在实现过程中,会遇到unexpected DEX problem异常,Qzone方案为了解决这个问题采用了插桩的策略来规避这个异常。实际上,Android系统的检查和优化都是有其意义的,因此这种方法在Dalvik和Art上都会遇到问题。

● 在Dalvik虚拟机,APP在安装的时候会被执行dexopt操作,同一个dex文件内的Class会被打上CLASS_ISPREVERIFIED标志,而补丁包中的类并没有打上此标志,因此抛出异常。解决方法就是在第一次打包APK时让所有类都引用另一个dex文件中的类,这样所有的类始终不会打上CLASS_ISPREVERIFIED标志,因此补丁包可以顺利加载,但是Dalvik虚拟机在检测到一个类未打上CLASS_ISPREVERIFIED之后会再次在类加载的时候进行dexopt相关的操作,如果一次性加载很多类,速度将明显变慢。

● 在Art虚拟机,dex文件最终会编译成本地机器码,在dex2oat时fast *已经将各个类的地址写死,若补丁包中的类出现字段或者方法的修改,会出现内存地址错乱,解决办法是将这个类的父类和调用这个类的类都加入补丁包。但这样会导致补丁包急剧增大。(实际上要理解清楚这个问题需要熟悉Dalvik和Art的完整流程,并非三言两语能解释清楚)

这两个问题都可以解决,但都要付出一些代价:类加载速度或者补丁包大小。

2、Tinker
如果Qzone没有上面两个缺陷,或许就不会有Tinker了。对于微信这样一个对性能有极高要求的产品来说,Qzone的缺点会被无限放大。在参考Instant Run的冷插拔与buck的exopackage后,Tinker采用了全量替换的策略。全量替换可以避免插桩和地址写死问题,但是补丁包会很大,因此可以在新旧两个Dex的差异放在补丁包中,下发到移动端后再在本地合成完整的dex文件。

实际上,Tinker保留了Qzone最核心的东西:反射修改dexElements。无论是插入还是替换,本质都是利用了类加载的特点。由于需要下发的全量补丁包体积过大,Tinker采用了后台求diff,下发diff文件,移动端合成全量包的策略。

如果仅此而已,只要有diff/patch算法,就可以开发Tinker了。实际上,确实如此。而Tinker第二个创新之处就是采用了自研的DexDiff算法,大大优化了下发差异包的大小。

二、底层替换方案

阿里的Andfix热修复方案是底层替换方案的代表,与Qzone和Tinker的思想完全不同,Andfix通过修改一个方法的入口地址来达到修复。以Dalvik虚拟机为例,Andfix的核心代码如下:
图片描述

其实就是修改了方法包括入口地址在内的每一项数据的地址,使之指向一个新的方法。在后台,使用Andfix提供的apkpatch工具,可以得到补丁文件out.apatch,这个文件记录了哪些方法需要修改,以及修改后的方法。Andfix效果:
图片描述
(注意我一直在点击,下发补丁后发生了变化……)

资源修复

除了代码热修复,资源热修复也很常见。各大主流方案在资源修复的实现上大多参考了InstantRun的实现方式,因此本章节先讨论了InstantRun,再分析了基于InstantRun所实现的热修复。

一、InstantRun

InstantRun在AndroidStudio2.0.0中引入。

InstantRun包括代码修复和在资源修复,资源修复的核心代码:
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其实做了两件事:
1. 通过反射替换掉原有的AssetManager
2. 找到引用了原AssetManager对象的字段并替换为新的引用。

关键是要熟悉Android相关源码,才能确定哪些字段是需要更新引用的。通过以上两步即可实现资源替换。

二、资源热修复实现

将InstantRun的monkeyPatchExistingResource方法引入我们的代码就可以实现资源热修复,效果如下:
图片描述

SO库热修复

so库的修复本质是对native方法的修复和替换,和类加载方案类似,可以把补丁so库的路径插入到nativeLibraryDirectories数组的最前面,使得优先加载补丁库而不是原来的库来达到修复目的。在此不做赘述。

热修复的稳定性

一、兼容的困境

最初Qzone就需要在Dalvik平台进行插桩,Tinker同样也是分平台合成(在Dalvik平台合成全量Dex,在Art平台合成需要的小Dex),而阿里的Andfix作为底层热修复方案,不仅要面对两种虚拟机平台,甚至要为不同Android版本编写一套替换逻辑,如下:
图片描述

二、不安全的代码

加载了补丁包的程序本质还是未编译的程序,只是两个已编译程序的结合体,由于Java的编译过程对于我们是透明,所以我们一不小心就会引入错误,而且这种错误十分隐蔽。在使用类加载方案时由于还是在Java层,可能不那么容易犯错,但使用Andfix等底层热修复方案时却总是防不胜防。

比如,Java在编译匿名内部类时会编译成顶级类,命名方式为ClassNamenniClassNamei#methodName变成ClassName$i+1#methodName,即一个方法的地址发生改变。再比如,Java的泛型编译可能会在编译期引入新的方法,也会导致Andfix的异常。
因为编译过程是透明的,所以热修复后的程序不能代替修复问题后重新编译出来的程序,即热修复后程序的安全性是得不到保证的。

热修复技术展望

Qzone时期插桩影响了类加载的速度,Tinker的DexDiff算法粒度过细、实现复杂,导致性能消耗严重,Andfix使用场景有限、兼容性差,此外美团的Robust、饿了么的Amigo等也都各有限制。Android热修复技术虽然百花齐放,但却并没有哪种方案能够解决所有问题,统一当前的局面。而最近阿里又推出了Sophix,针对各种类型的修复又做了深度的优化,虽然没有开源代码,但是发布了《深入探索Android热修复技术原理》,引起Android社区的关注,其统一各种热修复方案的意图也十分明显。

从Qzone到Tinker,从Andfix到Sophix都可以看出来,热修复技术还在不断上升发展,每一次新方案的推出都是对原有方案的超越。但目前来看,阿里并未打算开源Sophix,而Tinker2.0仍然在路上,热修复技术在性能、兼容、开发透明方面仍然有很多不足,所以不能仅仅满足于了解已有方案,还要深入源码去理解原理,更要对业界最新进展保持关注。


参考:

1、安卓App热补丁动态修复技术介绍
2、微信Tinker的一切都在这里,包括源码(一)
3、alibaba/AndFix: AndFix is a library that offer hot-fix for Android App.
4、Instant Run: How
5、微信Android热补丁实践演进之路
6、Tencent/tinker: Tinker is a hot-fix solution library for Android, it ……

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