Android Andfix热修复原理

本是古典何须时尚 2023-10-18 19:23 137阅读 0赞

#### AndFix 原理 ####

AndFix 用来修复 Bug 的方法，核心是通过方法的替换。是在Native层实现的，支持即时生效，原理是通过修改ArtMethod结构体中的入口点，从而加载补丁包中修复后的方法。

具体原理就是把旧的方法的ArtMethod结构体所有的成员变量，全部替换，替换为我们新的方法的ArtMethod中的值。  
新的方法，通过我们类加载器，加载Class，然后，通过Class反射，拿到我们的Method，拿到Method之后，就可以拿到ArtMethod。然后把就的ArtMethod挨个挨个地把字段全部替换成新的ArtMethod里的值。替换之后，我们的内存里面，保存的这个方法，它的结构体里面，比如说它的指向入口，指向新方法了。

> 底层的ArtMethod结构体:记录了方法所有的信息，(包括属于哪一个类，访问权限，代码执行地址等等)  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0V0aGFuQ28_size_16_color_FFFFFF_t_70]

而Tinker的核心是通过Dex完整的替换 (根据Multidex原理)，是在Java层实现的，需要冷启动后生效，因为ClassLoader类加载器，采用的是双亲委托模式，因为我们的类Class被我们系统加载过之后，就不会再加载了，这是我们虚拟机的一个很显著的特性。

#### java的内存机制 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0V0aGFuQ28_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

##### 方法区 #####

当JVM使用类加载器定位class文件，并将其输入到内存中时，会提取class文件的类型信息，并将这些信息存储到方法区中。同时放入方法区中的还有该类型中的类静态变量。

##### 堆内存 #####

Java程序在运行时创建的所有类型对象和数组都存储在堆中。JVM会根据new指令在堆中开辟一个对象类型的对象内存空间。但是堆中开辟对象的空间并没有任何人工指令可以回收，而是通过JVM的垃圾回收器负责回收。

##### 栈 #####

每启动一个线程，JVM都会为它分配一个Java栈。用于存放方法中的局部变量，操作数以及异常数据等。当线程调用每个方法时，JVM会根据方法区中该方法的字节码组件一个栈帧。并将该栈帧压入Java栈中，方法执行完毕时，JVM会弹出该栈帧并释放掉。

#### 源码解析 ####

来看 `art/runtime/mirror art_method.h`，可以看到有如下的属性  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0V0aGFuQ28_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
其中，我们需要特别关注的有  
`entry_point_from_interpreter_` //解释器模式(JIT)执行的入口  
`entry_point_from_jni_` //标记是否是JNI函数，如果是，指向指向入口  
`entry_point_from_quick_compiled_code_` //快速模式(AOT模式)的入口

根据解释器模式或AOT模式，会获取`entry_point_from_interpreter_`或`entry_point_from_quick_compiled_code_`

> AOT采用预编译的方式，字节码预编译成了机器码，程序运行的时候，就不需要实时去编译了。

那在android中，java代码怎么一步步被虚拟机所执行的 ?  
java会先编译成`.class`字节码，然后被编译成dex字节码，然后在我们的虚拟机当中，就可以采用，解释器模式或者AOT模式，来执行我们的dex文件。

> .class 是 java 虚拟机使用的可执行文件，.dex 是Android Dalvik和ART虚拟机的可执行文件。

OK，知道以上原理后，我们就可以通过替换`entry_point_from_interpreter_`或`entry_point_from_jni_`或`entry_point_from_quick_compiled_code_`，以及替换ArtMethod中的其他属性值，从而达到热修复的目的。

其他原理详见我的博客:  
[NDK env->FindClass源码解析][NDK env-_FindClass]  
[NDK env->GetStaticMethodID源码解析][NDK env-_GetStaticMethodID]  
[Android虚拟机的启动 源码分析][Android_]

#### 手写AndFix ####

//把获得指向被替换的目标方法的指针（有bug的方法的指针）
    art::mirror::ArtMethod *bugArtMethod = reinterpret_cast<art::mirror::ArtMethod *>(env->FromReflectedMethod(
            bugMethod));
    //获得指向新的方法的指针（被修复了的方法的指针）
    art::mirror::ArtMethod *fixArtMethod = reinterpret_cast<art::mirror::ArtMethod *>(env->FromReflectedMethod(
            fixMethod));
    reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(fixArtMethod->declaring_class_)->class_loader_ =
            reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(bugArtMethod->declaring_class_)->class_loader_; //for plugin classloader
    reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(fixArtMethod->declaring_class_)->clinit_thread_id_ =
            reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(bugArtMethod->declaring_class_)->clinit_thread_id_;
    reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(fixArtMethod->declaring_class_)->status_ =
            reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(bugArtMethod->declaring_class_)->status_ - 1;
    reinterpret_cast<art::mirror::Class *>(fixArtMethod->declaring_class_)->super_class_ = 0;
    //把就函数的成员变量替换为新函数的
    bugArtMethod->declaring_class_ = fixArtMethod->declaring_class_;
    bugArtMethod->dex_cache_resolved_methods_ = fixArtMethod->dex_cache_resolved_methods_;
    bugArtMethod->access_flags_ = fixArtMethod->access_flags_;
    bugArtMethod->dex_cache_resolved_types_ = fixArtMethod->dex_cache_resolved_types_;
    bugArtMethod->dex_code_item_offset_ = fixArtMethod->dex_code_item_offset_;
    bugArtMethod->method_index_ = fixArtMethod->method_index_;
    bugArtMethod->dex_method_index_ = fixArtMethod->dex_method_index_;
    
    bugArtMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_interpreter_ = fixArtMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_interpreter_;
    bugArtMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_jni_ = fixArtMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_jni_;
    bugArtMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_ = fixArtMethod->ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_;

#### AndFix的兼容性问题 ####

##### AndFix为什么会有兼容性问题 #####

1.每个版本的ArtMethod都是不同的，需要对每个Android版本进行单独的维护。所以AndFix只维护到了Android 7.0，因为维护成本太高了。

2.因为Android是开源的，有些厂商会修改ArtMethod，比如多增加一个字段，而替换ArtMethod里的变量值的时候，有增减过字段等，指针地址会产生偏差，从而导致赋值失败，从而导致热修复失败。

#### 如果解决AndFix的兼容性问题 ####

既然替换字段会有问题，那就把整个AndFix都替换了。 --> AndFix的升级版本Sophix解决了这个问题，但是不开源。  
关键在于sizeof(ArtMethod)的计算结果，我们需要在运行时动态获取当前设备虚拟机的ArtMethod结构体的大小。或者另一种说法是说对ArtMethod的成员变量大小进行了对齐处理

##### 其他 #####

> AndFix Android7.0后，不再维护，推出sophix (收费)  
> Dalvik虚拟机没有ArtMethod，只有一个统一的执行函数，所以性能很差。在Dalvik虚拟机上的修复通过hook这个函数来实现

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[NDK env-_FindClass]: https://blog.csdn.net/EthanCo/article/details/104148804
[NDK env-_GetStaticMethodID]: https://blog.csdn.net/EthanCo/article/details/104161731
[Android_]: https://blog.csdn.net/EthanCo/article/details/104161322