深入Android Runtime: 指令优化与Java方法调用

天天P图攻城狮 • 2023-01-03 • 云技术社区 • 280 阅读

作者简介：dc, 天天P图AND工程师

做一个小试验

先做一个小试验：
在apk的activity中放一个Button和一个TextView，点击Button让结果显示在TextView上。

apk的代码如下：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    Button button;
    TextView textView;    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        textView = findViewById(R.id.text);
        button = findViewById(R.id.button);
        button.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {            @Override
            public void onClick(View v) {

                Test test = new Test();
                String s = test.getValue();
                textView.setText(s);

            }
        });
    }
}

其中Test类的代码如下：

public class Test {    
    public String getValue() {        
        return "this is method getValued";
    }
}

试着思考下，文本框显示的结果会是什么？

第1次结果：

如果运行正常，结果会如下（本次测试全部在Android AOSP N上执行）：

this is method getValued

进一步试验

接下来，再进一步试验。
我们给apk的PathClassLoader的ClassPath最前面注入一个dex，这个dex仅包含一个class，和之前的Test的包名+类名一致，如下：

public class Test {    public String getValue(){        return "this is method getValue from dex";
    }    public String abc(){        return "this is method abc !!!";
    }
}

这是最简单的热修复原理，猜想一下，这次的结果是什么？

第2次结果

这次的结果会是什么呢？

实际上，在debug版本上，我们能够得到正确的结果：

而在release版本上，结果并不是我们想象的这样，结果如下：

现象解释

为什么会出现这样的现象：明明调用的是getValue方法，为什么返回的是abc方法的结果呢？
要解释这个现象，我们需要对Android虚拟机执行代码的原理有一定的了解。

当我们将Java代码编译成apk时，编译器会用javac将java文件转成class文件，再通过dx将class文件转成dex文件（如果是jack&jill编译器，不会有class生成的过程）。
apk安装时候，PMS会通过installd唤起dex2oat进程对apk进行优化。
当我们启动系统时候，虚拟机先加载BootClassLoader，再加载SystemClassLoader，分别将BOOTCLASSPATH和SYSTEMSERVERCLASSPATH中对应jar包中的class加载起来，。

apk启动时，将会创建一个PathClassLoader，将apk相关及其依赖的library中的class加载到内存。
如果我们往PathClassLoader的clssapath中最开始注入新的jar/dex，在运行时PathClassLoader就会优先加载前面的jar/dex，从而覆盖apk本身的类实现类的替换。

但是我们通常不会注意到虚拟机的机制。

在安装apk时，如果apk是debug版本，会被强制以解释方式执行，此时执行的是字节码，我们看到的字节码是这样的：

即invoke-virtual+methodID的方式执行。这个methodID是存储在apk自身的dex中的，每个dex中都有一个String表和Method表（当然还有Class表等其他表）。
通过String表，可以查到某个index对应的String是什么；通过method表，可以拿到methodID对应的StringID，然后再到String表中查到方法名称。
虚拟机通过方法名称，再从已加载cache中查找方法，如果方法没找到，就从classpath加载并resolve，最终找到对应的method。

那么正常debug版本解释执行时，这个过程是没有任何问题的，包括使用新的类覆盖了旧的类的时候，仍然可以通过自身编译时就决定的methodID拿到正确的方法名，也就可以获取到正确的method并执行。

但是release版本的时候，dex会被优化的。dex2oat根据系统prop中的配置决定进行何种程度的优化，在AOSP N上，默认配置如下：

interpret-only模式的优化，实际上只是dalvik指令级的优化，并不会生成机器码（其他speed之类的优化模式会产生部分机器码，everything模式是完全编译，将所有字节码均优化成机器码），而是会对invoke-virtual这样的指令进行quicken优化，变成invoke-virtual-quick。
优化的目的，是将methodID的查找变成vtable的查找。methodID是dex全局的查找，相比vtable在class内部的查找，效率要高很多，毕竟一个dex中很可能有几万个method，而一个class中的method通常只有几个到几十个。

interpret-only的优化，是基于一个前提，编译时不仅能获取到class的名称，还能获取到class的定义。
因为我们是动态加载了dex，这个dex只有在classloader加载dex时才会被发现，dex2oat编译时只知道apk自身中的class的存在。

dex2oat进行interpret-only优化时，编译依赖是原先的method，导致生成的vtable索引为原先Test类中的方法索引。但是运行的时候，新的Test类由于加上了一个abc的方法，android中的各种String表、method表、vtable等都是按照字母表顺序进行排序，导致abc方法排在Test方法之前，这样原先的vtable索引查到的method就变成了abc方法。

由于vtable索引的变化，就出现了明明是调用的Test方法，可结果跑的是abc方法的奇特现象。

如果我们进行verify-none模式的编译(不进行quicken优化，或者其他能编译成机器码的模式)，让其以解释模式运行，就不会有问题。但是如果apk在Manifest中设置了android:vmSafeMode=”true” ，那么无论是否使用了其他模式进行强制编译，apk会始终以interpret-only方式编译，导致问题一直存在。
比如我们使用speed编译，日志中依然是interpret-only：