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Android 动态加载初探

SQA · · 阅读 3519

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引言

一直对安全方面挺感兴趣的，以前拜读过《白帽子讲web安全》，现在做移动端Android测试，在一次关于热埋点的学习中接触到了Xposed，之后也会关注一点Android 安全方面的东西，最近学习了一点Android动态加载的机制，跟大家分享一下

一点资源

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/
http://blog.csdn.net/jiangwei0910410003/article/details/48415225
http://blog.csdn.net/itfootball/article/details/49806269
http://blog.csdn.net/androidsecurity/article/details/8664778
http://blog.csdn.net/jiangwei0910410003/article/details/17679823
还有一些工具： https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjA0NjgyMA==&mid=2651061026&idx=1&sn=ae6aea9af3b082ea543e1051728bd0bc&scene=1&srcid=0530rqezgS1iLqK0W8tT8909&key=f5c31ae61525f82ea7ae094c2f43f3300c4f648faee145a20953616868278e738c3c425d7098c2cdfab164fbfe02339a&ascene=0&uin=MjQwNzI1NDc1&devicetype=iMac+MacBookPro12%2C1+OSX+OSX+10.10.5+build14F1605)&version=11020201&pass_ticket=ytjLePanA95PuTtMOQpYePApF6e0GJEgj%2BtLjnU6Q4Y%3D(

一点概念

  • java程序是跑在虚拟机中的，原生java虚拟机叫JVM（当然也分很多厂家，很多种类），Android也是java程序，但Android的虚拟机，叫Dalvik，Android 5.0 之后，舍弃了Dalvik，用了ART（Android Runtime）
  • 一般来说，虚拟机使用java类的方法如下：java源程序(.java文件)在经过java编译器编译之后，就被转换成java字节码(JVM对应.class文件，Dalvik对应.dex文件)，类加载器负责读取java字节码，并转换成java.lang.Class的一个实例，每个这样的实例用来表示一个java类
  • 动态加载：在运行时动态加载或者重载类

类加载器

上面说到了类加载器，其实动态加载机制的核心就是类加载器的使用，在java里它是一种机制—-反射（Reflection）
类加载器的基本职责，就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节码，然后从这些字节码中定义出一个java类，即java.lang.Class的一个实例
说到类加载器，或者反射机制，涉及到下面三个类：

  • java.lang.Class
  • java.lang.ClassLoader
  • java.lang.reflect

应用

在常见的java项目（J2SE,J2EE）中，特别是跨项目合作的场景，经常会把B方的业务代码编译后的class文件打成一个jar包，A在需要时动态加载jar包里的类。又或者要实现配置型的项目，会把需要加载的类（通常是一个接口）的名字写在一个配置文件中，自己程序里写关于这个接口的各种实现，运用动态加载机制，用父类（那个接口）引用指向子类（各种实现）对象，利用面向对象中的多态，来最大程度的实现可配置

但是

在Android里并不能用常规java项目中那种自定义ClassLoader，重写ClassLoader里各种方法的方式来实现动态加载，主要原因有以下两点：

  1. 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
  2. 在Android中，一个类不仅仅是一个类，为啥？比如Android里面的组件之一的Activity，它在Android整体框架下，是有各种生命周期，内置了各种回调、监听器的，但是动态加载只能根据类名找到或者生成对应的字节码，然后从字节码中定义一个java类，一个普普通通的java类，即加载出来它就不再是什么Activity，Service了

肿么办

在Android里，我们不是自己重写ClassLoader，而是用下面这两种ClassLoader来实现动态加载，他们也都是ClassLoader的子类

  1. DexClassLoader（提供了一个释放.dex文件的路径）
  2. PathClassLoader（默认，提供完整路径后会把’.’替换成’/’）

Demo

关于动态加载，google一下就会有挺多例子的，那我们就先实现一个最基本的例子，了解一下动态加载它到底是怎么一回事儿，它可以用来做什么
原材料准备：

  • Eclipse
  • Android Studio
  • Android SDK

首先，在Eclipse里建一个项目，项目结构长这样：
Android 动态加载初探

我新建了一个Android 5的lib，里面放的是Android SDK里api level=22的android.jar，各个版本大家可以到自己Android SDK路径下的platforms里面找
项目里有一个package，com.fenfenzhong.interfaces，这是沿用了普通java项目的做法，即先定义接口，到时候可以根据这个接口写各种不同的实现类，充分利用多态
还有另外一个package，com.fenfenzhong.impl，这个是专门放实现类

com.fenfenzhong.interfaces.IDynamic

package com.fenfenzhong.interfaces;
import android.app.Activity;

public interface IDynamic {

    public void init(Activity activity);

    public void clickMe();

}

com.fenfenzhong.impl.Dynamic

package com.fenfenzhong.impl;
import android.app.Activity;
import android.widget.Toast;
import com.fenfenzhong.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 clickMe() {
        Toast.makeText(mActivity, "hello dynamic", 1500).show(); 
    }


}

将上面的com.fenfenzhong.impl.Dynamic 这个动态类打包，一般jar包里放的是字节码，是编译好的.class文件，但那是为了不暴露源码，这里我们直接打包源文件，即.java文件
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打好的jar包，我命名为dynamic.jar

然后我们把这个jar包放到Android SDK build-tools 下某个版本里（随意），build-tools里有很多很厉害的工具，比如aapt，zipalign，但这次我们要用dx这个工具
执行
dx --dex --output=dynamic_for_android.jar dynamic.jar
这条指令的操作就是把dynamic.jar先打成一个.dex文件，以便Dalvik虚拟机能认识，再把这个.dex打成一个jar包，即dynamic_for_android.jar，这个保管好，待会要用

接下来，我们需要一个连接宿主项目和动态实现类的桥梁，当然就是com.fenfenzhong.interfaces.IDynamic这个接口啦，再打一个jar包
Android 动态加载初探
命名为dynamic_interface.jar

在Android Studio新建一个项目，叫DynamicApp，把dyncmic_interface.jar导入到项目的libs里面
Android 动态加载初探

这个项目相当简单，就一个按钮，但我们想实现的是：点击这个按钮的时候，调用的是动态类中的实现方法

package com.fenfenzhong.dynamicapp;

import android.content.Context;
import android.os.Environment;
import android.support.v7.app.AppCompatActivity;
import android.os.Bundle;
import android.util.Log;
import android.view.View;
import android.widget.Button;
import android.widget.Toast;

import com.fenfenzhong.interfaces.IDynamic;

import java.io.File;

import dalvik.system.DexClassLoader;

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private IDynamic dy;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        Button clickMeBtn = (Button) findViewById(R.id.click_me);

        String dexPath = Environment.getExternalStorageDirectory().toString() + File.separator + "dynamic_for_android.jar";
        Log.i("dex", dexPath);
        Context context=getApplicationContext();
        File dexOutputDir = context.getDir("dex", 0);
// String dexOutputDirs = Environment.getExternalStorageDirectory().toString();//如果使用这种outputdir的话，可能报异常

        DexClassLoader dcl = new DexClassLoader(dexPath,dexOutputDir.getAbsolutePath(),null,getClassLoader());
        try {
            Class dynamicClass = dcl.loadClass("com.fenfenzhong.impl.Dynamic");
            dy = (IDynamic)dynamicClass.newInstance();
            if(dy != null) {
                dy.init(MainActivity.this);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        clickMeBtn.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View v) {
                if(dy != null) {
                    dy.clickMe();
                }else {
                    Toast.makeText(getApplicationContext(), "cannot load class", Toast.LENGTH_LONG).show();
                }
            }
        });
    }
}

以上便是这个项目所有的代码，在最外层定义一个private IDynamic dy，这个dy就是父类（接口）引用
主要从Sring dexPath这里说起：

  • 我们先定义dexPath为外部存储根目录下的dynamic_for_android.jar，即指定到时候从这里去拿dex文件
  • dexOutputDir这个变量主要是指定释放dex文件后的路径，因为我们使用DexClassLoader，上面我说到，这种ClassLoader需要这么一个路径
  • DexClassLoader dcl 这里，就初始化了一个实例，叫dcl，根据上面对ClassLoader的描述，我们可以指定一个类名，通过这个实例去找，或者生成该类的字节码
  • 利用反射机制的newInstance()方法初始化一个对象，并用父类引用dy 指向该对象，到此多态的实现条件已满足
  • 这个Activity里有一个按钮，但它的onClick方法，调用的是dy的clickMe()

好了，我们把那个dynamic_for_android.jar包push到sd卡的根目录,执行命令：
adb push dynamic_for_android.jar sdcard/

然后，运行一下程序
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点击按钮
Android 动态加载初探

成功啦！！看到这个还是非常兴奋的！

总结

虽然只是一个特别小的demo，但里面的一些步骤，一些坑，一些思想，只有一点点踩过来才能体会，Android自身的框架决定了其动态加载不同于普通java项目，在这个demo里我们是直接把实现类push到sdcard的根目录，但如果从网上动态下载呢？反射的机制能让我们动态的定制功能，现在很多应用的换肤，添加模块都是通过这种方式，在安全方面，它还被应用到apk的加固，这个之后慢慢写~

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