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Android热修复升级探索——SO库修复方案

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Android热修复升级探索——SO库修复方案

mqc 2017-09-26 18:53:40 浏览2576 评论0

摘要: 通常情况下,大多数人希望android下热补丁方案能够做到补丁的全方位修复,包括类修复/资源修复/so库的修复。 这里主要介绍热补丁之so库修复思路。

一、前言

通常情况下,大多数人希望android下热补丁方案能够做到补丁的全方位修复,包括类修复/资源修复/so库的修复。 这里主要介绍热补丁之so库修复思路。

二、so库加载原理

Java Api提供以下两个接口加载一个so库

  • System.loadLibrary(String libName):传进去的参数:so库名称, 表示的so库文件,位于apk压缩文件中的libs目录,最后复制到apk安装目录下。
  • System.load(String pathName):传进去的参数:so库在磁盘中的完整路径, 加载一个自定义外部so库文件 。

上述两种方式加载一个so库,实际上最后都调用nativeLoad这个native方法去加载so库, 这个方法的参数fileName:so库在磁盘中的完整路径名,代码+图文的方式简述so库加载原理,下面的代码示例,stringFromJNI-> Java_com_taobao_jni_MainActivity_stringFromJNI静态注册的native方法,test->test动态注册的native方法. 。

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我们知道JNI编程中,动态注册的native方法必须实现JNI_OnLoad方法,同时实现一个JNINativeMethod[]数组, 静态注册的native方法必须是Java+类完整路径+方法名的格式。

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总结下:

动态注册的native方法映射通过加载so库过程中调用JNI_OnLoad方法调用完成。

静态注册的native方法映射是在该native方法第一次执行的时候才完成映射,当然前提是该so库已经load过。

三、so库热部署实时生效可行性分析

1.动态注册native方法实时生效

前面我们分析过so库的加载原理, 我们知道动态注册的native方法调用一次JNI_OnLoad方法都会重新完成一次映射, 所以我们是否只要先加载原来的so库,,然后再加载补丁so库,就能完成Java层native方法到native层patch后的新方法映射, 这样就完成动态注册native方法的patch实时修复。一张图说明:

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实测发现art下这样是可以做到实时生效的,但是Dalvik下做不到实时生效,通过代码测试我们发现, 实际上Dalvik下第二次load补丁so库, 执行的仍然是原来so库的JNI_OnLoad方法, 而不是补丁so库的JNI_OnLoad方法, 所以Dalvik下做不到实时生效。 我们来简单分析下, 既然拿到的是原来so库的JNI_OnLoad方法, 那么我们首先怀疑以下两个函数是否有问题。

dlopen():返回给我们一个动态链接库的句柄
dlsym(): 通过一个dlopen得到的动态连接库句柄,来查找一个symbol

首先来看下Dalvik虚拟机下面dlopen的实现, 源码在/bionic/linker/dlfcn.cpp文件, 方法调用链路:dlopen-> do_dlopen -> find_library -> find_library_internal

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findloadedlibrary方法判断name表示的so库是否已经被加载过, 如果加载过直接返回之前加载so库的句柄,没有加载过, 调用load_library尝试加载so库 。

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看代码注释, 也知道其实这是Dalvik虚拟机下的一个bug,这里它是通过basename去做查找, 传进来的参数name实际上是so库所在磁盘的完整路径, 比如此时修复后的so库的路径为/data/data/com.taobao.jni/files/libnative-lib.so. 但是此时是通过bname:libnative-lib.so作为key去查找, 我们知道第一次加载原来的so库System.loadLibrary("native-lib");实际上已经在solist表中存在了native-lib这个key, 所以Dalvik下面加载修复后的补丁so拿到的还是原so库文件的句柄, 所以执行的仍然是原来SO库的JNI_OnLoad方法,Art下不存在这个问题, 是因为Art下这个地方是以name作为key去查找而不是bname, 所以art下重新load一遍补丁so库, 拿到的是补丁so库的句柄, 然后执行补丁so库的JNI_OnLoad

所以为了解决Dalvik下面的这个问题, 那么如果尝试对补丁so进行改名,比如此处补丁so库的完整路径修改之后变成/data/data/com.taobao.jni/files/libnative-lib-123333.so, 后面一串数字是当前时间戳, 确保这个bname是全局唯一的, 按照上面的分析, 在solist中查找的key已经是唯一的,所以此时可以做到Dalvik下面动态注册的native方法的实时生效。

2. 静态注册native方法实时生效

上面通过尝试对补丁so库进行重命名为全局唯一的名称可以确保第二次加载补丁so库可以做到Dalvik下和Art下动态注册方法的实时生效, 但要做到静态注册native方法的实时生效还需要更多工作。

前面我们说过静态注册native方法的映射是在native方法第一次执行的时候就完成了映射, 所以如果native方法在加载补丁so库之前已经执行过了, 那么是否这种时候这个静态注册的native方法一定得不到修复? 幸运的是, 系统JNI API提供了解注册的接口。

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UnregisterNatives函数会把jclazz所在类的所有native方法都重新指向为dvmResolveNativeMethod, 所以调用UnregisterNatives之后不管是静态注册还是动态注册的native方法之前是否执行过在加载补丁so的时候都会重新去做映射。 所以我们只需要以下调用。

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这里有一个难点, 因为native方法的修改是在SO库中, 所以我们的补丁工具很难检测出到底是哪个Java类需要解注册native方法。 这个问题暂且放下, 假设我们能知道哪个类需要解注册native方法, 然后load补丁so库之后,再次执行该native方法,这样看起来是可以让该native方法实时生效, 但是测试发现, 在补丁so库重命名的前提下, java层native方法可能映射到原so库的方法, 也可能映射到补丁so库的修复后的新方法。

首先静态注册的native方法之前从未执行, 首先尝试解析该方法。或者调用了unregisterJNINativeMethods解注册方法,那么该方法将指向meth->nativeFunc = dvmResolveNativeMethod,那么真正运行该方法的时候, 实际上执行的是dvmResolveNativeMethod函数。这个函数主要完成java层native方法和native层方法的映射逻辑。

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gDvm.nativeLibs是一个全局变量, 它是一个hashtable, 存放着整个虚拟机加载so库的SharedLib结构指针。 然后该变量作为参数传递给dvmHashForeach函数进行hashtable遍历。 执行findMethodInLib函数看是否找到对应的native函数指针, 如果第一个找到就直接return, 不在进行下次的查找。

这个结构很重要, 在虚拟机中大量使用到了hashtable这个数据结构, hashtable的实现源码在dalvik/vm/Hash.h和dalvik/vm/Hash.cpp文件中, 有兴趣可以自行查看源码, 这里不进行详细分析。 hashtable的遍历和插入都是在dvmHashTableLookup方法中实现, 简单说下java.hashtable和c.hashtable的异同点:

共同点: 两者实际上都是数组实现, hashtable容量如果超过默认值都会进行扩容, 都是对key进行hash计算然后跟hashtable的长度进行取模作为bucket。

不同点: Dalvik虚拟机下hashtable put/get操作实现方法,实际上实现要比java hashmap的实现要简单一些, java hashmap的put实现需要处理hash冲突的情况, 一般情况下会通过在冲突节点上新增一个链表处理冲突, 然后get实现会遍历这个链表通过equals方法比较value是否一致进行查找, davlik下hashtable的put实现上(doAdd=true)只是简单的把指针下移直到下一个空节点。 get实现(doAdd=false)首先根据hash值计算出bucket位置, 然后通过cmpFunc函数比较值是否一致, 不一致, 指针下移。 hashtable的遍历实际就是数组遍历实现。

知道了davlik下hashtable的实现原理, 那我们再来看下前面提到的: 补丁so库重命名的前提下, 为什么java层native方法可能映射到原so库的方法也可能映射到补丁so库的修复后的新方法。 一张图说明情况 :

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所以我们可以得到结论:
对补丁so库进行重命名后, 如果这个补丁so库在hashtable中的位置比原so库的位置靠前, 那么这个静态注册native方法就能够得到修复, 位置如果靠后就得不到修复。

3. SO实时生效方案总结

基于上面的分析, so库的实时生效必须满足以下几点:

so库为了兼容Dalvik虚拟机下动态注册native方法的实时生效, 必须对so文件进行改名。

针对so库静态注册native方法的实时生效, 首先需要解注册静态注册的native方法, 这个也是难点, 因为我们很难知道so库中哪几个静态注册的native方法发生了变更。 假设就算我们知道如果静态注册的native方法需要解注册, 重新load补丁so库也有可能被修复也有可能不被修复。

上面对补丁so进行了第二次加载, 那么肯定是多消耗了一次本地内存, 如果补丁so库够大, 补丁so够多,那么JNI层的OOM也不是没可能。

另外一方面补丁so如果新增了一个动态注册的方法而dex中没有相应方法,直接去加载这个补丁so文件会报NoSuchMethodError异常, 具体逻辑在dvmRegisterJNIMethod中。 我们知道如果dex如果新增了一个native方法, 那么走不了热部署只能冷启动重启生效, 所以此时补丁so就不能第二次load了。 这种情况下so库的修复严重依赖于dex的修复方案。

可以看到SO库实时生效方案, 对于静态注册的native方法有一定的局限性, 不能满足一般的通用性, 所以最后我们放弃了so库的实时生效需求,转而求次实现so库修复的冷部署重启生效方案。

四、so库冷部署重启生效实现方案

为了更好的兼容通用性, 我们尝试通过冷部署重启生效的角度分析下补丁so库的修复方案。

方案1. 接口调用替换

sdk提供接口替换System默认加载so库接口

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SOPatchManager.loadLibrary接口加载so库的时候优先尝试去加载sdk指定目录下的补丁so, 加载策略如下:
如果存在则加载补丁so库而不会去加载安装apk安装目录下的so库。
如果不存在补丁so, 那么调用System.loadLibrary去加载安装apk目录下的so库。

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我们可以很清楚的看到这个方案的优缺点:

优点:不需要对不同sdk版本进行兼容, 因为所有的sdk版本都有System.loadLibrary这个接口。
缺点: 调用方需要替换掉System默认加载so库接口为sdk提供的接口, 如果是已经编译混淆好的三方库的so库需要patch, 那么是很难做到接口的替换。
虽然这种方案实现简单, 同时不需要对不同sdk版本区分处理,但是有一定的局限性没法修复三方包的so库同时需要强制侵入接入方接口调用, 所以来看下方案2. 反射注入

方案2. 反射注入

前面介绍过System.loadLibrary("native-lib");加载so库的原理, 其实native-lib这个so库最终传给native方法执行的参数是so库在磁盘中的完整路径, 比如: /data/app-lib/com.taobao.jni-2/libnative-lib.so, so库会在DexPathList.nativeLibraryDirectories/nativeLibraryPathElements变量所表示的目录下去遍历搜索。
sdk<23 DexPathList.findLibrary实现如下:

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可以发现会遍历nativeLibraryDirectories数组, 如果找到了IoUtils.canOpenReadOnly(path)返回为true, 那么就直接返回该path, IoUtils.canOpenReadOnly(path)返回为true的前提肯定是需要path表示的so文件存在的。 那么我们可以采取类似类修复反射注入方式, 只要把我们的补丁so库的路径插入到nativeLibraryDirectories数组的最前面就能够达到加载so库的时候是补丁so库而不是原来so库的目录, 从而达到修复的目的
sdk>=23 DexPathList.findLibrary实现如下 :

_23

sdk23以上findLibrary实现已经发生了变化, 如上所示, 那么我们只需要把补丁so库的完整路径作为参数构建一个Element对象, 然后再插入到nativeLibraryPathElements数组的最前面就好了

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优点: 可以修复三方库的so库。 同时接入方不需要像方案1一样强制侵入用户接口调用
缺点: 需要不断的对sdk进行适配, 如上sdk23为分界线, findLibrary接口实现已经发生了变化。
我们知道在不管是在补丁包中还是apk中一个so库都存在多种cpu架构的so文件, 比如"armeabi","arm64-v8a", "x86"等。 加载肯定是加载其中一个so库文件的, 如何选择机型对应的so库文件将是重点所在。

五、如果正确复制补丁so库?

上面提到的一个问题, 这里不打算详细介绍。 有需要的参考文档: Android 动态链接库加载原理及 HotFix 方案介绍, 这篇文档有些观点不尽正确, 但是我也能知道虚拟机究竟选择哪个abis目录作为参数构建PathClassLoader对象, 一张图简单了解下原理:

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实际上补丁so也存在类似的问题, 我们的补丁so库文件放到补丁包的libs目录下面, libs目录和.dex文件和res资源文件一起打包成一个压缩文件作为最后的补丁包, libs目录可能也包含多种abis目录。 所以我们需要选择手机最合适的primaryCpuAbi, 然后从libs目录下面选择这个primaryCpuAbi子目录插入到nativeLibraryDirectories/nativeLibraryPathElements数组中。 所以怎么选择primaryCpuAbi是关键, 来看下我们sdk具体的实现。

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sdk>=21下, 直接反射拿到ApplicationInfo对象的primaryCpuAbi即可
sdk<21下, 由于此时不支持64位, 所以直接把Build.CPU_ABI, Build.CPU_ABI2作为primaryCpuAbi即可 。

六、小结

最后做一个简单的小结:

so文件修复方案目前更多采取的是接口调用替换方式, 需要强制侵入用户接口调用。 目前我们的so文件修复方案采取的是反射注入的方案, 重启生效, 具有更好的普遍性。

同时如果有so文件修复实时生效的需求, 也是可以做到的,只是有些限制情况, 详见以上分析。

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