各大热补丁方案分析和比较

川长思鸟来 2022-09-23 04:55 148阅读 0赞

最近开源界涌现了很多热补丁项目，但从方案上来说，主要包括[Dexposed][]、[AndFix][]、[ClassLoader][]（来源是原QZone，现淘宝的工程师陈钟，在15年年初就已经开始实现）三种。前两个都是阿里巴巴内部的不同团队做的（淘宝和支付宝），后者则来自腾讯的QQ空间团队。

开源界往往一个方案会有好几种实现（比如ClassLoader方案已经有不下三种实现了），但这三种方案的原理却徊然不同，那么让我们来看看它们三者的原理和各自的优缺点吧。

# Dexposed #

基于[Xposed][]的AOP框架，方法级粒度，可以进行AOP编程、插桩、热补丁、SDK hook等功能。

Xposed需要Root权限，是因为它要修改其他应用、系统的行为，而对单个应用来说，其实不需要root。 Xposed通过修改Android Dalvik运行时的Zygote进程，并使用Xposed Bridge来hook方法并注入自己的代码，实现非侵入式的runtime修改。比如蜻蜓fm和喜马拉雅做的事情，其实就很适合这种场景，别人反编译市场下载的代码是看不到patch的行为的。[小米][Link 1](onVmCreated里面还未小米做了资源的处理)也重用了dexposed，去做了很多自定义主题的功能，还有沉浸式状态栏等。

我们知道，应用启动的时候，都会fork zygote进程，装载class和invoke各种初始化方法，Xposed就是在这个过程中，替换了app\_process，hook了各种入口级方法（比如handleBindApplication、ServerThread、ActivityThread、ApplicationPackageManager的getResourcesForApplication等），加载XposedBridge.jar提供动态hook基础。

具体到方法，可参见[XposedBridge][]:

其具体native实现则在[Xposed的libxposed\_common.cpp][Xposed_libxposed_common.cpp]里面有注册，根据系统版本分发到libxposed\_dalvik和libxposed\_art里面，以dalvik为例大致来说就是记录下原来的方法信息，并把方法指针指向我们的hookedMethodCallback，从而实现拦截的目的。

方法级的替换是指，可以在方法前、方法后插入代码，或者直接替换方法。只能针对java方法做拦截，不支持C的方法。

来说说硬伤吧，不支持art，不支持art，不支持art。  
重要的事情要说三遍。尽管在6月，项目网站的roadmap就写了7、8月会支持art，但事实是现在还无法解决art的兼容。

另外，如果线上release版本进行了混淆，那写patch也是一件很痛苦的事情，反射+内部类，可能还有包名和内部类的名字冲突，总而言之就是写得很痛苦。

# AndFix #

同样是方法的hook，AndFix不像Dexposed从Method入手，而是以Field为切入点。

先看Java入口，`AndFixManager.fix`:

<table style="border-collapse: collapse; border-spacing: 0px; width: auto; border: none; font-size: 14px; margin: 0px;"> 
 <tbody> 
 <tr style="background-color: rgb(249, 249, 249);"> 
 <td style="padding: 0px; vertical-align: middle; border: none;"><pre style="overflow: auto; font-family: &quot;PT Mono&quot;, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 13px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px 20px 0px 0px; color: rgb(102, 102, 102); line-height: 1.6; border: none; text-align: right; background: rgb(29, 31, 33);">1
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</pre></td> 
 <td style="padding: 0px; vertical-align: middle; border: none;"><pre style="overflow: auto; font-family: &quot;PT Mono&quot;, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 13px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px; color: rgb(197, 200, 198); line-height: 1.6; border: none; background: rgb(29, 31, 33);">/**
 * fix
 *
 * @param file patch file
 * @param classLoader classloader of class that will be fixed
 * @param classes classes will be fixed
 */
public synchronized void fix(File file, ClassLoader classLoader, List&lt;String&gt; classes) {
 
		// 省略...判断是否支持，安全检查，读取补丁的dex文件

		ClassLoader patchClassLoader = new ClassLoader(classLoader) {
 
			@Override
			protected Class&lt;?&gt; findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
 
				Class&lt;?&gt; clazz = dexFile.loadClass(className, this);
				if (clazz == null &amp;&amp; className.startsWith("com.alipay.euler.andfix")) {
 
					return Class.forName(className);// annotation’s class not found
				}
				if (clazz == null) {
 
					throw new ClassNotFoundException(className);
				}
				return clazz;
			}
		};
		Enumeration&lt;String&gt; entrys = dexFile.entries();
		Class&lt;?&gt; clazz = null;
		while (entrys.hasMoreElements()) {
 
			String entry = entrys.nextElement();
			if (classes != null &amp;&amp; !classes.contains(entry)) {
 
				continue;// skip, not need fix
			}
 // 找到了，加载补丁class
			clazz = dexFile.loadClass(entry, patchClassLoader);
			if (clazz != null) {
 
				fixClass(clazz, classLoader);
			}
		}
	} catch (IOException e) {
 
		Log.e(TAG, "pacth", e);
	}
}
</pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

看来最终fix是在`fixClass方法`:

<table style="border-collapse: collapse; border-spacing: 0px; width: auto; border: none; font-size: 14px; margin: 0px;"> 
 <tbody> 
 <tr style="background-color: rgb(249, 249, 249);"> 
 <td style="padding: 0px; vertical-align: middle; border: none;"><pre style="overflow: auto; font-family: &quot;PT Mono&quot;, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 13px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px 20px 0px 0px; color: rgb(102, 102, 102); line-height: 1.6; border: none; text-align: right; background: rgb(29, 31, 33);">1
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</pre></td> 
 <td style="padding: 0px; vertical-align: middle; border: none;"><pre style="overflow: auto; font-family: &quot;PT Mono&quot;, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 13px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px; color: rgb(197, 200, 198); line-height: 1.6; border: none; background: rgb(29, 31, 33);">private void fixClass(Class&lt;?&gt; clazz, ClassLoader classLoader) {
 
 Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
 MethodReplace methodReplace;
 String clz;
 String meth;
 // 遍历补丁class里的方法，进行一一替换，annotation则是补丁包工具自动加上的
 for (Method method : methods) {
 
 methodReplace = method.getAnnotation(MethodReplace.class);
 if (methodReplace == null)
 continue;
 clz = methodReplace.clazz();
 meth = methodReplace.method();
 if (!isEmpty(clz) &amp;&amp; !isEmpty(meth)) {
 
 replaceMethod(classLoader, clz, meth, method);
 }
 }
}

private void replaceMethod(ClassLoader classLoader, String clz, String meth, Method method) {
 
 try {
 
 String key = clz + "@" + classLoader.toString();
 Class&lt;?&gt; clazz = mFixedClass.get(key);
 if (clazz == null) {
 // class not load
 // 要被替换的class
 Class&lt;?&gt; clzz = classLoader.loadClass(clz);
 // 这里也很黑科技，通过C层，改写accessFlags，把需要替换的类的所有方法（Field）改成了public，具体可以看Method结构体
 clazz = AndFix.initTargetClass(clzz);
 }
 if (clazz != null) {
 // initialize class OK
 mFixedClass.put(key, clazz);
 // 需要被替换的函数
 Method src = clazz.getDeclaredMethod(meth, method.getParameterTypes());
 // 这里是调用了jni，art和dalvik分别执行不同的替换逻辑，在cpp进行实现
 AndFix.addReplaceMethod(src, method);
 }
 } catch (Exception e) {
 
 Log.e(TAG, "replaceMethod", e);
 }
}
</pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

在dalvik和art上，系统的调用不同，但是原理类似，这里我们尝个鲜，以6.0为例`art_method_replace_6_0`：

<table style="border-collapse: collapse; border-spacing: 0px; width: auto; border: none; font-size: 14px; margin: 0px;"> 
 <tbody> 
 <tr style="background-color: rgb(249, 249, 249);"> 
 <td style="padding: 0px; vertical-align: middle; border: none;"><pre style="overflow: auto; font-family: &quot;PT Mono&quot;, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 13px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px 20px 0px 0px; color: rgb(102, 102, 102); line-height: 1.6; border: none; text-align: right; background: rgb(29, 31, 33);">1
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</pre></td> 
 <td style="padding: 0px; vertical-align: middle; border: none;"><pre style="overflow: auto; font-family: &quot;PT Mono&quot;, Consolas, Monaco, Menlo, monospace; font-size: 13px; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 0px; color: rgb(197, 200, 198); line-height: 1.6; border: none; background: rgb(29, 31, 33);">// 进行方法的替换
void replace_6_0(JNIEnv* env, jobject src, jobject dest) {
 
	art::mirror::ArtMethod* smeth = (art::mirror::ArtMethod*) env-&gt;FromReflectedMethod(src);
	art::mirror::ArtMethod* dmeth = (art::mirror::ArtMethod*) env-&gt;FromReflectedMethod(dest);

	dmeth-&gt;declaring_class_-&gt;class_loader_ =
			smeth-&gt;declaring_class_-&gt;class_loader_; //for plugin classloader
	dmeth-&gt;declaring_class_-&gt;clinit_thread_id_ =
			smeth-&gt;declaring_class_-&gt;clinit_thread_id_;
	dmeth-&gt;declaring_class_-&gt;status_ = smeth-&gt;declaring_class_-&gt;status_-1;

 // 把原方法的各种属性都改成补丁方法的
	smeth-&gt;declaring_class_ = dmeth-&gt;declaring_class_;
	smeth-&gt;dex_cache_resolved_types_ = dmeth-&gt;dex_cache_resolved_types_;
	smeth-&gt;access_flags_ = dmeth-&gt;access_flags_;
	smeth-&gt;dex_cache_resolved_methods_ = dmeth-&gt;dex_cache_resolved_methods_;
	smeth-&gt;dex_code_item_offset_ = dmeth-&gt;dex_code_item_offset_;
	smeth-&gt;method_index_ = dmeth-&gt;method_index_;
	smeth-&gt;dex_method_index_ = dmeth-&gt;dex_method_index_;

 // 实现的指针也替换为新的
	smeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_interpreter_ =
			dmeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_interpreter_;
	smeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_jni_ =
			dmeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_jni_;
	smeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_ =
			dmeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_;

	LOGD("replace_6_0: %d , %d",
			smeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_,
			dmeth-&gt;ptr_sized_fields_.entry_point_from_quick_compiled_code_);
}

// 这就是上面提到的，把方法都改成public的，所以说了解一下jni还是很有必要的，java世界在c世界是有映射关系的
void setFieldFlag_6_0(JNIEnv* env, jobject field) {
 
	art::mirror::ArtField* artField =
			(art::mirror::ArtField*) env-&gt;FromReflectedField(field);
	artField-&gt;access_flags_ = artField-&gt;access_flags_ &amp; (~0x0002) | 0x0001;
	LOGD("setFieldFlag_6_0: %d ", artField-&gt;access_flags_);
}
</pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

在dalvik上的实现略有不同，是通过jni bridge来指向补丁的方法。

使用上，直接写一个新的类，会由补丁工具会生成注解，描述其与要打补丁的类和方法的对应关系。

# ClassLoader #

原腾讯空间Android工程师，也是我的启蒙老师的陈钟发明的热补丁方案，是他在看源码的时候偶然发现的切入点。

我们知道，multidex方案的实现，其实就是把多个dex放进app的classloader之中，从而使得所有dex的类都能被找到。而实际上findClass的过程中，如果出现了重复的类，参照下面的类加载的实现，是会使用第一个找到的类的。

该热补丁方案就是从这一点出发，只要把有问题的类修复后，放到一个单独的dex，通过反射插入到dexElements数组的最前面，不就可以让虚拟机加载到打完补丁的class了吗。

说到此处，似乎已经是一个完整的方案了，但在实践中，会发现运行加载类的时候报preverified错误，原来在`DexPrepare.cpp`，将dex转化成odex的过程中，会在`DexVerify.cpp`进行校验，验证如果直接引用到的类和clazz是否在同一个dex，如果是，则会打上CLASS\_ISPREVERIFIED标志。通过在所有类（Application除外，当时还没加载自定义类的代码）的构造函数插入一个对在单独的dex的类的引用，就可以解决这个问题。空间使用了javaassist进行编译时字节码插入。

开源实现有[Nuwa][], [HotFix][], [DroidFix][]。

# 比较 #

Dexposed不支持Art模式（5.0+），且写补丁有点困难，需要反射写混淆后的代码，粒度太细，要替换的方法多的话，工作量会比较大。

AndFix支持2.3-6.0，但是不清楚是否有一些机型的坑在里面，毕竟jni层不像java曾一样标准，从实现来说，方法类似Dexposed，都是通过jni来替换方法，但是实现上更简洁直接，应用patch不需要重启。但由于从实现上直接跳过了类初始化，设置为初始化完毕，所以像是静态函数、静态成员、构造函数都会出现问题，复杂点的类Class.forname很可能直接就会挂掉。

ClassLoader方案支持2.3-6.0，会对启动速度略微有影响，只能在下一次应用启动时生效，在空间中已经有了较长时间的线上应用，如果可以接受在下次启动才应用补丁，是很好的选择。

总的来说，在兼容性稳定性上，**ClassLoader方案很可靠**，如果需要应用**不重启就能修复**，而且方法足够简单，可以使用**AndFix**，而**Dexposed由于还不能支持art**，所以只能暂时放弃，希望开发者们可以改进使它能支持art模式，毕竟xposed的种种能力还是很吸引人的（比如hook别人app的方法拿到解密后的数据，嘿嘿），还有比如无痕埋点啊线上追踪问题之类的，随时可以下掉。

原文 http://blog.zhaiyifan.cn/2015/11/20/HotPatchCompare/

[Dexposed]: https://github.com/alibaba/dexposed
[AndFix]: https://github.com/alibaba/AndFix
[ClassLoader]: http://bugly.qq.com/blog/?p=781
[Xposed]: https://github.com/rovo89/Xposed
[Link 1]: https://github.com/rovo89/Xposed/blob/master/libxposed_dalvik.cpp
[XposedBridge]: https://github.com/rovo89/XposedBridge
[Xposed_libxposed_common.cpp]: https://github.com/rovo89/Xposed/blob/master/libxposed_common.cpp
[Nuwa]: https://github.com/jasonross/Nuwa
[HotFix]: https://github.com/dodola/HotFix
[DroidFix]: https://github.com/bunnyblue/DroidFix