ClassLoader和动态加载

xiaoeryu Lv5
  2023-08-19 10:32:29 2023-08-19 10:32:29 创建   2023-08-26 21:50:42 2023-08-26 21:50:42 更新      

本章是加壳的一些前置原理，主要是基于Android8.0中ClassLoader的双亲委派模式原理和代码验证以及动态加载的代码验证

类加载器ClassLoader

Android的dalvik和art虚拟机都是继承于JVM的一种实现，是基于寄存器来实现的，这是和JVM不同的点

  • JVM的类加载器包括三种：每一个作用都是不一样的

    1. Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）：C/C++代码实现的加载器，用于加载指定的JDK的核心类库，比如java.lang、java.uti。等这些系统类。java虚拟机的启动就是通过Bootstrap，该ClassLoader在java里无法获取，负责加载*/lib*下的类，这些类在java中是没有办法获取到的。

    2. Extensions ClassLoader（扩展类加载器）：Java中的实现类为ExtClassLoader，提供了除了系统类之外的额外功能，可以在java里获取，负责加载/lib/ext下的类。

    3. Application ClassLoader（应用程序类加载器）：java开发人员接触最多的。Java中的实现类为AppClassLoader是与我们接触最多的类加载器，开发人员写的代码默认就是由它来加载，ClassLoader.getSystemClassLoader返回的就是它。

    4. 也可以自定义类加载器，只需要通过继承java.lang.ClassLoadr类的方式来实现自己的类加载器即可。

      • 加载顺序：
        1. Bootstrap ClassLoader
        2. Extension ClassLoader
        3. Application ClassLoader

双亲委派：

  • 双亲委派模式的工作原理是；如果一个类加载器收到了类加载请求，他并不会自己先去加载，而是把这个委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其自己的父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式，即每个儿子都不愿意干活，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己想办法去完成，这个就是双亲委派。
  • 为什么要有双亲委派？
    1. 避免重复加载，如果已经加载过一次Class，可以直接读取已经加载的Class
    2. 更加安全，无法自定义类来替代系统的核心类，可以防止核心API库被随意篡改

类加载：

  • 隐式加载：

    创建类的实例

    访问类的静态变量，或者为静态变量赋值

    调用类的静态方法

    使用反射方式来强制创建某个类或接口对应的java.lang.Class对象

    初始化某个类的子类

  • 显示加载：

    使用LoadClass()加载

    使用ForName()加载

  • 在JVM中加载类的步骤

    1. 装载：查找和导入Class文件
    2. 链接：其中解析步骤是可以选择的
      1. 检查：检查载入的class文件数据的正确性
      2. 准备：给类的静态变量分配存储空间
      3. 解析：将符号引用转成直接引用
    3. 初始化：即调用函数，对静态变量、静态代码块执行初始化工作

ClassLoader的继承关系：InMemoryDexClassLoader为Android8.0新引入的ClassLoader

  • Android系统中与ClassLoader相关的一共有8个：

    ClassLoader为抽象类；

    BootClassLoader预加载常用类，单例模式。与Java中的BootClassLoader不同，他并不是由C/C++代码实现，而是由Java实现的；

    BaseDexClassLoader是PathClassLoader、DexClassLoader、InMemoryDexClassLoader的父类，类加载的主要逻辑都是在BaseDexClassLoader完成的。

    SecureClassLoader继承了抽象类ClassLoader，扩展了ClassLoader类加入了权限方面的功能，加强了安全性，其子类URLClassLoader是用URL路径从jar文件中加载类和资源。

    其中重点关注的是PathClassLoader和DexClassLoader。

    PathClassLoader是Android默认使用的类加载器，一个apk中的Activity等类便是在其中加载。

    DexClassLoader可以加载任意目录下的dex/jar/apk/zip文件，比PathClassLoader更灵活，是实现插件化、热修复以及dex加壳的重点。

    Android8.0新引入InMemroyDexClassLoader，从名字就可以看出是用于直接从内存中加载dex。

用代码验证一下是否能获取到父类加载器：编码使用kotlin

package com.example.classloadertest

import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity
import android.os.Bundle
import android.util.Log

class MainActivity : AppCompatActivity() {
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)
        testClassLoader()
    }
    public fun testClassLoader() {
        var thisClassloader = MainActivity::class.java.classLoader // 获取当前类的类加载器
        Log.i("kanxue","thisClassLoader: " + thisClassloader)
        var parentClassloader = thisClassloader.parent // 获取父类加载器
        while (parentClassloader != null){
            Log.i("kanxue","this: " + thisClassloader + "..." + parentClassloader)
            val tmpClassloader = parentClassloader.parent // 获取父类加载器的父类加载器
            thisClassloader = parentClassloader // 更新当前类加载器为父类加载器
            parentClassloader = tmpClassloader // 更新父类加载器为父类加载器的父类加载器
        }
        Log.i("kanxue","root: " + thisClassloader) // 输出根类加载器
    }


}

打印结果：

thisClassLoader: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.classloadertest-xAcs1S3DFPHFAwYBO7fLbA==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.classloadertest-xAcs1S3DFPHFAwYBO7fLbA==/lib/arm64, /system/lib64, /vendor/lib64, /system/product/lib64]]]
this: dalvik.system.PathClassLoader[DexPathList[[zip file "/data/app/com.example.classloadertest-xAcs1S3DFPHFAwYBO7fLbA==/base.apk"],nativeLibraryDirectories=[/data/app/com.example.classloadertest-xAcs1S3DFPHFAwYBO7fLbA==/lib/arm64, /system/lib64, /vendor/lib64, /system/product/lib64]]]...java.lang.BootClassLoader@29144af
root: java.lang.BootClassLoader@29144af

小结：

  • 这里我们简单的验证了一下双亲验证的关系，这是非常重要的一个点。如果双亲委派没有搞好，开发插件的时候当中的类会出现notfoundClass的问题，或者我们使用四大组件中的activity、service出现系统没有管理，不能正常工作，可能都是这个ClassLoader这个环节的问题。
  • 如果写xposed插件的话会经常用到这个
  • frida框架的话会自动帮我们处理好这个问题（会通过反射帮我们找到最终app所在的classloader）

接下来再写代码验证一下动态加载dex

  • loaddex01

    package com.kanxue.loaddex01

import android.content.Context
import android.content.pm.PackageManager
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity
import android.os.Bundle
import android.util.Log
import dalvik.system.DexClassLoader

class MainActivity : AppCompatActivity() {
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)

        // 获取外部存储的读取权限状态
        val readPermission = checkSelfPermission(android.Manifest.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE)
        if (readPermission != PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
            // 请求外部存储的读取权限
            requestPermissions(arrayOf(android.Manifest.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE), PERMISSION_REQUEST_CODE)
        } else {
            // 已有读取权限，可以加载 DEX 文件
            val appContext = this.applicationContext
            val dexFilePath = "/sdcard/1.dex" // 这里替换为你的 DEX 文件路径
            testDexClassLoader(appContext, dexFilePath)
        }
    }

    // 权限请求回调
    override fun onRequestPermissionsResult(requestCode: Int, permissions: Array<out String>, grantResults: IntArray) {
        super.onRequestPermissionsResult(requestCode, permissions, grantResults) // 调用父类的方法

        if (requestCode == PERMISSION_REQUEST_CODE) {
            if (grantResults.isNotEmpty() && grantResults[0] == PackageManager.PERMISSION_GRANTED) {
                val appContext = this.applicationContext
                val dexFilePath = "/sdcard/1.dex" // 这里替换为你的 DEX 文件路径
                testDexClassLoader(appContext, dexFilePath)
            } else {
                // 权限被拒绝，你可以在这里处理相应的操作，如给用户一个提示等
                Log.i("TAG", "权限请求被拒绝")
            }
        }
    }


    private fun testDexClassLoader(context: Context, dexFilePath: String) {
        val optFile = context.getDir("opt_dex", 0)
        val libFile = context.getDir("lib_path", 0)

        var dexClassLoader: DexClassLoader? = null

        try {
            // 创建 DexClassLoader，用于从 DEX 文件加载类和资源
            dexClassLoader = DexClassLoader(
                dexFilePath,
                optFile.absolutePath,
                libFile.absolutePath,
                context.classLoader
            )

            // 加载类并调用方法
            val loadedClass = dexClassLoader.loadClass("com.kanxue.test.TestClass")
            val instance = loadedClass.getDeclaredConstructor().newInstance()
            val method = loadedClass.getDeclaredMethod("testFunc")
            method.invoke(instance)
        } catch (e: ClassNotFoundException) {
            e.printStackTrace()
            // 处理类未找到异常
        } catch (e: Exception) {
            e.printStackTrace()
            // 处理其他异常
        }
    }

    companion object {
        private const val PERMISSION_REQUEST_CODE = 1
    }
}

  • TestClass：构建一个apk，把它里面的dex拿出来用作动态加载

    package com.kanxue.test

import android.util.Log

public class TestClass {
    public fun testFunc() {
        Log.i("kanxue","i an from com.example.test.TestClass.testFunc")
    }
}

  • 执行结果

    • 执行的时候第一次加载dex是失败的因为dex没有加载进去，重新运行第二次就好了。

  • 小结：

    • 这个项目有一些需要注意的点

      1. 需要在loaddex01项目的AndroidManifest.xml中配置外部存储读写权限

        <uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE" />
<uses-permission android:name="android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE" />

      2. 需要修改build.gradle文件配置

        android {
    ...
    compileSdk 33	// 新生成的项目是32需要修改到33或33以上
    }

      3. 然后就是权限问题了，需要在loaddex01的代码中实时获取权限，不然在Android8.0中还是读取不到我们放在外部存储卡的dex文件。

  • 标题: ClassLoader和动态加载
  • 作者: xiaoeryu
  • 创建于 : 2023-08-19 10:32:29
  • 更新于 : 2023-08-26 21:50:42
  • 链接: https://github.com/xiaoeryu/2023/08/19/ClassLoader和动态加载/
  • 版权声明: 本文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。
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