一文搞懂 Android 动态加载 so
作者：Pika
https://juejin.cn/post/7107958280097366030
背景
对于一个普通的android应用来说，so库的占比通常都是巨高不下的，因为我们无可避免的在开发中遇到各种各样需要用到native的需求，所以so库的动态化可以减少极大的包体积，自从2020腾讯的bugly团队发部关于动态化so的相关文章后，已经过去两年了，相关文章，经过两年的考验，实际上so动态加载也是非常成熟的一项技术了，但是很遗憾，许多公司都还没有这方面的涉略又或者说不知道从哪里开始进行，因为so动态其实涉及到下载，so版本管理，动态加载实现等多方面，我们不妨抛开这些额外的东西，从最本质的so动态加载出发吧！这里是本次的例子，我把它命名为sillyboy，欢迎pr点赞
项目地址：https://github.com/TestPlanB/SillyBoy
so动态加载介绍
动态加载，其实就是把我们的so库在打包成apk的时候剔除，在合适的时候通过网络包下载的方式，通过一些手段，在运行的时候进行分离加载的过程。这里涉及到下载器，还有下载后的版本管理等等确保一个so库被正确的加载等过程，在这里，我们不讨论这些辅助的流程，我们看下怎么实现一个最简单的加载流程。
从一个例子出发
我们构建一个native工程，然后在里面编入如下内容，下面是cmake
# For more information about using CMake with Android Studio, read the
# documentation: https://d.android.com/studio/projects/add-native-code.html
# Sets the minimum version of CMake required to build the native library.
cmake_minimum_required(VERSION 3.18.1)
# Declares and names the project.
project("nativecpp")
# Creates and names a library, sets it as either STATIC
# or SHARED, and provides the relative paths to its source code.
# You can define multiple libraries, and CMake builds them for you.
# Gradle automatically packages shared libraries with your APK.
add_library( # Sets the name of the library.
nativecpp
# Sets the library as a shared library.
SHARED
# Provides a relative path to your source file(s).
native-lib.cpp)
add_library(
nativecpptwo
SHARED
test.cpp
)
# Searches for a specified prebuilt library and stores the path as a
# variable. Because CMake includes system libraries in the search path by
# default, you only need to specify the name of the public NDK library
# you want to add. CMake verifies that the library exists before
# completing its build.
find_library( # Sets the name of the path variable.
log-lib
# Specifies the name of the NDK library that
# you want CMake to locate.
log)
# Specifies libraries CMake should link to your target library. You
# can link multiple libraries, such as libraries you define in this
# build script, prebuilt third-party libraries, or system libraries.
target_link_libraries( # Specifies the target library.
nativecpp
# Links the target library to the log library
# included in the NDK.
${log-lib})
target_link_libraries( # Specifies the target library.
nativecpptwo
# Links the target library to the log library
# included in the NDK.
nativecpp
${log-lib})
可以看到，我们生成了两个so库一个是nativecpp，还有一个是nativecpptwo（为什么要两个呢？我们可以继续看下文） 这里也给出最关键的test.cpp代码
#include <jni.h>
#include <string>
#include<android/log.h>
extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_nativecpp_MainActivity_clickTest(JNIEnv *env, jobject thiz) {
// 在这里打印一句话
__android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,"hello"," native 层方法");
}
很简单，就一个native方法，打印一个log即可，我们就可以在java/kotin层进行方法调用了，即
public native void clickTest();
so库检索与删除
要实现so的动态加载，那最起码是要知道本项目过程中涉及到哪些so吧！不用担心，我们gradle构建的时候，就已经提供了相应的构建过程，即构建的task【 mergeDebugNativeLibs】，在这个过程中，会把一个project里面的所有native库进行一个收集的过程，紧接着task【stripDebugDebugSymbols】是一个符号表清除过程，如果了解native开发的朋友很容易就知道，这就是一个减少so体积的一个过程，我们不在这里详述。所以我们很容易想到，我们只要在这两个task中插入一个自定义的task，用于遍历和删除就可以实现so的删除化了，所以就很容易写出这样的代码
ext {
deleteSoName = ["libnativecpptwo.so","libnativecpp.so"]
}
// 这个是初始化 -配置 -执行阶段中，配置阶段执行的任务之一，完成afterEvaluate就可以得到所有的tasks，从而可以在里面插入我们定制化的数据
task(dynamicSo) {
}.doLast {
println("dynamicSo insert!!!! ")
//projectDir 在哪个project下面，projectDir就是哪个路径
print(getRootProject().findAll())
def file = new File("${projectDir}/build/intermediates/merged_native_libs/debug/out/lib")
//默认删除所有的so库
if (file.exists()) {
file.listFiles().each {
if (it.isDirectory()) {
it.listFiles().each {
target ->
print("file ${target.name}")
def compareName = target.name
deleteSoName.each {
if (compareName.contains(it)) {
target.delete()
}
}
}
}
}
} else {
print("nil")
}
}
afterEvaluate {
print("dynamicSo task start")
def customer = tasks.findByName("dynamicSo")
def merge = tasks.findByName("mergeDebugNativeLibs")
def strip = tasks.findByName("stripDebugDebugSymbols")
if (merge != null || strip != null) {
customer.mustRunAfter(merge)
strip.dependsOn(customer)
}
}
可以看到，我们定义了一个自定义task dynamicSo，它的执行是在afterEvaluate中定义的，并且依赖于mergeDebugNativeLibs，而stripDebugDebugSymbols就依赖于我们生成的dynamicSo，达到了一个插入操作。那么为什么要在afterEvaluate中执行呢？那是因为android插件是在配置阶段中才生成的mergeDebugNativeLibs等任务，原本的gradle构建是不存在这样一个任务的，所以我们才需要在配置完所有task之后，才进行的插入，我们可以看一下gradle的生命周期
通过对条件检索，我们就删除掉了我们想要的so，即ibnativecpptwo.so与libnativecpp.so。
动态加载so
根据上文检索出来的两个so，我们就可以在项目中上传到自己的后端中，然后通过网络下载到用户的手机上，这里我们就演示一下即可，我们就直接放在data目录下面吧
真实的项目过程中，应该要有校验操作，比如md5校验或者可以解压等等操作，这里不是重点，我们就直接略过啦！
那么，怎么把一个so库加载到我们本来的apk中呢？这里是so原本的加载过程，可以看到，系统是通过classloader检索native目录是否存在so库进行加载的，那我们反射一下，把我们自定义的path加入进行不就可以了吗？这里采用tinker一样的思路，在我们的classloader中加入so的检索路径即可，比如
private static final class V25 {
private static void install(ClassLoader classLoader, File folder) throws Throwable {
final Field pathListField = ShareReflectUtil.findField(classLoader, "pathList");
final Object dexPathList = pathListField.get(classLoader);
final Field nativeLibraryDirectories = ShareReflectUtil.findField(dexPathList, "nativeLibraryDirectories");
List<File> origLibDirs = (List<File>) nativeLibraryDirectories.get(dexPathList);
if (origLibDirs == null) {
origLibDirs = new ArrayList<>(2);
}
final Iterator<File> libDirIt = origLibDirs.iterator();
while (libDirIt.hasNext()) {
final File libDir = libDirIt.next();
if (folder.equals(libDir)) {
libDirIt.remove();
break;
}
}
origLibDirs.add(0, folder);
final Field systemNativeLibraryDirectories = ShareReflectUtil.findField(dexPathList, "systemNativeLibraryDirectories");
List<File> origSystemLibDirs = (List<File>) systemNativeLibraryDirectories.get(dexPathList);
if (origSystemLibDirs == null) {
origSystemLibDirs = new ArrayList<>(2);
}
final List<File> newLibDirs = new ArrayList<>(origLibDirs.size() + origSystemLibDirs.size() + 1);
newLibDirs.addAll(origLibDirs);
newLibDirs.addAll(origSystemLibDirs);
final Method makeElements = ShareReflectUtil.findMethod(dexPathList, "makePathElements", List.class);
final Object[] elements = (Object[]) makeElements.invoke(dexPathList, newLibDirs);
final Field nativeLibraryPathElements = ShareReflectUtil.findField(dexPathList, "nativeLibraryPathElements");
nativeLibraryPathElements.set(dexPathList, elements);
}
}
我们在原本的检索路径中，在最前面，即数组为0的位置加入了我们的检索路径，这样一来classloader在查找我们已经动态化的so库的时候，就能够找到！
结束了吗？
一般的so库，比如不依赖其他的so的时候，直接这样加载就没问题了，但是如果存在着依赖的so库的话，就不行了！相信大家在看其他的博客的时候就能看到，是因为Namespace的问题。具体是我们动态库加载的过程中，如果需要依赖其他的动态库，那么就需要一个链接的过程对吧！这里的实现就是Linker，Linker 里检索的路径在创建 ClassLoader 实例后就被系统通过 Namespace 机制绑定了，当我们注入新的路径之后，虽然 ClassLoader 里的路径增加了，但是 Linker 里 Namespace 已经绑定的路径集合并没有同步更新，所以出现了 libxxx.so 文件（当前的so）能找到，而依赖的so 找不到的情况。
很多实现都采用了Tinker的实现，既然我们系统的classloader是这样，那么我们在合适的时候把这个替换掉不就可以了嘛！当然bugly团队就是这样做的，但是笔者认为，替换一个classloader显然对于一个普通应用来说，成本还是太大了，而且兼容性风险也挺高的，当然，还有很多方式，比如采用Relinker这个库自定义我们加载的逻辑。
为了不冷饭热炒，嘿嘿，虽然我也喜欢吃炒饭（手动狗头），这里我们就不采用替换classloader的方式，而是采用跟relinker的思想，去进行加载！具体的可以看到sillyboy的实现，其实就不依赖relinker跟tinker，因为我把关键的拷贝过来了，哈哈哈，好啦，我们看下怎么实现吧！不过在此这前，我们需要了解一些前置知识
ELF文件
我们的so库，本质就是一个elf文件，那么so库也符合elf文件的格式，ELF文件由4部分组成，分别是ELF头（ELF header）、程序头表（Program header table）、节（Section）和节头表（Section header table）。实际上，一个文件中不一定包含全部内容，而且它们的位置也未必如同所示这样安排，只有ELF头的位置是固定的，其余各部分的位置、大小等信息由ELF头中的各项值来决定。
那么我们so中，如果依赖于其他的so，那么这个信息存在哪里呢！？没错，它其实也存在elf文件中，不然链接器怎么找嘛，它其实就存在.dynamic段中，所以我们只要找打dynamic段的偏移，就能到dynamic中，而被依赖的so的信息，其实就存在里面啦 我们可以用readelf(ndk中就有toolchains目录后) 查看，readelf -d nativecpptwo.so 这里的 -d 就是查看dynamic段的意思
这里面涉及到动态加载so的知识，可以推荐大家一本书，叫做程序员的自我修养-链接装载与库这里就画个初略图
我们再看下本质，dynamic结构体如下，定义在elf.h中
typedef struct{
Elf32_Sword d_tag;
union{
Elf32_Addr d_ptr;
....
}
}
当d_tag的数值为DT_NEEDED的时候，就代表着依赖的共享对象文件,d_ptr表示所依赖的共享对象的文件名。看到这里读者们已经知道了，如果我们知道了文件名，不就可以再用System.loadLibrary去加载这个文件名确定的so了嘛！不用替换classloader就能够保证被依赖的库先加载！我们可以再总结一下这个方案的原理，如图
比如我们要加载so3，我们就需要先加载so2，如果so2存在依赖，那我们就调用System.loadLibrary先加载so1，这个时候so1就不存在依赖项了，就不需要再调用Linker去查找其他so库了。我们最终方案就是，只要能够解析对应的elf文件，然后找偏移，找到需要的目标项（DT_NEED）所对应的数值（即被依赖的so文件名）就可以了
public List<String> parseNeededDependencies() throws IOException {
channel.position(0);
final List<String> dependencies = new ArrayList<String>();
final Header header = parseHeader();
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8);
buffer.order(header.bigEndian ? ByteOrder.BIG_ENDIAN : ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
long numProgramHeaderEntries = header.phnum;
if (numProgramHeaderEntries == 0xFFFF) {
/**
* Extended Numbering
*
* If the real number of program header table entries is larger than
* or equal to PN_XNUM(0xffff), it is set to sh_info field of the
* section header at index 0, and PN_XNUM is set to e_phnum
* field. Otherwise, the section header at index 0 is zero
* initialized, if it exists.
**/
final SectionHeader sectionHeader = header.getSectionHeader(0);
numProgramHeaderEntries = sectionHeader.info;
}
long dynamicSectionOff = 0;
for (long i = 0; i < numProgramHeaderEntries; ++i) {
final ProgramHeader programHeader = header.getProgramHeader(i);
if (programHeader.type == ProgramHeader.PT_DYNAMIC) {
dynamicSectionOff = programHeader.offset;
break;
}
}
if (dynamicSectionOff == 0) {
// No dynamic linking info, nothing to load
return Collections.unmodifiableList(dependencies);
}
int i = 0;
final List<Long> neededOffsets = new ArrayList<Long>();
long vStringTableOff = 0;
DynamicStructure dynStructure;
do {
dynStructure = header.getDynamicStructure(dynamicSectionOff, i);
if (dynStructure.tag == DynamicStructure.DT_NEEDED) {
neededOffsets.add(dynStructure.val);
} else if (dynStructure.tag == DynamicStructure.DT_STRTAB) {
vStringTableOff = dynStructure.val; // d_ptr union
}
++i;
} while (dynStructure.tag != DynamicStructure.DT_NULL);
if (vStringTableOff == 0) {
throw new IllegalStateException("String table offset not found!");
}
// Map to file offset
final long stringTableOff = offsetFromVma(header, numProgramHeaderEntries, vStringTableOff);
for (final Long strOff : neededOffsets) {
dependencies.add(readString(buffer, stringTableOff + strOff));
}
return dependencies;
}
扩展
我们到这里，就能够解决so库的动态加载的相关问题了，那么还有人可能会问，项目中是会存在多处System.load方式的，如果加载的so还不存在怎么办？比如还在下载当中，其实很简单，这个时候我们字节码插桩就派上用场了，只要我们把System.load替换为我们自定义的加载so逻辑，进行一定的逻辑处理就可以了，嘿嘿，因为笔者之前就有写一个字节码插桩的库的介绍，所以在本次就不重复了，可以看Sipder，同时也可以用其他的字节码插桩框架实现，相信这不是一个问题。
总结
看到这里的读者，相信也能够明白动态加载so的步骤了，最后源代码可以在SillyBoy，当然也希望各位点赞呀！当然，有更好的实现也欢迎评论！！
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