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有關Android插件化思考

作者:斜杠Allen 
鏈接:https://www.jianshu.com/p/9601c4938d02

最近幾年移動開發業界興起了「 插件化技術 」的旋風,各個大廠都推出了自己的插件化框架,各種開源框架都評價自身功能優越性,令人目不暇接。隨著公司業務快速發展,專案增多,開發資源卻有限,如何能在有限資源內滿足需求和專案的增長,同時又能快速響應問題和迭代新需求,這就是一個矛盾點。此時,插件化技術正好風生水起,去瞭解各個主流框架實現思路,看看能對目前工作是否有幫助,是很有必要的。


主要分為以下幾個部分來講解


  • 插件化介紹

  • 入門知識

  • 實現原理

  • 主流框架

  • 實戰

  • 小結


插件化介紹


百度百科里是這麼定義插件的:「 是一種遵循一定規範的應用程式接口編寫出來的程式,只能運行在程式規定的系統平臺下,而不能脫離指定的平臺單獨運行。」,也就是說,插件可以提供一種動態擴展能力,使得應用程式在運行時加載原本不屬於該應用的功能,並且做到動態更新和替換。


那麼在 Android 中,何為「 插件化 」,顧名思義,就是把一些核心複雜依賴度高的業務模塊封裝成獨立的插件,然後根據不同業務需求進行不同組合,動態進行替換,可對插件進行管理、更新,後期對插件也可進行版本管理等操作。在插件化中有兩個概念需要講解下:


  • 宿主
    所謂宿主,就是需要能提供運行環境,給資源呼叫提供背景關係環境,一般也就是我們主 APK ,要運行的應用,它作為應用的主工程所在,實現了一套插件的加載和管理的框架,插件都是依托於宿主的APK而存在的。

  • 插件
    插件可以想象成每個獨立的功能模塊封裝為一個小的 APK ,可以通過在線配置和更新實現插件 APK 在宿主 APK 中的上線和下線,以及動態更新等功能。


那麼為何要使用插件化技術,它有何優勢,能給我們帶來什麼樣好處,這裡簡單列舉了以下幾點:


1、讓用戶不用重新安裝 APK 就能升級應用功能,減少發版本頻率,增加用戶體驗。

2、提供一種快速修複線上 BUG 和更新的能力。

3、按需加載不同的模塊,實現靈活的功能配置,減少服務器對舊版本接口兼容壓力。

4、模塊化、解耦合、並行開發、 65535 問題。


入門知識


首先我們要知道插件化技術是屬於比較複雜一個領域,複雜點在於它涉及知識點廣泛,不僅僅是上層做應用架構能力,還要求我們對 Android 系統底層知識需要有一定的認知,這裡簡單羅列了其中會涉及的知識點:



首先,要介紹的是 Binder ,我們都知道 Android 多行程通信核心就是 Binder ,如果沒有它真的寸步難行。 Binder 涉及兩層技術,你可以認為它是一個中介者樣式,在客戶端和服務器端之間, Binder 就起到中介的作用。如果要實現四大組件的插件化,就需要在 Binder 上做修改, Binder 服務端的內容沒辦法修改,只能改客戶端的代碼,而且四大組件的每個組件的客戶端都不一樣,這個就需要深入研究了。學習Binder的最好方式是 AIDL ,這方面在網上有很多資料,最簡單的方式就是自己寫個 aidl 檔案自動生成一個 Java 類,然後去查看這個Java類的每個方法和變數,然後再去看四大組件,其實都是跟 AIDL 差不多的實現方式。


其次,是 App 打包的流程。代碼寫完了,執行一次打包操作,中途經歷了資源打包、 Dex 生成、簽名等過程。其中最重要的就是資源的打包,即 AAPT 這一步,如果宿主和插件的資源id衝突,一種解決辦法就是在這裡做修改。


第三, App 在手機上的安裝流程也很重要。熟悉安裝流程不僅對插件化有幫助,在遇到安裝 Bug 的時候也非常重要。手機安裝 App 的時候,經常會有下載異常,提示資源包不能解析,這時需要知道安裝 App 的這段代碼在什麼地方,這隻是第一步。第二步需要知道, App 下載到本地後,具體要做哪些事情。手機有些目錄不能訪問, App 下載到本地之後,放到哪個目錄下,然後會生成哪些檔案。插件化有個增量更新的概念,如何下載一個增量包,從本地具體哪個位置取出一個包,這個包的具體命名規則是什麼,等等。這些細節都必須要清楚明白。


第四,是 App 的啟動流程。 Activity 啟動有幾種方式?一種是寫一個 startActivity ,第二種是點擊手機 App ,通過手機系統里的 Launcher 機制,啟動 App 里預設的 Activity 。通常, App 開發人員喜聞樂見的方式是第二種。那麼第一種方式的啟動原理是什麼呢?另外,啟動的時候,Main 函式在哪裡?這個 Main 函式的位置很重要,我們可以對它所在的類做修改,從而實現插件化。


第五點更重要,做 Android 插件化需要控制兩個地方。首先是插件 Dex 的加載,如何把插件 Dex 中的類加載到記憶體?另外是資源加載的問題。插件可能是 Apk 也可能是 so 格式,不管哪一種,都不會生成 R.id ,從而沒辦法使用。這個問題有好幾種解決方案。一種是是重寫 Context 的 getAsset 、 getResource 之類的方法,偷換概念,讓插件讀取插件里的資源,但缺點就是宿主和插件的資源 id 會衝突,需要重寫 AAPT 。另一種是重寫 AMS中儲存的插件串列,從而讓宿主和插件分別去加載各自的資源而不會衝突。第三種方法,就是打包後,執行一個腳本,修改生成包中資源id。


第六點,在實施插件化後,如何解決不同插件的開發人員的工作區問題。比如,插件1和插件2,需要分別下載哪些代碼,如何獨立運行?就像機票和火車票,如何只運行自己的插件,而不運行別人的插件?這是協同工作的問題。火車票和機票,這兩個 Android 團隊的各自工作區是不一樣的,這時候就要用到 Gradle 腳本了,每個專案分別有各自的倉庫,有各自不同的打包腳本,只需要把自己的插件跟宿主專案一起打包運行起來,而不用引入其他插件,還有更厲害的是,也可以把自己的插件當作一個 App 來打包並運行。


上面介紹了插件化的入門知識,一共六點,每一點都需要花大量時間去理解。否則,在面對插件化專案的時候,很多地方你會一頭霧水。而只要理解了這六點核心,一切可迎刃而解。


實現原理

在Android中應用插件化技術,其實也就是動態加載的過程,分為以下幾步:

  • 把可執行檔案( .so/dex/jar/apk 等)拷貝到應用 APP 內部。

  • 加載可執行檔案,更換靜態資源

  • 呼叫具體的方法執行業務邏輯


Android 專案中,動態加載技術按照加載的可執行檔案的不同大致可以分為兩種:

  • 動態加載 .so 庫

  • 動態加載 dex/jar/apk檔案(現在動態加載普遍說的是這種)


第一點, Android 中 NDK 中其實就使用了動態加載,動態加載 .so 庫並通過 JNI 呼叫其封裝好的方法。後者一般是由 C/C++ 編譯而成,運行在 Native 層,效率會比執行在虛擬機層的 Java 代碼高很多,所以 Android 中經常通過動態加載 .so 庫來完成一些對性能比較有需求的工作(比如 Bitmap 的解碼、圖片高斯模糊處理等)。此外,由於 .so 庫是由 C/C++ 編譯而來的,只能被反編譯成彙編代碼,相比中 dex 檔案反編譯得到的 Smali 代碼更難被破解,因此 .so 庫也可以被用於安全領域。


其二,“基於 ClassLoader 的動態加載 dex/jar/apk 檔案”,就是我們指在 Android 中 動態加載由 Java 代碼編譯而來的 dex 包並執行其中的代碼邏輯,這是常規 Android 開發比較少用到的一種技術,目前說的動態加載指的就是這種。


Android 專案中,所有 Java 代碼都會被編譯成 dex 檔案,Android 應用運行時,就是通過執行 dex 檔案里的業務代碼邏輯來工作的。使用動態加載技術可以在 Android 應用運行時加載外部的 dex 檔案,而通過網絡下載新的 dex 檔案並替換原有的 dex 檔案就可以達到不安裝新 APK 檔案就升級應用(改變代碼邏輯)的目的。


所以說,在 Android 中的 ClassLoader 機制主要用來加載 dex 檔案,系統提供了兩個 API 可供選擇:


PathClassLoader:只能加載已經安裝到 Android 系統中的 APK 檔案。因此不符合插件化的需求,不作考慮。

DexClassLoader:支持加載外部的 APK、Jar 或者 dex 檔案,正好符合檔案化的需求,所有的插件化方案都是使用 DexClassloader 來加載插件 APK 中的 .class檔案的。


主流框架

在 Android 中實現插件化框架,需要解決的問題主要如下:

  • 資源和代碼的加載

  • Android 生命周期的管理和組件的註冊

  • 宿主 APK 和插件 APK 資源取用的衝突解決


下麵分析幾個目前主流的開源框架,看看每個框架具體實現思路和優缺點。

DL 動態加載框架 ( 2014 年底)


是基於代理的方式實現插件框架,對 App 的表層做了處理,通過在 Manifest 中註冊代理組件,當啟動插件組件時,首先啟動一個代理組件,然後通過這個代理組件來構建,啟動插件組件。 需要按照一定的規則來開發插件 APK,插件中的組件需要實現經過改造後的 Activity、FragmentActivity、Service 等的子類。


優點如下:

  • 插件需要遵循一定的規則,因此安全方面可控制。

  • 方案簡單,適用於自身少量代碼的插件化改造。


缺點如下:

  • 不支持通過 This 呼叫組件的方法,需要通過 that 去呼叫。

  • 由於 APK 中的 Activity 沒有註冊,不支持隱式呼叫 APK 內部的 Activity。

  • 插件編寫和改造過程中,需要考慮兼容性問題比較多,聯調起來會比較費時費力。


DroidPlugin ( 2015 年 8 月)


DroidPlugin 是 360 手機助手實現的一種插件化框架,它可以直接運行第三方的獨立 APK 檔案,完全不需要對 APK 進行修改或安裝。一種新的插件機制,一種免安裝的運行機制,是一個沙箱(但是不完全的沙箱。就是對於使用者來說,並不知道他會把 apk 怎麼樣), 是模塊化的基礎。


實現原理:

  • 共享行程:為android提供一個行程運行多個 apk 的機制,通過 API 欺騙機制瞞過系統。

  • 占坑:通過預先占坑的方式實現不用在 manifest 註冊,通過一帶多的方式實現服務管理。

  • Hook 機制:動態代理實現函式 hook ,Binder 代理繞過部分系統服務限制,IO 重定向(先獲取原始 Object –> Read ,然後動態代理 Hook Object 後–> Write 回去,達到瞞天過海的目的)。


插件 Host 的程式架構:


優點如下:

  • 支持 Android 四大組件,而且插件中的組件不需要在宿主 APK 中註冊。

  • 支持 Android 2.3 及以上系統,支持所有的系統 API。

  • 插件與插件之間,插件與宿主之間的代碼和資源完全隔閡。

  • 實現了行程管理,插件的空行程會被及時回收,占用記憶體低。


缺點如下

  • 插件 APK 中不支持自定義資源的 Notification,通知欄限制。

  • 插件 APK 中無法註冊具有特殊的 IntentFilter 的四大組件。

  • 缺乏對 Native 層的 Hook 操作,對於某些帶有 Native 代碼的插件 APK 支持不友好,可能無法正常運行。

  • 由於插件與插件,插件與宿主之間的代碼完全隔離,因此,插件與插件,插件與宿主之間的通信只能通過 Android 系統級別的通信方式。

  • 安全性擔憂(可以修改,hook一些重要信息)。

  • 機型適配(不是所有機器上都能行,因為大量用反射相關,如果rom廠商深度定製了framework層,反射的方法或者類不在,容易插件運用失敗)


Small ( 2015 年底)


Small 是一種實現輕巧的跨平臺插件化框架,基於“輕量、透明、極小化、跨平臺”的理念,實現原理有以下三點。


  • 動態加載類:我們知道插件化很多都從 DexClassLoader 類有個 DexPathList 清單,支持 dex/jar/zip/apk 檔案格式,卻沒有支持 .so 檔案格式,因此 Small 框架則是把 .so 檔案包裝成 zip 檔案格式,插入到 DexPathList 集合中,改寫動態加載的代碼。

  • 資源分段:由於 Android 資源的格式是 0xPPTTNNNN ,PP 是包 ID ,00-02 是屬於系統,7f 屬於應用程式,03-7e 則保留,可以在這個範圍內做文章 , TT 則是 Type 比如,attr 、layout 、string 等等,NNNN 則是資源全域性 ID。那麼這個框架則是對資源包進行重新打包,每個插件重新分配資源 ID ,這樣就保證了宿主和插件的資源不衝突。

  • 動態代理註冊:在 Android 中要使用四大組件,都是需要在 manifest 清單中註冊,這樣才可以使用,那如何在不註冊情況也能使用呢,這裡就是用到動態代理機制進行 Hook ,在發送 AMS 之前用占坑的組件來欺騙系統,通過認證後,再把真正要呼叫的組件還原回來,達到瞞天過海目的。


架構圖:


優點如下:

  • 所有插件支持內置宿主包中。

  • 插件的編碼和資源檔案的使用與普通開發應用沒有差別。

  • 通過設定 URI ,宿主以及 Native 應用插件,Web 插件,在線網頁等能夠方便進行通信。
    支持 Android 、 iOS 、和 Html5 ,三者可以通過同一套 Javascript 接口實現通信。


缺點如下:

  • 暫不支持 Service 的動態註冊,不過這個可以通過將 Service 預先註冊在宿主的 AndroidManifest.xml 檔案中進行規避,因為 Service 的更新頻率通常非常低。


與其他主流框架的區別:


DyLA  : Dynamic-load-apk          @singwhatiwanna  
DiLA  : Direct-Load-apk           @FinalLody  
APF   : Android-Plugin-Framework  @limpoxe  
ACDD  : ACDD                      @bunnyblue  
DyAPK : DynamicAPK                @TediWang  
DPG   : DroidPlugin               @cmzy360

  • 功能


  • 透明度



VirtualAPK (2017年 6 月 )


VirtualAPK 是滴滴開源的一套插件化框架,支持幾乎所有的 Android 特性,四大組件方面。


架構圖:


實現思路:


VirtualAPK 對插件沒有額外的約束,原生的 apk 即可作為插件。插件工程編譯生成 apk後,即可通過宿主 App 加載,每個插件 apk 被加載後,都會在宿主中創建一個單獨的 LoadedPlugin 物件。如下圖所示,通過這些 LoadedPlugin 物件,VirtualAPK 就可以管理插件並賦予插件新的意義,使其可以像手機中安裝過的 App 一樣運行。


  • 合併宿主和插件的ClassLoader 需要註意的是,插件中的類不可以和宿主重覆

  • 合併插件和宿主的資源 重設插件資源的 packageId,將插件資源和宿主資源合併

  • 去除插件包對宿主的取用 構建時通過 Gradle 插件去除插件對宿主的代碼以及資源的取用



特性如下:


四大組件均不需要在宿主manifest中預註冊,每個組件都有完整的生命周期。


  • Activity支持顯示和隱式呼叫,支持Activity的theme和LaunchMode,支持透明主題;

  • Service:支持顯示和隱式呼叫,支持Service的start、stop、bind和unbind,並支持跨行程bind插件中的Service;

  • Receiver:支持靜態註冊和動態註冊的Receiver;

  • ContentProvider:支持provider的所有操作,包括CRUD和call方法等,支持跨行程訪問插件中的Provider。

  • 自定義View:支持自定義 View,支持自定義屬性和style,支持動畫;

  • PendingIntent:支持PendingIntent以及和其相關的Alarm、Notification和AppWidget;

  • 支持插件Application以及插件manifest中的meta-data;

  • 支持插件中的so。


優秀的兼容性

  • 兼容市面上幾乎所有的Android手機,這一點已經在滴滴出行客戶端中得到驗證。

  • 資源方面適配小米、Vivo、Nubia 等,對未知機型採用自適應適配方案。

  • 極少的 Binder Hook,目前僅僅 hook了兩個Binder:AMS和IContentProvider,hook 過程做了充分的兼容性適配。

  • 插件運行邏輯和宿主隔離,確保框架的任何問題都不會影響宿主的正常運行。


入侵性極低

  • 插件開發等同於原生開發,四大組件無需繼承特定的基類;

  • 精簡的插件包,插件可以依賴宿主中的代碼和資源,也可以不依賴;

  • 插件的構建過程簡單,通過 Gradle 插件來完成插件的構建,整個過程對開發者透明。


如下是 VirtualAPK 和主流的插件化框架之間的對比。



RePlugin (2017 年 7 月)


RePlugin是一套完整的、穩定的、適合全面使用的,占坑類插件化方案,由360手機衛士的RePlugin Team研發,也是業內首個提出”全面插件化“(全面特性、全面兼容、全面使用)的方案。


框架圖:


主要優勢有:

  • 極其靈活:主程式無需升級(無需在Manifest中預埋組件),即可支持新增的四大組件,甚至全新的插件

  • 非常穩定:Hook 點僅有一處(ClassLoader),無任何 Binder Hook!如此可做到其崩潰率僅為“萬分之一”,並完美兼容市面上近乎所有的 Android ROM。

  • 特性豐富:支持近乎所有在“單品”開發時的特性。包括靜態 Receiver、 Task-Affinity 坑位、自定義 Theme、行程坑位、AppCompat、DataBinding等。

  • 易於集成:無論插件還是主程式,只需“數行”就能完成接入。

  • 管理成熟:擁有成熟穩定的“插件管理方案”,支持插件安裝、升級、卸載、版本管理,甚至包括行程通訊、協議版本、安全校驗等。
    數億支撐:有 360 手機衛士龐大的數億用戶做支撐,三年多的殘酷驗證,確保App用到的方案是最穩定、最適合使用的。


實戰

主要是測試各個框架之間上手的容易度如何,並做不同對比,這邊寫了兩個 Demo 例子,一個是基於 Small 框架,一個基於 VirtualAPK 框架,從中能看出不同。


Small 實踐


要取用官方最新的版本,不然在宿主和插件合併build.gradle 的時候會出現一個 BUG,這是個坑位,註意行走。其次在模塊命名上要遵循一定的規則,比如業務模塊用 app. ,公共庫模塊用 lib. ,相當於包名 .app.,.lib. 。每次在插件中添加一個 activity 組件,都需要在宿主中配置路由,然後在重新編譯插件一遍,不然直接運行的話,在宿主中是找到新添加的 activity 組件,會報該組件沒在系統 manifest 中,所以每次新增或修改建議插件都重新編譯一遍。官方里說了,對於 Service 支持不太友好,就沒去實踐了。


VirtualAPK 實踐


有個坑需要註意的是構建環境,官方說明是要以下版本環境,Gradle 2.14.1 和 com.android.tools.build 2.1.3, 之前編譯的是用最新的Gradle版本,導致一直有問題,至於是否有其他問題,可以看官方文件。


具體代碼
Small Demo :
https://github.com/cr330326/MySmall

VirtualAPK Demo :https://github.com/cr330326/MyVirtualAPKDemo


小結

正如開頭所說,要實現插件化的框架,無非就是解決那典型的三個問題:插件代碼如何加載、插件中的組件生命周期如何管理、插件資源和宿主資源衝突怎麼辦。每個框架針對這三個問題,都有不同的解決方案,同時呢,根據時間順序,後出來的框架往往都會吸收已經出的框架精髓,進而修複那些比較有里程碑意義框架的不足。但這些框架的核心思想都是用到了代理樣式,有的在錶面層進行代理,有的則在系統應用層進行代理,通過代理達到替換和瞞天過海,最終讓 Android 系統誤以為呼叫插件功能和呼叫原生開發的功能是一樣的,進而達到插件化和原生兼容編程的目的。



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