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Android 调用so库全过程_android copynativebinarieswithoverride

android copynativebinarieswithoverride

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一、前言

Android中有时候为了效率以及平台开发库的支持,难免会用到NDK开发,那么都会产生一个so文件,通过native方法进行调用,开发和调用步骤很简单,这里就不多说了,本文主要来介绍,我们在使用so的时候总是会出现一些常见的问题,而现在插件化开发也很普遍了,有时候插件中也会包含一些so文件,需要加载,这时候也会出现一些问题。本文就来详细总结一下这些问题出现的原因,以及解决方法,主要还是通过源码来分析。

二、涉及到的源码类

因为本文主要通过分析源码来分析so使用的知识点和问题总结,所以涉及到了很多的源码类,这里就现提供一下:

1、PackageManagerService.java
+setNativeLibraryPaths:设置应用的native库路径
+scanPackageDirtyLI:扫描包内容初始化应用信息

2、ActivityManagerService.java
+startProcessLocked:发送命令给Zygote进程启动一个虚拟机

3、NativeLibraryHelper.java

底层实现类:com_android_internal_content_NativeLibraryHelper.cpp

+copyNativeBinariesWithOverride:释放apk中的so文件到本地目录

+findSupportedAbi:遍历apk中的so文件结合abiList值得到应用支持的abi类型索引值

4、LoadApk类和ApplicationLoaders类

5、VMRuntime.java

底层实现类:dalvik_system_VMRuntime.c

+getInstructionSet:获取虚拟机的指令集类型

+is64BitAbi:判断VM是否为64位

6、Runtime.java

底层实现类:dalvik/vm/native/java_lang_Runtime.cpp,dalvik/vm/Native.cpp

+nativeLoad:加载so文件

三、Android中so文件的编译平台

Android中在进行NDK开发的时候,都知道因为机型杂而多的原因,没有一个大的标准,所以很多厂商都会采用不同型号的cpu,那么在编译so文件的时候,就需要进行交叉编译出多个cpu平台版本,现在主流的cpu架构版本:

armeabi/armeabi-v7a:这个架构是arm类型的,主要用于Android4.0之后的,cpu值32位的

x86/x86_64:这个架构是x86类型的,有32位和64位,占用的设备比例比较小

arm64-v8:这个架构是arm类型,主要用于Android5.0之后,cpu是64位的

这里可以看到,其中arm类型的是往下兼容策略,比如arm64-v8a肯定兼容armeabi/armeabi-v7a,也就是说armeabi/armeabi-v7a架构的so文件可以用在arm64-v8a的设备中的,而armeabi-v7a也是兼容armeabi的,但是因为cpu型号不同,所以arm体系和x86体系之间是不能相互兼容的。

四、Android中so加载流程

在Android中如果想使用so的话,首先得先加载,加载现在主要有两种方法,一种是直接System.loadLibrary方法加载工程中的libs目录下的默认so文件,这里的加载文件名是xxx,而整个so的文件名为:libxxx.so。还有一种是加载指定目录下的so文件,使用System.load方法,这里需要加载的文件名是全路径,比如:xxx/xxx/libxxx.so。

上面的两种加载方式,在大部分场景中用到的都是第一种方式,而第二种方式用的比较多的就是在插件中加载so文件了。

不管是第一种方式还是第二种方式,其实到最后都是调用了Runtime.java类的加载方法doLoad:


这里会先从类加载中获取到nativeLib路径,然后在调用native方法nativeLoad(java_lang_Runtime.cpp):


这里调用了一个核心的方法dvmLoadNativeCode(dalvik/vm/Native.cpp):


注意:

这里有一个检测异常的代码,而这个错误,是我们在使用插件开发加载so的时候可能会遇到的错误,比如现在我们使用DexClassLoader类去加载插件,但是因为我们为了插件能够实时更新,所以每次都会赋值新的DexClassLoader对象,但是第一次加载so文件到内存中了,这时候退出程序,但是没有真正意义上的退出,只是关闭了Activity了,这时候再次启动又会赋值新的加载器对象,那么原先so已经加载到内存中了,但是这时候是新的类加载器那么就报错了,解决办法其实很简单,主要有两种方式:

第一种方式:在退出程序的时候采用真正意义上的退出,比如调用System.exit(0)方法,这时候进程被杀了,加载到内存的so也就被释放了,那么下次赋值新的类加载就在此加载so到内存了,

第二种方式:就是全局定义一个static类型的类加载DexClassLoader也是可以的,因为static类型是保存在当前进程中,如果进程没有被杀就一直存在这个对象,下次进入程序的时候判断当前类加载器是否为null,如果不为null就不要赋值了,但是这个方法有一个弊端就是类加载器没有从新赋值,如果插件这时候更新了,但是还是使用之前的加载器,那么新插件将不会进行加载。

继续往下看:


这里主要调用了两个核心的系统方法,dlopen和dlsym,这两个方法用途还是很多的,一般是先加载so文件,然后得到指定函数的指针,最后直接调用即可,主要用于调用动态的调用so中的指定函数功能。而且这里注意到了最开始先调用so中的JNI_OnLoad函数,这个函数是so被加载之后调用的第一个方法。

到这里我们就总结一下Android中加载so的流程:

1、调用System.loadLibrary和System.load方法进行加载so文件

2、通过Runtime.java类的nativeLoad方法进行最终调用,这里需要通过类加载器获取到nativeLib路径。

3、到底层之后,就开始使用dlopen方法加载so文件,然后使用dlsym方法调用JNI_OnLoad方法,最终开始了so的执行。

五、Android中类加载器关联so路径

上面分析so加载过程中可以发现有一个地方,就是通过类加载器来获取到so的路径,那么Android中的主要类加载器有两个,一个是PathClassLoader和DexClassLoader,关于这两个类加载不多说了,网上资料很多可以自行查找阅读。而PathClassLoader是我们Android中默认的类加载器,也就是apk文件就是由他来加载的,我们可以通过查看源码得知,Android中加载apk的类加载可以从LoadApk.java类查找到:


注意:

这个类很重要的,而这个类加载器也是我们在做插件的时候,需要做一些操作,比如需要把加载插件的DexClassLoader类给添加到这个系统加载器中,就可以解决插件中组件的生命周期问题。

看看这个类加载器在哪里赋值的:


去看看ApplicationLoaders.java类:


看到了,这里就是定义了PathClassLoader类了,所以我们Android中应用的默认加载器是PathClassLoader,再去看看这个类加载器的nativeLib是哪里:


六、Android中so文件如何释放

我们在使用System.loadLibrary加载so的时候,传递的是so文件的libxxx.so中的xxx部分,那么系统是如何找到这个so文件然后进行加载的呢?这个就要先从apk文件安装时机说起。

我们如果还没有分析源码之前,大致能够猜想到的流程是:

在安装apk的时候,系统解析apk文件,因为so文件肯定是存放在libs下指定平台目录中的,而apk文件本身就是一个压缩文件,所以可以进行解压,然后读取libs目录下的so文件,进行本地释放解压到指定目录,然后在加载的时候就先拼接so文件的全路径,最后在进行加载工作即可。

通过猜想,下面就通过源码来分析一下流程,系统在安装apk的时候,是调用系统类:PackageManagerService.java类:

主要的核心方法是scanPackageDirtyLI:


这个方法主要通过传递的pkg变量,开始构造applicationInfo信息。我们往下面看,找到设置nativeLib信息的代码:


这里注意有一个判断,是不是多平台架构的应用:


所以,我们看看info.flags有没有设置这个标志,我们看到上面的pkg变量是通过解析apk文件的类PackageParser.java类中获取到的,所以可以去这个类中找这个标志位的设置。


这里看到了,如果在AndroidManifest.xml中设置了Application中的multiArch属性值的话就有,但是我们默认都没有设置这个属性值,那么就是false,也就是说一般应用都不是多平台的。所以上面的isMultiArch方法就返回false,代码就走到了这里:


在这里就有很多知识点了,而这里可以看到,就涉及到了so文件的释放工作了,主要是在NativeLibraryHelper类中,但是这里看到首先获取abiList值:


通过Build.SUPPORTED_ABIS来获取到的:


最终是通过获取系统属性:ro.product.cpu.abilist的值来得到的,我们可以使用getprop命令来查看这个属性值:


这里获取到的值是:arm64-v8a,armeabi-v7a,armeabi,我用的是64位的cpu设备,所以可以看到他有多个cpu架构可选,而且看到这个顺序会想到,这个顺序正好是向下兼容的顺序。

现在去看看NativeLibraryHelper类的copyNativeBinariesForSupportedAbi方法:


这个方法中主要干了三件事:

第一件事是获取应用所支持的arch架构类型

第二件事是通过架构类型获取so释放的目录

第三件事是native层中释放apk中的指定架构的so到设备目录中

第一件事:获取应用所支持的arch架构类型

NativeLibraryHelper类的findSupportedAbi方法,其实这个方法就是查找系统当前支持的架构型号索引值:


看看native方法的实现:


这里看到了,会先读取apk文件,然后遍历apk文件中的so文件,得到全路径然后在和传递进来的abiList进行比较,得到合适的索引值,其实实现逻辑很简单:abiList是:arm64-v8a,armeabi-v7a,armeabi,然后就开始比例apk中有没有这些架构平台的so文件,如果有,就直接返回abiList中的索引值即可,比如说apk中的libs结构如下:


那么这时候返回来的索引值就是0,代表的是arm64-v8a架构的。如果apk文件中没有arm64-v8a目录的话,那么就返回1,代表的是armeabi-v7a架构的。依次类推。得到应用支持的架构索引之后就可以获取so释放到设备中的目录了。

第二件事:获取so释放之后的目录

这里主要通过VMRuntime.java中的getInstructionSet方法:


这里调用了一个map结构值:


这里的arch架构和目录对应关系,如果arch是arm64-v8a的话,那么目录就是arm64了。

第三件事:释放apk中的so文件

直接调用的是native层方法iterateOverNativeFiles:


好了到这里就讲完了上面的三件事了,而这三件事做完之后,apk中的so文件就会被释放到本地设备中的指定目录中了,当然这里系统会根据abiList中的值以及apk中包含的arch类型的so来决定释放哪个目录中的so文件,比如这里通过ApplicationInfo类来打印当前应用的nativeLibraryDir值:


打印的结果:


看到了,因为是arm64-v8a类型的,所以目录是arm64的,而且可以看到这个应用不是多平台的。

我们可以看到Android中是如何释放apk中的so文件到本地目录的:

1、通过遍历apk文件中的so文件的全路径,然后和系统的abiList中的类型值进行比较,如果匹配到了就返回arch类型的索引值

2、得到了应用所支持的arch类型之后,就开始获取创建本地释放so的目录

3、然后开始释放so文件

我们在PackageMangerService类中继续往下看:


这里还要保存上面获取到应用支持的arch类型值,我们可以使用反射打印这个值:


打印结果:


这个值在后面应用创建VM的时候会用到。

接着开始设置应用的nativeLib路径了:


看看这个方法的实现:


这里先判断是不是64位:


通过arch类型对应的目录来判断的:


这里如果是64位,目录就是lib,如果是32位就是lib64:


这样就和我们上面释放so文件的目录保持一致了,所以这里的ApplicationInfo类中的lib路径就是我们上面释放so之后的路径了。

在之前说到了类加载器中的lib路径,我们可以打印一下库路径的,这里直接使用getClassLoader得到加载器打印即可:

这里看到Library的目录包含很多路径。

七、Android中64位系统如何兼容32位的so

上面分析完了,so文件的释放工作,下面继续来看一下如果一个64位系统的Android设备如何做到能够运行32位的so文件,这个就需要从应用的启动说起了,那么这个类就是ActivityManagerService.java,有一个核心的方法:startProcessLocked,这个方法就是向Zygote进程发送一个消息,为这个应用创建虚拟机开始运行程序了:


这里在发送消息给Zygote进程,看到这里通过ApplicationInfo中的primaryCpuAbi类型告诉Zygote改创建多少位的虚拟机,我们查看系统启动文件init.rc内容:


这里会启动一个64位的Zygote进程


然后启动一个32位的Zygot进程

所以这里应该就可以想明白了,原来系统启动的时候,如果是64位的系统设备,会启动两个Zygote进程用来兼容32位类型的应用,我们可以使用ps命令查看进程:


看到了,这里果然启动了两个Zygote进程,一个64位的,一个是32位的。所以兼容功能的大致流程图应该是这样的:


上层启动应用的时候会把应用的abi类型带过来,然后这里会根据这个类型发送给具体的Zygote进程消息,来创建虚拟机开始运行程序,这样就做到了兼容。

八、Android插件中如何加载so文件

有时候我们在开发插件的时候,可能会调用so文件,一般来说有两种方案:

一种是在加载插件的时候,先把插件中的so文件释放到本地目录,然后在把目录设置到DexClassLoader类加载器的nativeLib中。

一种在插件初始化的时候,释放插件中的so文件到本地目录,然后使用System.load方法去全路径加载so文件

这两种方式的区别在于,第一种方式的代码逻辑放在了宿主工程中,同时so文件可以放在插件的任意目录中,然后在解压插件文件找到这个so文件释放即可。第二种方式的代码逻辑是放在了插件中,同时so文件只能放在插件的assets目录中,然后通过把插件文件设置到程序的AssetManager中,最后通过访问assets中的so文件进行释放。

上面就全部分析完了Android中关于so加载的相关内容:

1、so编译平台问题

2、so加载流程分析

3、so文件释放功能分析

4、so文件兼容功能分析

5、插件中so文件调用功能分析

九、常见问题分析

第一个问题:Could not find libxxx.so


这个问题看上去很好理解,就是在调用加载so的方法的时候,到底层使用dlopen方法打开so文件,发现找不到这个so文件,那么这个问题产生的原因主要有两个:

第一个是我们的确忘了在工程的libs下存放so文件了;

第二个是我们把so文件放错目录了;

第一个原因就不多说了,主要来看第二原因:

有时候我们在开发项目的时候,可能会放多个架构类型的so文件,那么现在假如我的设备是arm64-v8a类型的,我的项目中有三个so文件,比如叫做AAA.so,BBB.so,CCC.so,然后我再arm64-v8a目录中放了AAA.so,BBB.so,而CCC.so忘了放了,但是会放到armeabi-v7a和armeabi目录中,那么这时候就会发生找不到CCC.so的错误,原因很简单:

上面分析了apk中so文件的释放逻辑,系统会先遍历apk中所有so文件的全路径,然后在结合abiList的值来决定最终释放哪个目录中的so文件,那么现在系统是arm64-v8a了,而apk中的libs下也有arm64-v8a,所以这里就会把apk中的libs\arm64-v8a中的所有so文件释放解压到本地目录中,而不会在去释放armeabi/armeabi-v7a了。因为arm64-v8a中没有CCC.so文件,所以最终释放到本地目录中也是没有这个so文件的,所以加载时找不到文件了。

解决办法:就是在使用so文件的时候,需要确定在每个架构类型目录中都要有相同的so文件即可。

第二个问题:32-bit instead of 64-bit


这个问题的原因主要是因为64位的Zygote进程创建的虚拟机中加载了32位的so文件,这个问题的产生原因主要有两个:

第一个是我们把不同架构类型的so文件放错目录了,比如armeabi/armeabi-v7a的so文件放到了arm64-v8a中了

第二个是我们在开发插件的过程中,宿主工程中有arm64-v8a目录,但是插件中加载so却是armeabi/armeabi-v7a类型的

第一个原因就不多说了,主要是因为so放错目录了,来看一下第二个原因,我们在开发插件的时候有时候需要在插件中去加载so文件,一般都是使用System.load方式去加载全路径的so文件,那么这里就可能存在一个问题,比如宿主工程中,放了所有架构的目录,包括了64位的,因为考虑插件的大小,所以在插件中只放了armeabi-v7a目录的so文件,如果设备是64位的系统,那么这时候插件加载so文件就会报错。原因就在于上面分析的so兼容问题中说到了,因为宿主工程中包含了64位的架构arm64-v8a类型,系统的abiList中也有arm64-v8a类型,所以这时候应用的ApplicationInfo的abi就是arm64-v8a了,那么就会发送消息给Zygote64的进程,创建的也是64位的虚拟机了,而最后插件中加载so的类型是32位的armeabi-v7a,那么就会报错了,因为32位的so文件不能运行在64位的虚拟机中的。

解决办法:宿主工程和插件工程中的so文件的架构类型保持一致,这个将会带来一个很大的问题,就是插件包会变得很大,因为宿主工程为了兼容多数机型,加入了多个类型的架构so文件,但是插件为了减小包大小,就放了指定类型的so文件,但是最终会存在这种问题,所以这个解决办法就要看项目需要了。

还有一个类似的问题:64-bit instead of 32-bit:


原理都是一样的,32位的虚拟机中加载了64位的so文件问题导致的。

第三个问题:Shared library already opened


这个问题在上面介绍so加载流程中已经介绍过了,原因主要是因为之前使用DexClassLoader加载so之后,so没有释放还在内存中,而在此启动有弄了一个新的DexClassLoader对象去加载so问题,就出错了。

我们使用DexClassLoader类去加载插件,但是因为我们为了插件能够实时更新,所以每次都会赋值新的DexClassLoader对象,但是第一次加载so文件到内存中了,这时候退出程序,但是没有真正意义上的退出,只是关闭了Activity了,这时候再次启动又会赋值新的加载器对象,那么原先so已经加载到内存中了,但是这时候是新的类加载器那么就报错了。

解决办法:

第一种方式:在退出程序的时候采用真正意义上的退出,比如调用System.exit(0)方法,这时候进程被杀了,加载到内存的so也就被释放了,那么下次赋值新的类加载就在此加载so到内存了。

第二种方式:就是全局定义一个static类型的类加载DexClassLoader也是可以的,因为static类型是保存在当前进程中,如果进程没有被杀就一直存在这个对象,下次进入程序的时候判断当前类加载器是否为null,如果不为null就不要赋值了,但是这个方法有一个弊端就是类加载器没有从新赋值,如果插件这时候更新了,但是还是使用之前的加载器,那么新插件将不会进行加载。

十、技术概要

本文主要介绍了Android中关于so的相关知识,主要包括so编译多架构问题,so加载流程问题,so释放问题,so系统兼容问题以及插件中加载so文件的功能解析,看完本文之后,我们需要了解到的知识点:

1、在NDK开发时,可以指定多种架构类型编译出多种类型的so文件。

2、so的加载流程主要是System类中的两个加载方法,最终都会调用Runtime中的nativeLoad的native方法,而这个native方法最终会调用dlopen来打开so文件,然后在调用dlsym方法调用so的JNI_OnLoad方法。

3、关于apk文件在安装的时候释放so文件到本地目录中,主要是结合当前设备的abiList信息(这个信息主要是通过系统属性:ro.product.cpu.abilist值来获取的)和apk中不同类型架构,来决定最终释放哪个类型目录中的so文件,释放完成之后,还需要设置应用的nativeLib路径,以及应用的abi信息,因为这个abi信息在后面启动虚拟机的时候需要用到。

4、因为现在有很多设备已经是64位系统了,但是为了兼容32位的so文件,所以这些64位系统就会在系统启动的时候创建两个Zygote进程,一个是64位的,一个是32位的,当一个应用启动的时候,需要创建虚拟机,那么这时候就会把应用的架构类型传递过去,系统会根据这个类型来交给哪个Zygote进程来处理这个应用启动事件。这样就可以做到so调用的兼容问题了。

5、插件中加载so文件现阶段主要有两种方式,一种是先释放插件中的so文件到本地目录,然后设置DexClassLoader的nativeLib路径;还有一种方式是先释放插件中的so文件,然后调用System.load来加载全局路径的so文件。

十一、问题总结

本文还总结了在使用so文件的时候,会遇到的一些问题,主要是三个问题:

1、so文件找不到问题

这个问题一般是因为我们忘记放了so文件,或者是so文件没有放置全部,也就是没有在libs目录中所有的架构类型目录中放置。

2、不同位数的虚拟机运行了不同位数的so文件

这个问题一般是因为我们在libs目录中把so文件放错目录了,或者是宿主工程和插件工程中的so文件架构类型目录没有保持一致。

3、类加载器加载so文件再次加载

这个问题一般是因为插件开发中使用了不同的DexClassLoader去加载多次相同的so文件导致的。

十二、知识延展

我们在开发的过程中有时候想知道系统的位数,那么这里网上告知说有好几种方法,其实那些都是忽悠人的,特别是在使用这个api的时候:android.os.Build.CPU_ABI,我就是在项目中被这个方法坑爹了,这个方法其实不是获取系统的位数,而是获取当前应用的架构类型位数,就是我们前面分析的ApplicationInfo中的abi信息,我们可以查看一下源码:


这里可以看到,这个字段已经被废弃了,因为他不靠谱呀,这个字段在Build类的static块中进行赋值的:


这里会通过VMRuntime类的is64Bit方法来判断当前虚拟机的位数,来获取这个值


这里还有两个系统属性:

ro.product.cpu.abilist32是32位的所有arch架构类型

ro.product.cpu.abilist64是64位的所有arch架构类型

而这两个字段值的合集就是前面的ro.product.cpu.abilist属性值。


而VMRuntime的is64Bit方法是native方法,实现如下:


看到了,这里得到的是虚拟机的位数,那么就是上面的Zygote进程的位数了。那么问题就来了,假如我的设备是64位的,但是我的项目中没有arm64-v8a类型的so文件,这时候在解析apk进行释放so文件的时候,就会得知架构类型是armeabi/armeabi-v7a了,因为遍历apk文件,没有找到arm64-v8a类型的so文件,这时候应用的abi类型就是armeabi/armeabi-v7a了,这就是32位的了,就会通知32位的Zygote进程创建了一个32位的虚拟机,那么此时我的项目中通过Build.CPU_ABI得到的系统位数就是32了,那么完全不是我们想要的了。

所以正确的获取系统位数的方法是:

Android5.0系统之后,可以通过ro.product.cpu.abilist属性字段值来判断,如果这个字段值中包含了64的话,那么就是64位系统了

Android5.0系统之前,需要通过ro.product.cpu.abi属性字段值来判断,不过5.0系统之前都是32位的,还没有出现64位呢。

十三、选择适当架构类型减小包大小

我们上面分析之后可以看到,如果想做到万无一失即,项目不报错,而且so运行效率也是非常高的话,就需要把那几个架构类型的so文件都要在项目中放一遍,那么这个问题就来了,如果so文件较大的话,apk包最终也是很大的,所以这里就需要做一次选择了。

1、我们在开发一个项目的时候因为,整个项目的so文件结构我们可以控制,所以为了防止apk包增大,我们可以考虑只放几个架构类型的so文件,比如最好的是放armeabi类型的,因为首先现在大部分设备采用cpu型号都是arm的,少数采用x86或者是mips类型的,其次是防止了armeabi类型之后,对于armeabi-v7a和arm64-v8a就可以兼容了,不会存在报错问题。但是因为系统需要兼容所以就会出现so运行效率的问题了,最好的效率就是指定架构类型的so运行在对应架构类型的设备中。因为现在大部分的设备系统版本都是4.0以上了,所以armeabi-v7a架构类型用的比较多了,所以有时候为了效率问题,项目中只放了这个架构类型的so文件,那么像老版本的手机armeabi的话就会报错了,当然这个错误是可以接受的即可。

2、有时候像x86和mips等少数类型架构的设备,开发程序的时候会单独出一个版本比如叫做xxx应用x86版本

3、在开发SDK的时候,因为开发之后的SDK包是给其他app接入的,而对于接入的app,我们不能做太多的限制,所以理论上应该把所有架构类型的so都要提供,这样给需要接入的app进行选择即可,比如像百度地图SDK:


十四、总结

本文主要是介绍了Android中关于so的相关知识,而这些知识点都是在使用so文件中会经常用到的,同时一些问题也是我们会遇到的,这里只是做了一个总结,同时也给出了插件中加载so文件的方案已经遇到的问题解决思路等内容。


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