Android Tinker中bsdiff/bspatch算法的应用原理与源码深度剖析(4)

Android Tinker中bsdiff/bspatch算法的应用原理与源码深度剖析

一、bsdiff/bspatch算法基础

1.1 算法概述

bsdiff/bspatch是由Colin Percival开发的一对二进制文件差分与合成算法，主要用于生成和应用二进制文件的补丁。这对算法的核心优势在于能够高效地找出两个二进制文件之间的差异，并以最小的补丁体积存储这些差异。在Android热修复领域，Tinker框架选择bsdiff/bspatch作为Dex文件差分与合成的基础算法，主要因为其能够在保证补丁体积小的同时，高效地完成Dex文件的更新。

1.2 算法核心思想

bsdiff算法的核心思想是通过对比两个二进制文件（通常是旧版本和新版本），找出它们之间的差异，并生成一个包含这些差异的补丁文件。而bspatch算法则是根据这个补丁文件，将旧文件恢复为新文件。这种方式的优势在于，当需要更新一个较大的文件时，只需下载体积小得多的补丁文件，然后在本地进行合成，大大减少了网络传输量和用户等待时间。

1.3 算法基本原理

bsdiff算法的工作流程大致如下：

对旧文件建立哈希索引，以便快速定位数据块。
逐块对比新旧文件，找出相同的数据块和不同的数据块。
记录相同数据块的位置和长度，以及不同数据块的具体内容。
生成包含这些记录的补丁文件。

bspatch算法的工作流程则是：

读取补丁文件中的记录。
根据记录，从旧文件中复制相同的数据块到新文件中。
将补丁文件中记录的不同数据块插入到新文件的相应位置。
生成最终的新文件。

二、Tinker中bsdiff/bspatch的集成架构

2.1 JNI层实现

Tinker通过JNI（Java Native Interface）技术将bsdiff/bspatch的C/C++实现与Java层代码连接起来。这种方式既能利用C/C++的高性能处理能力，又能保持Java层代码的简洁和易用性。

在Tinker的JNI实现中，主要包含以下几个关键部分：

JNI接口定义：

// bsdiff_jni.c - bsdiff的JNI实现
#include <jni.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "bsdiff.h"  // 包含bsdiff算法的实现头文件// JNI函数：生成差分补丁
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_tencent_tinker_bsdiff_BsdiffJni_bsdiff(JNIEnv *env, jobject thiz,jstring oldPath, jstring newPath,jstring patchPath) {// 将Java字符串转换为C字符串const char *oldFilePath = (*env)->GetStringUTFChars(env, oldPath, NULL);const char *newFilePath = (*env)->GetStringUTFChars(env, newPath, NULL);const char *patchFilePath = (*env)->GetStringUTFChars(env, patchPath, NULL);// 调用bsdiff核心函数生成补丁int result = bsdiff_main(3, (char *const[]){"bsdiff",           // 程序名称(char *)oldFilePath, // 旧文件路径(char *)newFilePath, // 新文件路径(char *)patchFilePath // 补丁文件路径});// 释放Java字符串资源(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, oldPath, oldFilePath);(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, newPath, newFilePath);(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, patchPath, patchFilePath);return result; // 返回执行结果，0表示成功
}

bspatch的JNI实现：

// bspatch_jni.c - bspatch的JNI实现
#include <jni.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "bspatch.h"  // 包含bspatch算法的实现头文件// JNI函数：应用差分补丁
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_tencent_tinker_bsdiff_BspatchJni_bspatch(JNIEnv *env, jobject thiz,jstring oldPath, jstring newPath,jstring patchPath) {// 将Java字符串转换为C字符串const char *oldFilePath = (*env)->GetStringUTFChars(env, oldPath, NULL);const char *newFilePath = (*env)->GetStringUTFChars(env, newPath, NULL);const char *patchFilePath = (*env)->GetStringUTFChars(env, patchPath, NULL);// 调用bspatch核心函数应用补丁int result = bspatch_main(4, (char *const[]){"bspatch",          // 程序名称(char *)oldFilePath, // 旧文件路径(char *)newFilePath, // 新文件路径(char *)patchFilePath // 补丁文件路径});// 释放Java字符串资源(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, oldPath, oldFilePath);(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, newPath, newFilePath);(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, patchPath, patchFilePath);return result; // 返回执行结果，0表示成功
}

2.2 Java层封装

在Java层，Tinker对JNI接口进行了封装，提供了更易用的API：

BsdiffWrapper类：

// BsdiffWrapper.java - bsdiff的Java封装
package com.tencent.tinker.bsdiff;public class BsdiffWrapper {// 加载bsdiff的Native库static {System.loadLibrary("bsdiff");}// 生成差分补丁的本地方法声明public static native int bsdiff(String oldFilePath, String newFilePath, String patchFilePath);/*** 生成两个文件之间的差分补丁* @param oldFilePath 旧文件路径* @param newFilePath 新文件路径* @param patchFilePath 补丁文件路径* @return 操作结果，0表示成功，非0表示失败*/public static int generatePatch(String oldFilePath, String newFilePath, String patchFilePath) {// 可以添加额外的参数检查和预处理return bsdiff(oldFilePath, newFilePath, patchFilePath);}
}

BspatchWrapper类：

// BspatchWrapper.java - bspatch的Java封装
package com.tencent.tinker.bsdiff;public class BspatchWrapper {// 加载bspatch的Native库static {System.loadLibrary("bspatch");}// 应用差分补丁的本地方法声明public static native int bspatch(String oldFilePath, String newFilePath, String patchFilePath);/*** 应用差分补丁到旧文件，生成新文件* @param oldFilePath 旧文件路径* @param newFilePath 新文件路径* @param patchFilePath 补丁文件路径* @return 操作结果，0表示成功，非0表示失败*/public static int applyPatch(String oldFilePath, String newFilePath, String patchFilePath) {// 可以添加额外的参数检查和预处理return bspatch(oldFilePath, newFilePath, patchFilePath);}
}

2.3 整体调用流程

Tinker使用bsdiff/bspatch算法的整体调用流程如下：

差分生成流程：

Java层代码调用BsdiffWrapper.generatePatch方法。
BsdiffWrapper通过JNI调用到C/C++层的bsdiff_main函数。
bsdiff_main函数执行差分算法，生成补丁文件。
结果返回给Java层。

补丁应用流程：

Java层代码调用BspatchWrapper.applyPatch方法。
BspatchWrapper通过JNI调用到C/C++层的bspatch_main函数。
bspatch_main函数执行合成算法，应用补丁生成新文件。
结果返回给Java层。

三、bsdiff算法在Tinker中的实现细节

3.1 算法核心数据结构

bsdiff算法使用了几个关键的数据结构来实现高效的文件对比和差异记录：

Suffix Array（后缀数组）：

用于快速定位旧文件中的数据块，是bsdiff算法的核心数据结构之一。
后缀数组是一个整数数组，存储了原文件所有后缀的起始位置，这些位置按照后缀的字典序排列。

// bsdiff.c - 后缀数组相关数据结构
typedef struct {uint64_t pos;  // 后缀的起始位置uint64_t rank; // 后缀的排名uint64_t next; // 用于排序的辅助字段
} SAElement;// 后缀数组
SAElement *sa;     // 存储后缀信息的数组
uint64_t *isa;     // 逆后缀数组，用于快速查找
uint64_t sa_size;  // 后缀数组的大小

Hash Table（哈希表）：

用于快速查找旧文件中的数据块，加速匹配过程。

// bsdiff.c - 哈希表相关数据结构
typedef struct {uint64_t key;   // 哈希键uint64_t value; // 哈希值（通常是数据块的位置）
} HashEntry;HashEntry *hash_table;  // 哈希表数组
uint64_t hash_size;     // 哈希表大小
uint64_t hash_mask;     // 哈希掩码，用于快速取模

3.2 算法核心步骤

bsdiff算法的核心步骤包括：

构建后缀数组：

对旧文件构建后缀数组，以便快速定位数据块。

// bsdiff.c - 构建后缀数组的函数
static void build_suffix_array(const uint8_t *old, uint64_t oldsize) {// 初始化后缀数组和相关变量sa = (SAElement *)malloc(oldsize * sizeof(SAElement));isa = (uint64_t *)malloc(oldsize * sizeof(uint64_t));// ...// 构建后缀数组的主循环for (uint64_t i = 0; i < oldsize; i++) {sa[i].pos = i;sa[i].rank = old[i];sa[i].next = (i + 1 < oldsize) ? old[i + 1] : -1;}// 对后缀数组进行排序（简化示意，实际实现更复杂）qsort(sa, oldsize, sizeof(SAElement), compare_suffixes);// 构建逆后缀数组for (uint64_t i = 0; i < oldsize; i++) {isa[sa[i].pos] = i;}// 进一步优化后缀数组（倍增算法等）// ...
}

构建哈希表：

对旧文件的数据块构建哈希表，用于快速匹配。

// bsdiff.c - 构建哈希表的函数
static void build_hash_table(const uint8_t *old, uint64_t oldsize) {// 计算哈希表大小（通常是2的幂次方）hash_size = 1;while (hash_size < oldsize) hash_size <<= 1;hash_mask = hash_size - 1;// 分配哈希表内存hash_table = (HashEntry *)calloc(hash_size, sizeof(HashEntry));// 初始化为无效值for (uint64_t i = 0; i < hash_size; i++) {hash_table[i].key = (uint64_t)-1;}// 将旧文件的每个数据块插入哈希表for (uint64_t i = 0; i <= oldsize - BLOCK_SIZE; i++) {uint64_t hash = hash_function(old + i, BLOCK_SIZE);uint64_t index = hash & hash_mask;// 处理哈希冲突（开放寻址法）while (hash_table[index].key != (uint64_t)-1) {index = (index + 1) & hash_mask;}// 插入新条目hash_table[index].key = hash;hash_table[index].value = i;}
}

查找最长匹配：

在旧文件中查找与新文件当前位置最长的匹配数据块。

// bsdiff.c - 查找最长匹配的函数
static uint64_t find_longest_match(const uint8_t *old, uint64_t oldsize,const uint8_t *new, uint64_t newsize,uint64_t newpos) {uint64_t bestpos = 0;uint64_t bestlen = 0;// 先尝试通过哈希表快速查找if (newpos <= newsize - BLOCK_SIZE) {uint64_t hash = hash_function(new + newpos, BLOCK_SIZE);uint64_t index = hash & hash_mask;// 查找哈希表中的匹配项while (hash_table[index].key != (uint64_t)-1) {if (hash_table[index].key == hash) {uint64_t pos = hash_table[index].value;uint64_t len = 0;// 计算实际匹配长度while (newpos + len < newsize && pos + len < oldsize && new[newpos + len] == old[pos + len]) {len++;}// 更新最佳匹配if (len > bestlen) {bestlen = len;bestpos = pos;}}index = (index + 1) & hash_mask;}}// 如果哈希表中没有找到足够长的匹配，使用后缀数组进行更全面的搜索if (bestlen < MIN_MATCH_LENGTH) {// 使用后缀数组进行搜索（简化示意）// ...}return bestpos;
}

生成补丁：

根据匹配结果，生成包含控制信息、差异数据和额外数据的补丁文件。

// bsdiff.c - 生成补丁的主函数
static int generate_patch(const uint8_t *old, uint64_t oldsize,const uint8_t *new, uint64_t newsize,FILE *patch_file) {// 写入补丁文件头部信息fwrite("BSDIFF40", 8, 1, patch_file);// 初始化各种变量uint64_t oldpos = 0;uint64_t newpos = 0;// 主循环：处理新文件的每个数据块while (newpos < newsize) {// 查找最长匹配uint64_t oldmatch = find_longest_match(old, oldsize, new, newsize, newpos);uint64_t len = 0;// 计算匹配长度while (newpos + len < newsize && oldmatch + len < oldsize && new[newpos + len] == old[oldmatch + len]) {len++;}// 如果有匹配，记录控制信息和差异数据if (len > 0) {// 计算差异数据（如果有）uint64_t diff_len = oldmatch - oldpos;if (diff_len > 0) {// 写入控制信息：差异数据长度write_control(patch_file, diff_len);// 写入差异数据fwrite(new + newpos, 1, diff_len, patch_file);}// 写入控制信息：匹配数据长度write_control(patch_file, len);// 更新位置oldpos = oldmatch + len;newpos += len;} else {// 如果没有匹配，记录额外数据uint64_t extra_len = 1; // 简化处理，实际可能更长// 写入控制信息：额外数据长度write_control(patch_file, 0);write_control(patch_file, extra_len);// 写入额外数据fwrite(new + newpos, 1, extra_len, patch_file);// 更新位置newpos += extra_len;}}return 0; // 成功
}

3.3 Tinker对bsdiff的优化

Tinker在使用bsdiff算法时进行了以下优化：

针对Dex文件特性的优化：

由于Dex文件具有特定的结构（如类、方法、字段等），Tinker在差分前会对Dex文件进行分析，识别出这些结构，然后针对这些结构进行更高效的差分处理。
例如，对于Dex文件中的常量池部分，Tinker会单独处理，因为这部分内容通常变化较多但有规律可循。

内存使用优化：

由于Android设备内存有限，Tinker对bsdiff算法的内存使用进行了优化，减少了不必要的内存分配和数据复制。
例如，在构建后缀数组和哈希表时，采用了更节省内存的数据结构和算法。

性能优化：

对bsdiff算法的关键部分进行了性能优化，如加速后缀数组的构建和搜索过程。
例如，使用了更高效的排序算法和哈希函数，减少了算法的时间复杂度。

四、bspatch算法在Tinker中的实现细节

4.1 算法核心数据结构

bspatch算法使用的数据结构相对简单，主要包括：

补丁文件头部：

存储补丁文件的元信息，如版本号、各部分数据的大小等。

// bspatch.c - 补丁文件头部结构
typedef struct {char magic[8];      // 魔术字，标识补丁文件类型uint64_t control_len; // 控制数据长度uint64_t diff_len;    // 差异数据长度uint64_t extra_len;   // 额外数据长度
} PatchHeader;

控制块：

存储用于指导补丁应用的控制信息，如差异数据长度、匹配数据长度等。

// bspatch.c - 控制块结构
typedef struct {uint64_t diff_len;  // 差异数据长度uint64_t extra_len; // 额外数据长度uint64_t seek;      // 旧文件指针偏移量
} ControlBlock;

4.2 算法核心步骤

bspatch算法的核心步骤包括：

读取补丁文件头部：

从补丁文件中读取头部信息，获取各部分数据的长度。

// bspatch.c - 读取补丁文件头部
static int read_patch_header(FILE *patch_file, PatchHeader *header) {// 读取魔术字if (fread(header->magic, 8, 1, patch_file) != 1) {return -1; // 读取失败}// 验证魔术字if (memcmp(header->magic, "BSDIFF40", 8) != 0) {return -1; // 不是有效的补丁文件}// 读取各部分长度if (read_int64(patch_file, &header->control_len) != 0 ||read_int64(patch_file, &header->diff_len) != 0 ||read_int64(patch_file, &header->extra_len) != 0) {return -1; // 读取失败}return 0; // 成功
}

应用控制块和差异数据：

循环读取控制块，根据控制块中的信息应用差异数据和额外数据。

// bspatch.c - 应用补丁的主函数
static int apply_patch(const uint8_t *old, uint64_t oldsize,uint8_t *new, uint64_t newsize,FILE *patch_file, const PatchHeader *header) {// 定位到控制数据开始位置if (fseek(patch_file, 32, SEEK_SET) != 0) {return -1;}// 分配控制块缓冲区ControlBlock *ctrl = (ControlBlock *)malloc(sizeof(ControlBlock));if (!ctrl) {return -1;}// 分配差异数据和额外数据缓冲区uint8_t *diff_buf = (uint8_t *)malloc(header->diff_len);uint8_t *extra_buf = (uint8_t *)malloc(header->extra_len);if (!diff_buf || !extra_buf) {free(ctrl);return -1;}// 读取差异数据和额外数据if (fread(diff_buf, 1, header->diff_len, patch_file) != header->diff_len ||fread(extra_buf, 1, header->extra_len, patch_file) != header->extra_len) {free(ctrl);free(diff_buf);free(extra_buf);return -1;}// 初始化指针uint64_t oldpos = 0;uint64_t newpos = 0;uint64_t diff_pos = 0;uint64_t extra_pos = 0;// 主循环：处理每个控制块while (newpos < newsize) {// 读取控制块if (read_control_block(patch_file, ctrl) != 0) {break;}// 应用差异数据if (newpos + ctrl->diff_len > newsize) {break;}for (uint64_t i = 0; i < ctrl->diff_len; i++) {if (oldpos + i < oldsize) {new[newpos + i] = old[oldpos + i] + diff_buf[diff_pos + i];} else {new[newpos + i] = diff_buf[diff_pos + i];}}// 更新指针newpos += ctrl->diff_len;oldpos += ctrl->diff_len;diff_pos += ctrl->diff_len;// 应用额外数据if (newpos + ctrl->extra_len > newsize) {break;}memcpy(new + newpos, extra_buf + extra_pos, ctrl->extra_len);// 更新指针newpos += ctrl->extra_len;oldpos += ctrl->seek;extra_pos += ctrl->extra_len;}// 释放资源free(ctrl);free(diff_buf);free(extra_buf);return 0; // 成功
}

4.3 Tinker对bspatch的优化

Tinker在使用bspatch算法时进行了以下优化：

Dex文件合成优化：

针对Dex文件的结构特点，Tinker在合成过程中会对某些关键部分进行特殊处理，确保合成后的Dex文件结构正确。
例如，在合成Dex文件的索引区时，会特别注意维护各种索引的一致性。

内存使用优化：

优化了bspatch算法的内存使用，避免一次性加载过大的数据块，减少了内存峰值。
例如，采用流式处理方式，逐块读取和处理补丁文件，而不是一次性将整个补丁文件加载到内存中。

错误处理与恢复：

增强了错误处理机制，在合成过程中如果出现错误，能够提供更详细的错误信息，并尝试进行恢复。
例如，在写入新文件时添加了校验机制，确保写入的数据正确无误。

五、Tinker中bsdiff/bspatch的调用流程

5.1 差分生成流程

Tinker生成Dex差分补丁的完整流程如下：

准备工作：

获取旧Dex文件（通常是应用当前安装的Dex）和新Dex文件（修复或更新后的Dex）。
检查文件的合法性，确保它们存在且格式正确。

调用bsdiff算法：

通过JNI调用bsdiff的Native实现，传入旧Dex文件路径、新Dex文件路径和补丁文件路径。

// DexPatchGenerator.java - 生成Dex补丁
public class DexPatchGenerator {public static boolean generatePatch(String oldDexPath, String newDexPath, String patchPath) {// 检查输入文件File oldFile = new File(oldDexPath);File newFile = new File(newDexPath);if (!oldFile.exists() || !newFile.exists()) {return false;}// 创建输出目录File patchFile = new File(patchPath);File parentDir = patchFile.getParentFile();if (!parentDir.exists()) {parentDir.mkdirs();}// 调用bsdiff生成补丁int result = BsdiffWrapper.generatePatch(oldDexPath, newDexPath, patchPath);return result == 0;}
}

处理结果：

检查bsdiff的返回值，判断补丁生成是否成功。
如果成功，返回补丁文件路径；如果失败，记录错误信息并返回失败。

5.2 补丁应用流程

Tinker应用Dex差分补丁的完整流程如下：

准备工作：

获取旧Dex文件路径、补丁文件路径和新Dex文件路径。
检查文件的合法性，确保它们存在且格式正确。

调用bspatch算法：

通过JNI调用bspatch的Native实现，传入旧Dex文件路径、新Dex文件路径和补丁文件路径。

// DexPatchApplier.java - 应用Dex补丁
public class DexPatchApplier {public static boolean applyPatch(String oldDexPath, String newDexPath, String patchPath) {// 检查输入文件File oldFile = new File(oldDexPath);File patchFile = new File(patchPath);if (!oldFile.exists() || !patchFile.exists()) {return false;}// 创建输出目录File newFile = new File(newDexPath);File parentDir = newFile.getParentFile();if (!parentDir.exists()) {parentDir.mkdirs();}// 调用bspatch应用补丁int result = BspatchWrapper.applyPatch(oldDexPath, newDexPath, patchPath);return result == 0;}
}