Android插件化原理（一）Activity插件化[通俗易懂]

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前言

四大组件的插件化是插件化技术的核心知识点，而Activity插件化更是重中之重，Activity插件化主要有三种实现方式，分别是反射实现、接口实现和Hook技术实现。反射实现会对性能有所影响，主流的插件化框架没有采用此方式，关于接口实现可以阅读dynamic-load-apk的源码，这里不做介绍，目前Hook技术实现是主流，因此本篇文章主要介绍Hook技术实现。 Hook技术实现主要有两种解决方案 ，一种是通过Hook IActivityManager来实现，另一种是Hook Instrumentation实现。在讲到这两个解决方案前，我们需要从整体上了解Activity的启动流程。

1.Activity的启动过程回顾

Activity的启动过程主要分为两种，一种是根Activity的启动过程，一种是普通Activity的启动过程。关于根Activity的启动过程在在介绍过，这里来简单回顾下，如下图所示。

图 1

首先Launcher进程向AMS请求创建根Activity，AMS会判断根Activity所需的应用程序进程是否存在并启动，如果不存在就会请求Zygote进程创建应用程序进程。应用程序进程启动后，AMS会请求应用程序进程创建并启动根Activity。 普通Activity和根Activity的启动过程大同小异，但是没有这么复杂，因为不涉及应用程序进程的创建，跟Laucher也没关系，如下图所示。

图2

上图抽象的给出了普通Acticity的启动过程。在应用程序进程中的Activity向AMS请求创建普通Activity（步骤1），AMS会对 这个Activty的生命周期管和栈进行管理，校验Activity等等。如果Activity满足AMS的校验，AMS就会请求应用程序进程中的ActivityThread去创建并启动普通Activity（步骤2）。

2.Hook IActivityManager方案实现

AMS是在SystemServer进程中，我们无法直接进行修改，只能在应用程序进程中做文章。可以采用预先占坑的方式来解决没有在AndroidManifest.xml中显示声明的问题，具体做法就是在上图步骤1之前使用一个在AndroidManifest.xml中注册的Activity来进行占坑，用来通过AMS的校验。 接着在步骤2之后用插件Activity替换占坑的Activity，接下来根据这个解决方案我们来实践一下。

2.1 注册Activity进行占坑

为了更好的讲解启动插件Activity的原理，这里省略了插件Activity的加载逻辑，直接创建一个TargetActivity来代表已经加载进来的插件Activity，接着我们再创建一个SubActivity用来占坑。在AndroidManifest.xml中注册SubActivity，如下所示。 AndroidManifest.xml

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android" package="com.example.liuwangshu.pluginactivity">S
    <application ... <activity android:name=".StubActivity"/>
    </application>
</manifest>

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TargetActivity用来代表已经加载进来的插件Activity，因此不需要在AndroidManifest.xml进行注册。如果我们直接在MainActivity中启动TargetActivity肯定会报错（android.content.ActivityNotFoundException异常）。

2.2 使用占坑Activity通过AMS验证

为了防止报错，需要将启动的TargetActivity替换为SubActivity，用SubActivity来通过AMS的验证。在第六章时讲过Android 8.0与7.0的AMS家族有一些差别，主要是Android 8.0去掉了AMS的代理ActivityManagerProxy，代替它的是IActivityManager，直接采用AIDL来进行进程间通信。 Android7.0的Activity的启动会调用ActivityManagerNative的getDefault方法，如下所示。 frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java

IT知识分享网 static public IActivityManager getDefault() {
        return gDefault.get();
    }
 private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
        protected IActivityManager create() {
            IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
            if (false) {
                Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b);
            }
            IActivityManager am = asInterface(b);
            if (false) {
                Log.v("ActivityManager", "default service = " + am);
            }
            return am;
        }
    };

getDefault方法返回了IActivityManager类型的对象，IActivityManager借助了Singleton类来实现单例，而且gDefault又是静态的，因此IActivityManager是一个比较好的Hook点。 Android8.0的Activity的启动会调用ActivityManager的getService方法，如下所示。 frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManager.java

  public static IActivityManager getService() {
        return IActivityManagerSingleton.get();
    }

    private static final Singleton<IActivityManager> IActivityManagerSingleton =
            new Singleton<IActivityManager>() {
                @Override
                protected IActivityManager create() {
                    final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
                    final IActivityManager am = IActivityManager.Stub.asInterface(b);
                    return am;
                }
            };

同样的，getService方法返回了了IActivityManager类型的对象，并且IActivityManager借助了Singleton类来实现单例，确定了无论是Android7.0还是Android8.0，IActivityManager都是比较好的Hook点。Singleton类如下所示，后面会用到。 frameworks/base/core/java/android/util/Singleton.java

IT知识分享网public abstract class Singleton<T> {
    private T mInstance;
    protected abstract T create();
    public final T get() {
        synchronized (this) {
            if (mInstance == null) {
                mInstance = create();
            }
            return mInstance;
        }
    }
}

由于Hook需要多次对字段进行反射操作，先写一个字段工具类FieldUtil：

FieldUtil.java

public class FieldUtil {
    public static Object getField(Class clazz, Object target, String name) throws Exception {
        Field field = clazz.getDeclaredField(name);
        field.setAccessible(true);
        return field.get(target);
    }
    public static Field getField(Class clazz, String name) throws Exception{
        Field field = clazz.getDeclaredField(name);
        field.setAccessible(true);
        return field;
    }
    public static void setField(Class clazz, Object target, String name, Object value) throws Exception {
        Field field = clazz.getDeclaredField(name);
        field.setAccessible(true);
        field.set(target, value);
    }

其中setField方法不会马上用到，接着定义替换IActivityManager的代理类IActivityManagerProxy，如下所示。

public class IActivityManagerProxy implements InvocationHandler {
    private Object mActivityManager;
    private static final String TAG = "IActivityManagerProxy";
    public IActivityManagerProxy(Object activityManager) {
        this.mActivityManager = activityManager;
    }
    @Override
    public Object invoke(Object o, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        if ("startActivity".equals(method.getName())) {//1
            Intent intent = null;
            int index = 0;
            for (int i = 0; i < args.length; i++) {
                if (args[i] instanceof Intent) {
                    index = i;
                    break;
                }
            }
            intent = (Intent) args[index];
            Intent subIntent = new Intent();//2
            String packageName = "com.example.liuwangshu.pluginactivity";
            subIntent.setClassName(packageName,packageName+".StubActivity");//3
            subIntent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENT, intent);//4
            args[index] = subIntent;//5
        }
        return method.invoke(mActivityManager, args);
    }
}

Hook点IActivityManager是一个接口，建议采用动态代理。在注释1处拦截startActivity方法，接着获取参数args中第一个Intent对象，它是原本要启动插件TargetActivity的Intent。注释2、3处新建一个subIntent用来启动的StubActivity，注释4处将这个TargetActivity的Intent保存到subIntent中，便于以后还原TargetActivity。注释5处用subIntent赋值给参数args，这样启动的目标就变为了StubActivity，用来通过AMS的校验。 最后用代理类IActivityManagerProxy来替换IActivityManager，如下所示。

HookHelper.java

public class HookHelper {
    public static final String TARGET_INTENT = "target_intent";
    public static void hookAMS() throws Exception {
        Object defaultSingleton=null;
        if (Build.VERSION.SDK_INT >= 26) {//1
            Class<?> activityManageClazz = Class.forName("android.app.ActivityManager");
            //获取activityManager中的IActivityManagerSingleton字段
            defaultSingleton=  FieldUtil.getField(activityManageClazz ,null,"IActivityManagerSingleton");
        } else {
            Class<?> activityManagerNativeClazz = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative");
            //获取ActivityManagerNative中的gDefault字段
            defaultSingleton=  FieldUtil.getField(activityManagerNativeClazz,null,"gDefault");
        }
        Class<?> singletonClazz = Class.forName("android.util.Singleton");
        Field mInstanceField= FieldUtil.getField(singletonClazz ,"mInstance");//2
        //获取iActivityManager
        Object iActivityManager = mInstanceField.get(defaultSingleton);//3
        Class<?> iActivityManagerClazz = Class.forName("android.app.IActivityManager");
        Object proxy = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(),
                new Class<?>[] { iActivityManagerClazz }, new IActivityManagerProxy(iActivityManager));
        mInstanceField.set(defaultSingleton, proxy);
    }
}

首先在注释1处对系统版本进行区分，最终获取的是 Singleton<IActivityManager>类型的IActivityManagerSingleton或者gDefault字段。注释2处获取Singleton类中的mInstance字段，从前面Singleton类的代码可以得知mInstance字段的类型为T，在注释3处得到IActivityManagerSingleton或者gDefault字段中的T的类型，T的类型为IActivityManager。最后动态创建代理类IActivityManagerProxy，用IActivityManagerProxy来替换IActivityManager。 自定义一个Application，在其中调用HookHelper 的hookAMS方法，如下所示。

MyApplication.java

public class MyApplication extends Application {
    @Override
    public void attachBaseContext(Context base) {
        super.attachBaseContext(base);
        try {
            HookHelper.hookAMS();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在MainActivity中启动TargetActivity，如下所示。

MainActivity.java

public class MainActivity extends Activity {
    private Button bt_hook;
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        bt_hook = (Button) this.findViewById(R.id.bt_hook);
        bt_hook.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View view) {
                Intent intent = new Intent(MainActivity.this, TargetActivity.class);
                startActivity(intent);
            }
        });
    }
}

点击Button时，启动的并不是TargetActivity而是SubActivity，同时Log中打印了”hook成功”，说明我们已经成功用SubActivity通过了AMS的校验。

2.3 还原插件Activity

前面用占坑Activity通过了AMS的校验，但是我们要启动的是插件TargetActivity，还需要用插件TargetActivity来替换占坑的SubActivity，这一替换的时机就在图2的步骤2之后。 ActivityThread启动Activity的过程，如图3所示。

图3

ActivityThread会通过H将代码的逻辑切换到主线程中，H类是ActivityThread的内部类并继承自Handler，如下所示。 frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

private class H extends Handler {
public static final int LAUNCH_ACTIVITY         = 100;
public static final int PAUSE_ACTIVITY          = 101;
...
   public void handleMessage(Message msg) {
            if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, ">>> handling: " + codeToString(msg.what));
            switch (msg.what) {
                case LAUNCH_ACTIVITY: {
                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStart");
                    final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;

                    r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
                            r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
                    handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
                } break;
                ...
              }
...
}

H中重写的handleMessage方法会对LAUNCH_ACTIVITY类型的消息进行处理，最终会调用Activity的onCreate方法。那么在哪进行替换呢？接着来看Handler的dispatchMessage方法： frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java

 public void dispatchMessage(Message msg) {
        if (msg.callback != null) {
            handleCallback(msg);
        } else {
            if (mCallback != null) {
                if (mCallback.handleMessage(msg)) {
                    return;
                }
            }
            handleMessage(msg);
        }
    }

Handler的dispatchMessage用于处理消息，看到如果Handler的Callback类型的mCallback不为null，就会执行mCallback的handleMessage方法。因此，mCallback可以作为Hook点，我们可以用自定义的Callback来替换mCallback，自定义的Callback如下所示。 HCallback.java

public class HCallback implements Handler.Callback{
    public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
    Handler mHandler;
    public HCallback(Handler handler) {
        mHandler = handler;
    }
    @Override
    public boolean handleMessage(Message msg) {
        if (msg.what == LAUNCH_ACTIVITY) {
            Object r = msg.obj;
            try {
                //得到消息中的Intent(启动SubActivity的Intent)
                Intent intent = (Intent) FieldUtil.getField(r.getClass(), r, "intent");
                //得到此前保存起来的Intent(启动TargetActivity的Intent)
                Intent target = intent.getParcelableExtra(HookHelper.TARGET_INTENT);
                //将启动SubActivity的Intent替换为启动TargetActivity的Intent
                intent.setComponent(target.getComponent());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        mHandler.handleMessage(msg);
        return true;
    }
}

HCallback实现了Handler.Callback，并重写了handleMessage方法，当收到消息的类型为LAUNCH_ACTIVITY时，将启动SubActivity的Intent替换为启动TargetActivity的Intent。接着我们在HookHelper中定义一个hookHandler方法如下所示。

HookHelper.java

 public static void hookHandler() throws Exception {
        Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
        Object currentActivityThread= FieldUtil.getField(activityThreadClass ,null,"sCurrentActivityThread");//1
        Field mHField = FieldUtil.getField(activityThread,"mH");//2
        Handler mH = (Handler) mHField.get(currentActivityThread);//3
        FieldUtil.setField(Handler.class,mH,"mCallback",new HCallback(mH));
    }

ActivityThread类中有一个静态变量sCurrentActivityThread，用于表示当前的ActivityThread对象，因此在注释1处获取ActivityThread中定义的sCurrentActivityThread对象。注释2处获取ActivityThread类的mH字段，接着在注释3处获取当前ActivityThread对象中的mH对象，最后用HCallback来替换mH中的mCallback。 在MyApplication的attachBaseContext方法中调用HookHelper的hookHandler方法，运行程序，当我们点击启动插件按钮，发现启动的是插件TargetActivity。

2.4 插件Activity的生命周期

插件TargetActivity确实启动了，但是它有生命周期吗？这里从源码角度来进行分析，Activity的finish方法可以触发Activity的生命周期变化，和Activity的启动过程类似，finish方法如下所示。 frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java

 public void finish() {
        finish(DONT_FINISH_TASK_WITH_ACTIVITY);
    }
 private void finish(int finishTask) {
        if (mParent == null) {
            int resultCode;
            Intent resultData;
            synchronized (this) {
                resultCode = mResultCode;
                resultData = mResultData;
            }
            if (false) Log.v(TAG, "Finishing self: token=" + mToken);
            try {
                if (resultData != null) {
                    resultData.prepareToLeaveProcess(this);
                }
                if (ActivityManager.getService()
                        .finishActivity(mToken, resultCode, resultData, finishTask)) {//1
                    mFinished = true;
                }
            } catch (RemoteException e) {
                // Empty
            }
        } else {
            mParent.finishFromChild(this);
        }
    }

finish方法的调用链和Activity的启动过程是类似的，注释1处会调用的AMS的finishActivity方法，接着是AMS通过ApplicationThread调用ActivityThread，ActivityThread向H发送DESTROY_ACTIVITY类型的消息，H接收到这个消息会执行handleDestroyActivity方法，handleDestroyActivity方法又调用了performDestroyActivity方法，如下所示。

frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

  private ActivityClientRecord performDestroyActivity(IBinder token, boolean finishing, int configChanges, boolean getNonConfigInstance) {
        ActivityClientRecord r = mActivities.get(token);//1
        ...
            try {
                r.activity.mCalled = false;
                mInstrumentation.callActivityOnDestroy(r.activity);//2
               ...
            } catch (SuperNotCalledException e) {
             ...
            }
        }
        mActivities.remove(token);
        StrictMode.decrementExpectedActivityCount(activityClass);
        return r;
   

注释1处通过IBinder类型的token来获取ActivityClientRecord，ActivityClientRecord用于描述应用进程中的Activity。在注释2处调用Instrumentation的callActivityOnDestroy方法来调用Activity的OnDestroy方法，并传入了r.activity。前面的例子我们用SubActivity替换了TargetActivity通过了AMS的校验，这样AMS只知道SubActivity的存在，那么AMS是如何能控制TargetActivity生命周期的回调的？我们接着往下看，启动Activity时会调用ActivityThread的performLaunchActivity方法，如下所示。

frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

 private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
          ...
      
            java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
            activity = mInstrumentation.newActivity(
                    cl, component.getClassName(), r.intent);//1
           ...
             activity.attach(appContext, this, getInstrumentation(), r.token,
                        r.ident, app, r.intent, r.activityInfo, title, r.parent,
                        r.embeddedID, r.lastNonConfigurationInstances, config,
                        r.referrer, r.voiceInteractor, window, r.configCallback);
           ...
            mActivities.put(r.token, r);//2
           ...
        return activity;
    }

注释1处根据Activity的类名用ClassLoader加载Acitivty，接着调用Activity的attach方法，将r.token赋值给Activity的成员变量mToken。在注释2处将ActivityClientRecord根据r.token存在mActivities中（mActivities类型为ArrayMap<IBinder, ActivityClientRecord> ），再结合Activity的finish方法的注释1处，可以得出结论：AMS和ActivityThread之间的通信采用了token来对Activity进行标识，并且此后的Activity的生命周期处理也是根据token来对Activity进行标识的。 回到我们这个例子来，我们在Activity启动时用插件TargetActivity替换占坑SubActivity，这一过程在performLaunchActivity方法调用之前，因此注释2处的r.token指向的是TargetActivity，在performDestroyActivity的注释1处获取的就是代表TargetActivity的ActivityClientRecord，可见TargetActivity是具有生命周期的。

3.Hook Instrumentation方案实现

Hook Instrumentation实现要比Hook IActivityManager实现要简洁一些，示例代码会和Hook IActivityManager实现有重复，重复的部分这里不再赘述。 Hook Instrumentation实现同样也需要用到占坑Activity，与Hook IActivityManager实现不同的是，用占坑Activity替换插件Activity以及还原插件Activity的地方不同。Acitivty的startActivity方法调用时序图如图4所示。

图4

从图4可以发现，在Activity通过AMS校验前，会调用Activity的startActivityForResult方法： frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java

 public void startActivityForResult(@RequiresPermission Intent intent, int requestCode,
            @Nullable Bundle options) {
        if (mParent == null) {
            options = transferSpringboardActivityOptions(options);
            Instrumentation.ActivityResult ar =
                mInstrumentation.execStartActivity(
                    this, mMainThread.getApplicationThread(), mToken, this,
                    intent, requestCode, options);
          ...
        } else {
         ...
        }
    }

startActivityForResult方法中调用了Instrumentation的execStartActivity方法来激活Activity的生命周期。 如图3所示，ActivityThread启动Activity的过程中会调用ActivityThread的performLaunchActivity方法，如下所示。 frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java

 private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {       
        ...
        //创建要启动Activity的上下文环境
        ContextImpl appContext = createBaseContextForActivity(r);
        Activity activity = null;
        try {
            java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
            //用类加载器来创建Activity的实例
            activity = mInstrumentation.newActivity(
                    cl, component.getClassName(), r.intent);//1
          ...
        } catch (Exception e) {
          ...
        }
      ...
        return activity;
    }

注释1处调用了mInstrumentation的newActivity方法，其内部会用类加载器来创建Activity的实例。看到这里我们可以得到方案，就是在Instrumentation的execStartActivity方法中用占坑SubActivity来通过AMS的验证，在Instrumentation的newActivity方法中还原TargetActivity，这两部操作都和Instrumentation有关，因此我们可以用自定义的Instrumentation来替换掉mInstrumentation。首先我们自定义一个Instrumentation，在execStartActivity方法中将启动的TargetActivity替换为SubActivity，如下所示。

InstrumentationProxy.java

public class InstrumentationProxy extends Instrumentation {
    private Instrumentation mInstrumentation;
    private PackageManager mPackageManager;
    public InstrumentationProxy(Instrumentation instrumentation, PackageManager packageManager) {
        mInstrumentation = instrumentation;
        mPackageManager = packageManager;
    }
    public ActivityResult execStartActivity(
            Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target,
            Intent intent, int requestCode, Bundle options) {
        List<ResolveInfo> infos = mPackageManager.queryIntentActivities(intent, PackageManager.MATCH_ALL);
        if (infos == null || infos.size() == 0) {
            intent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENsT_NAME, intent.getComponent().getClassName());//1
            intent.setClassName(who, "com.example.liuwangshu.pluginactivity.StubActivity");//2
        }
        try {
            Method execMethod = Instrumentation.class.getDeclaredMethod("execStartActivity",
                    Context.class, IBinder.class, IBinder.class, Activity.class, Intent.class, int.class, Bundle.class);
            return (ActivityResult) execMethod.invoke(mInstrumentation, who, contextThread, token,
                    target, intent, requestCode, options);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

首先查找要启动的Activity是否已经在AndroidManifest.xml中注册了，如果没有就在注释1处将要启动的Activity(TargetActivity)的ClassName保存起来用于后面还原TargetActivity，接着在注释2处替换要启动的Activity为StubActivity，最后通过反射调用execStartActivity方法，这样就可以用StubActivity通过AMS的验证。在InstrumentationProxy 的newActivity方法还原TargetActivity，如下所示。

InstrumentationProxy.java

public Activity newActivity(ClassLoader cl, String className, Intent intent) throws InstantiationException,
        IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
    String intentName = intent.getStringExtra(HookHelper.TARGET_INTENT_NAME);
    if (!TextUtils.isEmpty(intentName)) {
        return super.newActivity(cl, intentName, intent);
    }
    return super.newActivity(cl, className, intent);
}

newActivity方法中创建了此前保存的TargetActivity，完成了还原TargetActivity。 编写hookInstrumentation方法，用InstrumentationProxy替换mInstrumentation：

HookHelper.java

  public static void hookInstrumentation(Context context) throws Exception {
        Class<?> contextImplClass = Class.forName("android.app.ContextImpl");
        Field mMainThreadField  =FieldUtil.getField(contextImplClass,"mMainThread");//1
        Object activityThread = mMainThreadField.get(context);//2
        Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
        Field mInstrumentationField=FieldUtil.getField(activityThreadClass,"mInstrumentation");//3
        FieldUtil.setField(activityThreadClass,activityThread,"mInstrumentation",new InstrumentationProxy((Instrumentation) mInstrumentationField.get(activityThread),
                context.getPackageManager()));
    }

注释1处获取ContextImpl类的ActivityThread类型的mMainThread字段，注释2出获取当前上下文环境的ActivityThread对象。 注释3出获取ActivityThread类中的mInstrumentation字段，最后用InstrumentationProxy来替换mInstrumentation。 在MyApplication的attachBaseContext方法中调用HookHelper的hookInstrumentation方法，运行程序，当我们点击启动插件按钮，发现启动的是插件TargetActivity。

4. 总结

这一节我们学到了启动插件Activity的原理，主要的方案就是先用一个在AndroidManifest.xml中注册的Activity来进行占坑，用来通过AMS的校验，接着在合适的时机用插件Activity替换占坑的Activity。为了更好的讲解启动插件Activity的原理，本小节省略了插件Activity的加载逻辑，直接创建一个TargetActivity来代表已经加载进来的插件Activity。同时这一节使我们更好的理解了Activity的启动过程。更多的Android插件化原理请查看《Android进阶解密》。