安卓动态链接库文件体积优化探索实践
作者：CCO体系 尚红泽
背景介绍
应用安装包的体积影响着用户下载量、安装时长、用户磁盘占用量等多个方面，据Google Play统计，应用体积每增加6MB，安装的转化率将下降1%。
安装包的体积受诸多方面影响，针对dex、资源文件、so文件都有不同的优化策略，在此不做一一展开，本文主要记录了在研发时针对动态链接库的文件体积裁剪优化方案。
我开发的链接库使用rust语言开发，通过安卓jni接口实现java层和native层之间的相互调用。为什么使用rust主要有以下几个方面的考虑：
1.稳。安卓的JNI接口调用复杂，又涉及到native层的内存管理，随着代码量的增加，代码的安全稳定性会受到很大的挑战。使用rust开发，开发者几乎不需要考虑GC的问题，只要开发的时候按照规范老老实实写代码并且通过了编译器的检查，基本上就很难把程序写崩，这一点在代码上线后也确实得到了验证。
2.安全。传统使用C、C++开发的代码编译完成以后，如果不加保护，很容易使用反汇编工具破解，市面上比较成熟的工具如IDA、ghidra等都可以将汇编代码还原到高级语言。使用rust编译的产物，内部函数间的调用规约和传统都不一样，目前市面上还没有相对完善的反编译工具，软件的防破解能力直接上升一个数量级。
但是使用rust有一个非常明显的缺点就是编译产物体积过大。在不修改默认的rust编译选项的情况下，仅开启strip的情况下，我的动态库体积达到了495k。
优化方案
参考网上前人的经验，依次进行了以下优化方式。
调整优化等级
默认的编译优化等级是O3，该优化的目的提高代码的运行速度，但是与此同时会对部分循环进行展开，体积造成膨胀。在此我们以缩减体积为目标，将优化选项改为z，表示生成最小二进制体积：
[profile.release]
opt-level = 'z'
优化后前后体积变化
| 编译选项 | 体积 |
|---|---|
| strip | 495k |
| strip + opt-level = 'z' | 437k |
开启LTO
LTO（Link Time Optimization）可以在链接时消除冗余代码，减小二进制体积——代价是更长的链接时间。
Cargo.toml
[profile.release]
opt-level = 'z'
lto = true
优化后前后体积变化
| 编译选项 | 体积 |
|---|---|
| strip | 495k |
| strip + opt-level = 'z' | 437k |
| strip + opt-level = 'z' + lto | 436k |
优化效果非常不明显，聊胜于无。
Panic立刻终止
rust默认的panic会在崩溃时进行栈回溯，方便定位问题。然而会带来额外的体积增加，将这一功能使用abort替代。
[profile.release]
opt-level = 'z'
lto = true
panic = 'abort'
优化后前后体积变化
| 编译选项 | 体积 |
|---|---|
| strip | 495k |
| strip + opt-level = 'z' | 437k |
| strip + opt-level = 'z' + lto | 436k |
| strip + opt-level = 'z' + lto + panic = 'abort' | 366K |
到目前为止，常规的优化手段已经用完了，后续优化需要配合一些代码的额外变动。
使用rust分析工具bloat对产物进行分析，结果如下：
File .text Size Crate
4.1% 69.0% 192.7KiB std
1.0% 16.8% 46.9KiB jdmp
0.5% 8.1% 22.7KiB [Unknown]
0.2% 3.8% 10.5KiB jni
0.0% 0.5% 1.5KiB cesu8
0.0% 0.4% 1.1KiB adler32
0.0% 0.3% 904B bytes
0.0% 0.2% 640B aho_corasick
0.0% 0.2% 588B regex_syntax
0.0% 0.2% 572B regex_automata
0.0% 0.2% 440B log
0.0% 0.1% 304B memchr
0.0% 0.0% 52B combine
0.0% 0.0% 8B jni_sys
让我感到惊讶的是我的核心代码jdmp模块只占了46.9k，为此要额外引入几百k的额外开销！
移除一些无用字符串
在引入的第三方依赖里，开发者自己添加了很多字符串信息，大部分是用来完善提供运行时报错信息。通过修改、精简这些依赖库，删除无用代码，又可以省出一部分空间来。
同时，上面的优化尽管使用abort替代了panic，rust编译器仍然会生出一些格式化的字符串，使用panic_immediate_abort这个编译选项禁用这个行为。
.cargo/config.toml
[unstable]
build-std-features = ["panic_immediate_abort"]
build-std = ["std","panic_abort"]
优化后前后体积变化
| 编译选项 | 体积 |
|---|---|
| strip | 495k |
| strip + opt-level = 'z' | 437k |
| strip + opt-level = 'z' + lto | 436k |
| strip + opt-level = 'z' + lto + panic = 'abort' + 代码裁减 + panic_immediate_abort | 135k |
再次分析，整个文件的体积已经降到了135k，自己开发的核心代码占总代码量的52%，基本符合预期。
File .text Size Crate
14.2% 52.0% 41.3KiB jdmp
3.2% 11.7% 9.3KiB core
3.1% 11.4% 9.1KiB jni
3.0% 11.0% 8.8KiB [Unknown]
1.9% 6.8% 5.4KiB std
0.9% 3.3% 2.6KiB alloc
0.3% 1.1% 936B cesu8
0.3% 1.0% 792B adler32
0.1% 0.5% 372B aho_corasick
0.1% 0.4% 316B regex_automata
0.1% 0.3% 220B log
0.1% 0.3% 216B hashbrown
0.0% 0.1% 108B bytes
0.0% 0.1% 44B combine
0.0% 0.1% 44B rustc_demangle
0.0% 0.0% 8B compiler_builtins
0.0% 0.0% 8B jni_sys
优化linker script
尽管目前文件体积已经相比一开始优化了不少，但是还没有达到接入要求。通过readelf进一步分析ELF文件的各个section，我找到了一些额外的优化空间。
$ aarch64-linux-gnu-readelf -S target/aarch64-linux-android/release/libjdmp.so
There are 24 section headers, starting at offset 0x21738:
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .note.android.ide NOTE 0000000000000270 00000270
0000000000000098 0000000000000000 A 0 0 4
[ 2] .dynsym DYNSYM 0000000000000308 00000308
00000000000002e8 0000000000000018 A 7 1 8
[ 3] .gnu.version VERSYM 00000000000005f0 000005f0
000000000000003e 0000000000000002 A 2 0 2
[ 4] .gnu.version_r VERNEED 0000000000000630 00000630
0000000000000040 0000000000000000 A 7 2 4
[ 5] .gnu.hash GNU_HASH 0000000000000670 00000670
0000000000000024 0000000000000000 A 2 0 8
[ 6] .hash HASH 0000000000000694 00000694
0000000000000100 0000000000000004 A 2 0 4
[ 7] .dynstr STRTAB 0000000000000794 00000794
000000000000014d 0000000000000000 A 0 0 1
[ 8] .rela.dyn RELA 00000000000008e8 000008e8
00000000000007f8 0000000000000018 A 2 0 8
[ 9] .rela.plt RELA 00000000000010e0 000010e0
00000000000002a0 0000000000000018 AI 2 19 8
[10] .rodata PROGBITS 0000000000001380 00001380
0000000000001d83 0000000000000000 AM 0 0 8
[11] .eh_frame_hdr PROGBITS 0000000000003104 00003104
0000000000002494 0000000000000000 A 0 0 4
[12] .eh_frame PROGBITS 0000000000005598 00005598
00000000000078cc 0000000000000000 A 0 0 8
[13] .text PROGBITS 000000000000de64 0000ce64
0000000000013e0c 0000000000000000 AX 0 0 4
[14] .plt PROGBITS 0000000000021c70 00020c70
00000000000001e0 0000000000000000 AX 0 0 16
[15] .data.rel.ro PROGBITS 0000000000022e50 00020e50
0000000000000430 0000000000000000 WA 0 0 8
[16] .fini_array FINI_ARRAY 0000000000023280 00021280
0000000000000010 0000000000000008 WA 0 0 8
[17] .dynamic DYNAMIC 0000000000023290 00021290
0000000000000180 0000000000000010 WA 7 0 8
[18] .got PROGBITS 0000000000023410 00021410
0000000000000048 0000000000000000 WA 0 0 8
[19] .got.plt PROGBITS 0000000000023458 00021458
00000000000000f8 0000000000000000 WA 0 0 8
[20] .data PROGBITS 0000000000024550 00021550
0000000000000060 0000000000000000 WA 0 0 8
[21] .bss NOBITS 00000000000245b0 000215b0
0000000000000101 0000000000000000 WA 0 0 8
[22] .comment PROGBITS 0000000000000000 000215b0
00000000000000b2 0000000000000001 MS 0 0 1
[23] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 00021662
00000000000000d3 0000000000000000 0 0 1
在对这些section进行优化时，有必要搞清楚每个section在程序运行的作用。
| section | 作用 |
|---|---|
| .text | 代码段 |
| .data .rodata .bss | 数据段 |
| .plt .got .dynamic .dynsym .rela.dyn .rela.plt .shstrtab | 运行时被动态链接库解析，用于动态链接。 |
| .eh_frame .eh_frame_hdr | 用于保存函数的栈帧偏移，方便栈回溯 |
| .gnu.hash .gnu.version .gnu.version_r .hash | 保存编译文件元信息 |
程序在正常运行时，代码段、数据段必不可少，同时需要保留动态链接需要的section。剩余的section可以移除，可以进一步优化文件体积。值得注意到是，删除.eh_frame .eh_frame_hdr后，在程序崩溃时只能得到一个崩溃地址，无法进行栈回溯。
创建一个linker script，只保留程序运行最小依赖的section。
PHDRS
{
headers PT_PHDR PHDRS ;
text PT_LOAD FILEHDR PHDRS ;
data PT_LOAD ;
dynamic PT_DYNAMIC ;
}
ENTRY(Reset);
EXTERN(RESET_VECTOR);
SECTIONS
{
. = SIZEOF_HEADERS;
.text : { *(.text .text.*) } :text
.rodata : { *(.rodata .rodata.*) } :text
. = . + 0x1000;
.data : { *(.data .data.*) *(.fini_array .fini_array.*) *(.got .got.*) *(.got.plt .got.plt.*) } : data
.bss : {*(.bss .bss.*)} : data
.dynamic : { *(.dynamic .dynamic.*) } :data :dynamic
/DISCARD/ :
{
*(.ARM.exidx .ARM.exidx.*);
*(.gnu.version .gnu.version.*);
*(.gnu.version_r .gnu.version_r.*);
*(.eh_frame_hdr .eh_frame .eh_frame_hdr.* .eh_frame.* );
*(.note.android.ident .note.android.ident.*);
*(.comment .comment.*);
}
}
修改编译参数，替换默认的linker script
.cargo/config.toml
[build]
target = ["aarch64-linux-android","armv7-linux-androideabi"]
[unstable]
build-std-features = ["panic_immediate_abort"]
build-std = ["std","panic_abort"]
[target.aarch64-linux-android]
rustflags = ["-C", "link-arg=-Tlinker.lds"]
[target.armv7-linux-androideabi]
rustflags = ["-C", "link-arg=-Tlinker.lds"]
经过一番操作，程序的体积最终裁减到了95k！完美符合要求。
总结
| 编译选项 | 体积 |
|---|---|
| strip | 495k |
| strip + opt-level = 'z' | 437k |
| strip + opt-level = 'z' + lto | 436k |
| strip + opt-level = 'z' + lto + panic = 'abort' + 代码裁减 + panic_immediate_abort | 135k |
| strip + opt-level = 'z' + lto + panic = 'abort' + 代码裁减 + panic_immediate_abort + 移除section | 95k |
