技术|Android安装包极限优化
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目录:
背景
目前Android安装包的优化方法论比较成熟，比如
- 混淆代码（Proguard、AndResGuard）
- 移除不在使用的代码和资源
- 对于音频、图片等使用更轻量的格式
- 等等
这些方法都比较常规，在项目成熟后优化的空间也比较有限。以应用宝为例，目前（2020年1月）项目代码中Java文件8040个，代码行数约143万行，最终生成的 release包 9.33M。可以优化的空间极为有限，而且由于维护较差，分析已经废弃的代码和资源其实非常耗时耗力。本文的方案可以使应用宝在现有基础上立刻减少约 700k 安装包大小，收益十分可观，而且对于一个项目， 代码量越大，效果越明显 。
原理
我们在开发中经常会去看Crash日志来定位问题，如下：
W/System.err: java.lang.NullPointerException
W/System.err: at b.a.a.a.a(Test.java:26)
W/System.err: at com.tencent.androidfactory.MainActivity.onCreate(MainActivity.java:15)
W/System.err: at android.app.Activity.performCreate(Activity.java:7458)
W/System.err: at android.app.Activity.performCreate(Activity.java:7448)
W/System.err: at android.app.Instrumentation.callActivityOnCreate(Instrumentation.java:1286)
......
然后通过 map 文件找到 对应的类:
com.tencent.androidfactory.Test -> b.a.a.a:
14:14:void <init>() -> <init>
23:69:void test() -> a
16:17:void log() -> b
20:21:void log1() -> c
这里为什么要把类名和方法名用杂乱无章的字符代替呢？一方面原因就是后者 更精简，在dex文件中占用的空间更小，但这不是今天讨论的重点。上面Crash信息的后面指明了Crash的具体位置是第 26 行，这是不是说明了dex存在一些信息，指明了字节码位置到源代码位置的信息，进一步，我们是不是可以参考上面混淆之后通过map映射找到原来的类的做法，把字节码位置到源代码位置的信息作为map存在本地！！
这里需要指出Dex文件存在一个 debugItemInfo 的区域，记录了指令集位置到行号的信息，正是因为这些信息的存在，我们才能做单步调试等操作，这也是这个命名的由来。
以应用宝为例，130万行代码都要保存这个映射信息的话其实占用的空间是很大的（也就是上面优化掉的那部分）。
其实，优化掉这部分信息已经有一些工具支持了：
- Proguard工具开启优化后默认不保留这个信息，除非设置了
-keepattributes LineNumberTable - facebook的 redex 也有类似功能，配置
drop_line_numbers - 最近字节跳动开源了一个ByteX，也有类似能力，配置
deleteLineNumber
蚂蚁金服的支付宝 App 构建优化解析：Android 包大小极致压缩也直接提到了这种做法，但问题也很明显、很严重，会丢失行号信息（低版本都是-1，高版本是指令集位置），导致Crash无法排查，此外，每个版本也需要做兼容，但是该文章并未详细描述，本文正是填补这部分空白。
实现
首先，Java层的Crash上报都是通过自定义 Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler 的 uncaughtException(Thread thread, Throwable throwable) 方法实现的，下面以Android 4.4的源码为例，分析下底层原理。
Throwable的每个构建函数都有一个 fillInStackTrace();调用，具体逻辑如下：
/**
* Records the stack trace from the point where this method has been called
* to this {@code Throwable}. This method is invoked by the {@code Throwable} constructors.
*
* <p>This method is public so that code (such as an RPC system) which catches
* a {@code Throwable} and then re-throws it can replace the construction-time stack trace
* with a stack trace from the location where the exception was re-thrown, by <i>calling</i>
* {@code fillInStackTrace}.
*
* <p>This method is non-final so that non-Java language implementations can disable VM stack
* traces for their language. Filling in the stack trace is relatively expensive.
* <i>Overriding</i> this method in the root of a language's exception hierarchy allows the
* language to avoid paying for something it doesn't need.
*
* @return this {@code Throwable} instance.
*/
public Throwable fillInStackTrace() {
if (stackTrace == null) {
return this; // writableStackTrace was false.
}
// Fill in the intermediate representation.
stackState = nativeFillInStackTrace();
// Mark the full representation as in need of update.
stackTrace = EmptyArray.STACK_TRACE_ELEMENT;
return this;
}
其中，stackState就包含了指令集位置信息（the intermediate representation），该对象会被传递给下面的natvie方法解出具体行号：
/*
* Creates an array of StackTraceElement objects from the data held
* in "stackState".
*/
private static native StackTraceElement[] nativeGetStackTrace(Object stackState);
于是我们的思路就是 Hook住上报的位置，通过反射拿到指令集位置，在Crash上报前把指令集位置赋值给无意义的行号（理论上高版本在没有debugItemInfo时，已经默认是指令集位置而不是-1了）。这里比较坑的是 stackState的类型，其定义如下：
/**
* An intermediate representation of the stack trace. This field may
* be accessed by the VM; do not rename.
*/
private transient volatile Object stackState;
在不同版本上，该对象的数据类型都不一样。
4.0(华为畅玩4C，版本4.4.4):
5.0(华为P8 Lite，版本5.0.2):
6.0(三星GALAXY S7，版本6.0.1):
7.0+(三星GALAXY C7，版本7.0)
这里是第一个比较坑的地方，有的是int数组，有的是long数组，有的是Object数组的第一/最后一项，而且指令集位置有的在一起，有的是间隔的，确实比较坑，需要适配兼容。
8.0
8.0有一个问题，异常处理系统初始化时会执行如下逻辑：
// 代码版本：Android8.0，文件名称：RuntimeInit.java
protected static final void commonInit() {
if (DEBUG) Slog.d(TAG, "Entered RuntimeInit!");
/*
* set handlers; these apply to all threads in the VM. Apps can replace
* the default handler, but not the pre handler.
*/
Thread.setUncaughtExceptionPreHandler(new LoggingHandler());
Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new KillApplicationHandler());
......
}
其中 Thread.setUncaughtExceptionPreHandler(new LoggingHandler()); 是该版本新增的，会在uncaughtException 之前调用，LoggingHandler 会导致Throwable#getInternalStackTrace被调用，该方法逻辑如下：
/**
* Returns an array of StackTraceElement. Each StackTraceElement
* represents a entry on the stack.
*/
private StackTraceElement[] getInternalStackTrace() {
if (stackTrace == EmptyArray.STACK_TRACE_ELEMENT) {
stackTrace = nativeGetStackTrace(stackState);
stackState = null; // Let go of intermediate representation.
return stackTrace;
} else if (stackTrace == null) {
return EmptyArray.STACK_TRACE_ELEMENT;
} else {
return stackTrace;
}
}
因此，8.0以上版本在Hook默认的 UncaughtExceptionHandler 时，stackState信息已经丢失了！！我的解决办法是 反射Hook掉Thread#uncaughtExceptionPreHandler 字段，使 LoggingHandler 被覆盖
但是在9.0会有以下错误
Accessing hidden field Ljava/lang/Thread;->uncaughtExceptionPreHandler:Ljava/lang/Thread$UncaughtExceptionHandler; (dark greylist, reflection)
java.lang.NoSuchFieldException: No field uncaughtExceptionPreHandler in class Ljava/lang/Thread; (declaration of 'java.lang.Thread' appears in /system/framework/core-oj.jar)
at java.lang.Class.getDeclaredField(Native Method)
at top.vimerzhao.testremovelineinfo.ExceptionHookUtils.init(ExceptionHookUtils.java:18)
......
通过类似FreeReflection目前可以突破这个限制，因此Android 9+ 的机型依然可以使用这个方案。
深入
这里再详细介绍下底层获取行号的逻辑，首先Throwable 会调用到一个native方法（这里的注释信息讲的很清楚，注意看）：
//http://androidxref.com/4.4_r1/xref/dalvik/vm/native/dalvik_system_VMStack.cpp
/*
* public static int fillStackTraceElements(Thread t, StackTraceElement[] stackTraceElements)
*
* Retrieve a partial stack trace of the specified thread and return
* the number of frames filled. Returns 0 on failure.
*/
static void Dalvik_dalvik_system_VMStack_fillStackTraceElements(const u4* args,
JValue* pResult)
{
Object* targetThreadObj = (Object*) args[0];
ArrayObject* steArray = (ArrayObject*) args[1];
size_t stackDepth;
int* traceBuf = getTraceBuf(targetThreadObj, &stackDepth);
if (traceBuf == NULL)
RETURN_PTR(NULL);
/*
* Set the raw buffer into an array of StackTraceElement.
*/
if (stackDepth > steArray->length) {
stackDepth = steArray->length;
}
dvmFillStackTraceElements(traceBuf, stackDepth, steArray);
free(traceBuf);
RETURN_INT(stackDepth);
}
该方法计算行信息的是dvmFillStackTraceElements:
// http://androidxref.com/4.4_r1/xref/dalvik/vm/Exception.cpp
/*
* Fills the StackTraceElement array elements from the raw integer
* data encoded by dvmFillInStackTrace().
*
* "intVals" points to the first {method,pc} pair.
*/
void dvmFillStackTraceElements(const int* intVals, size_t stackDepth, ArrayObject* steArray)
{
unsigned int i;
/* init this if we haven't yet */
if (!dvmIsClassInitialized(gDvm.classJavaLangStackTraceElement))
dvmInitClass(gDvm.classJavaLangStackTraceElement);
/*
* Allocate and initialize a StackTraceElement for each stack frame.
* We use the standard constructor to configure the object.
*/
for (i = 0; i < stackDepth; i++) {
Object* ste = dvmAllocObject(gDvm.classJavaLangStackTraceElement,ALLOC_DEFAULT);
if (ste == NULL) {
return;
}
Method* meth = (Method*) *intVals++;
int pc = *intVals++;
int lineNumber;
if (pc == -1) // broken top frame?
lineNumber = 0;
else
lineNumber = dvmLineNumFromPC(meth, pc);
......
/*
* Invoke:
* public StackTraceElement(String declaringClass, String methodName,
* String fileName, int lineNumber)
* (where lineNumber==-2 means "native")
*/
JValue unused;
dvmCallMethod(dvmThreadSelf(), gDvm.methJavaLangStackTraceElement_init,
ste, &unused, className, methodName, fileName, lineNumber);
......
dvmSetObjectArrayElement(steArray, i, ste);
}
}
由此可知，默认行号可能是0，否则通过 dvmLineNumFromPC 获取具体信息：
//http://androidxref.com/4.4_r1/xref/dalvik/vm/interp/Stack.cpp
/*
* Determine the source file line number based on the program counter.
* "pc" is an offset, in 16-bit units, from the start of the method's code.
*
* Returns -1 if no match was found (possibly because the source files were
* compiled without "-g", so no line number information is present).
* Returns -2 for native methods (as expected in exception traces).
*/
int dvmLineNumFromPC(const Method* method, u4 relPc)
{
const DexCode* pDexCode = dvmGetMethodCode(method);
if (pDexCode == NULL) {
if (dvmIsNativeMethod(method) && !dvmIsAbstractMethod(method))
return -2;
return -1; /* can happen for abstract method stub */
}
LineNumFromPcContext context;
memset(&context, 0, sizeof(context));
context.address = relPc;
// A method with no line number info should return -1
context.lineNum = -1;
dexDecodeDebugInfo(method->clazz->pDvmDex->pDexFile, pDexCode,
method->clazz->descriptor,
method->prototype.protoIdx,
method->accessFlags,
lineNumForPcCb, NULL, &context);
return context.lineNum;
}
由此可知，默认行号还可能是-2/-1，而 dexDecodeDebugInfo 里面就是具体的解析信息了，不做深入分析（太复杂了，给看懵逼了~）。
效果
以一台Android6.0的魅族为例，我的Demo部分日志如下：
01-14 10:17:42.525 845-868/? I/ExceptionHookUtils: succeed [28, 12, 12, 5, 6]
01-14 10:17:42.525 845-868/? I/ExceptionHookUtils: set top.vimerzhao.testremovelineinfo.a from -1 to 28
01-14 10:17:42.526 845-868/? I/ExceptionHookUtils: set top.vimerzhao.testremovelineinfo.a from -1 to 12
01-14 10:17:42.526 845-868/? I/ExceptionHookUtils: set top.vimerzhao.testremovelineinfo.a from -1 to 12
01-14 10:17:42.526 845-868/? I/ExceptionHookUtils: set top.vimerzhao.testremovelineinfo.MainActivity$a from -1 to 5
01-14 10:17:42.526 845-868/? I/ExceptionHookUtils: set java.lang.Thread from 818 to 6
通过 dexdump 工具可以导出一个行号到指令集位置的map文件，部分信息如下：
Virtual methods -
#0 : (in Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/MainActivity$a;)
name : 'run'
type : '()V'
access : 0x0001 (PUBLIC)
code -
registers : 2
ins : 1
outs : 1
insns size : 9 16-bit code units
catches : (none)
positions :
0x0000 line=17 // 这里小于且最接近5
0x0008 line=18
locals :
0x0000 - 0x0009 reg=1 this Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/MainActivity$a;
source_file_idx : 0 ()
...
Virtual methods -
#0 : (in Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/a;)
name : 'a'
type : '()V'
access : 0x0001 (PUBLIC)
code -
registers : 3
ins : 1
outs : 2
insns size : 21 16-bit code units
catches : (none)
positions :
0x0000 line=15
0x0007 line=16
0x000c line=17 // 这里小于且最接近12
0x000f line=18
0x0014 line=19
locals :
0x0000 - 0x0015 reg=2 this Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/a;
#1 : (in Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/a;)
name : 'b'
type : '()V'
access : 0x0001 (PUBLIC)
code -
registers : 3
ins : 1
outs : 2
insns size : 21 16-bit code units
catches : (none)
positions :
0x0000 line=22
0x0007 line=23
0x000c line=24 // 这里小于且最接近12
0x000f line=25
0x0014 line=26
locals :
0x0000 - 0x0015 reg=2 this Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/a;
#2 : (in Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/a;)
name : 'c'
type : '()V'
access : 0x0001 (PUBLIC)
code -
registers : 4
ins : 1
outs : 2
insns size : 48 16-bit code units
catches : (none)
positions :
0x0000 line=29
0x0007 line=30
0x000c line=31
0x0011 line=32
0x0016 line=33
0x001b line=34
0x001c line=35 // 这里小于且最接近28
0x001f line=36
0x0024 line=37
0x0029 line=38
0x002c line=39
0x002f line=41
locals :
0x001c - 0x0030 reg=1 a Ljava/lang/Object;
0x0000 - 0x0030 reg=3 this Ltop/vimerzhao/testremovelineinfo/a;
source_file_idx : 0 ()
这里我加了一些注释，通过指令集位置，我们成功找到了行号，而查看Demo源代码也确实如此：
所以，上报后Crash的排查问题也可以解决了。
总结
以上，是对改该方案的具体实现的分析，有了以上信息，代码自然水到渠成了（100行左右～），不做赘述。
个人认为这个方案可以作为安装包优化的最后一根救命稻草，但本身入侵性较强，除非被KPI所逼迫，走头无路，否则不必剑走偏锋。
有次吃饭时，我提到这个方法，大家觉得1M的事情，何必费这么大功夫，但有时候KPI就是KPI，你可以觉得这1M没有必要，老板也可以觉得招你这个人没有必要。
（逃～）
参考
- java/java/lang/Throwable.java-4.4
- RuntimeInit.java-8.0
- Thread.java-8.0
- 理解Android Crash处理流程 - Gityuan博客 | 袁辉辉的技术博客
- 支付宝 App 构建优化解析：Android 包大小极致压缩 - 掘金
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