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Android性能优化之Android 10+ dex2oat实践

燕承安
2023-12-01

作者:字节跳动终端技术——郭海洋

背景

对于Android App的性能优化来说,方式方法以及工具都有很多,而dex2oat作为其中的一员,却可能不被大众所熟知。它是Android官方应用于运行时,针对dex进行编译优化的程序,通过对dex进行一系列的指令优化、编译机器码等操作,提升dex加载速度代码运行速度,从而提升安装速度、启动速度、以及应用使用过程中的流畅度,最终提升用户日常的使用体验。

它的适用范围也比较广,可以用于Primary ApkSecondary Apk常规场景插件场景。(Primary Apk是指的常规场景下的主包base.apk)或者插件场景下的宿主包Secondary Apk是指的常规场景下的自行加载的包(.apk)或者插件场景下的插件包(.apk))。

而随着Android系统版本的更迭,发现原本可以在应用进程上触发dex2oat编译的方式,却在targetSdkVersion>=29Android 10+的系统上,不再允许使用。其原因是系统在targetSdkVersion=29的时候,对此做了限制,不允许应用进程上触发dex2oat编译(Android 运行时 (ART) 不再从应用进程调用 dex2oat。这项变更意味着 ART 将仅接受系统生成的 OAT 文件)(OATdex2oat后的产物)。

那当前是否会受到这个限制的影响呢?

2020年的时候Android 11系统正式发布,各大应用市场就开始限制ApptargetSdkVersion>=29,而Android 11系统距今已经发布一年之久,也就意味着,现如今ApptargetSdkVersion>=29是不可避免的。而且随着新Android设备的不断迭代,越来越多的用户,使用上了携带新系统的新机器,使得Android 10+系统的占有量逐步增加,目前为止Android 10+系统的占有量约占整体的30%~40%左右,也就是说这部分机器将会受到这个限制的影响。

那这个限制有什么影响呢?

这个限制的关键是,不允许应用进程上触发dex2oat编译,换句话说就是并不影响系统自身去触发dex2oat编译,那么限制的影响也就是,影响那些需要通过应用进程去触发dex2oat编译的场景。

对于Primary ApkSecondary Apk,它们在常规场景插件场景下,系统都会收集其运行时的热点代码并用于dex2oat进行编译优化。此处触发dex2oat编译是系统行为,并不受限于上述限制。但触发此处dex2oat编译的条件是比较苛刻的,它要求设备必须处于空闲状态且要连接电源,而且其校验的间隔是一天。

在上述条件下,由系统触发的dex2oat编译,基本上很难触发,从而导致dex加载速度下降80%以上,代码运行速度下降11%以上,使得应用的ANR率提升、流畅度下降,最终影响用户的日常使用体验。

对于之前来说改进方案就是通过应用进程触发dex2oat编译来弥补系统触发dex2oat编译的不足,而如今因限制会导致部分机器无法生效。

如何才能让用户体会到dex2oat带来的体验提升呢?问题又如何解决呢?

下面通过探索,一步步的逼近真相,解决问题~

探索

探索之前,先明确下核心点,本次探索的目标就是为了让用户体会到dex2oat带来的体验提升,其最大的阻碍就是系统触发dex2oat的编译条件太苛刻,导致难以触发,之前的成功实践就是基于App维度手动触发dex2oat编译来弥补系统触发dex2oat的编译的不足。

而现在仍需探索的原因就是,原本的成功实践,目前在某些机器上已经受限,为了完成目标,解决掉现有的问题,自然而然的想法就是,限制究竟是什么?限制是如何生效的?是否可以绕过?

限制是什么?

目前对于限制的理解,应该仅限于背景中的描述,那Google官方是怎么说的呢?

Android 运行时 (ART) 不再从应用进程调用 dex2oat。这项变更意味着 ART 将仅接受系统生成的 OAT 文件。(Android 运行时只接受系统生成的 OAT 文件

通过Google官方的描述大致可以理解为,原本ART会从应用进程调用dex2oat,现在不再从应用进程调用dex2oat了,从而使得应用进程没有时机触发dex2oat,从而达到限制App维度触发dex2oat的目的。

但问题确实有这么简单嘛?

通过对比Android 9Android 10的代码时发现,Android 9在构建ClassLoader的时候会触发dex2oat,但是 Android 10 上相关代码已经被移除,此处同Google官方的说法一致。

但如果限制仅仅如此的话,可以按照原本ART从应用进程调用dex2oat的方式,然后手动从应用进程调用就可以了。

由于Android`` ``10相关代码已经移除,所以查看下Android 9的代码,看下之前是如何从应用进程调用dex2oat的,相关代码链接:https://android.googlesource.com/platform/art/+/refs/tags/android-9.0.0_r52/runtime/oat_file_assistant.cc#698,通过查看代码可以看出,是通过拼接dex2oat的命令来触发执行的,按照如上代码,拼接dex2oat命令的伪代码如下:

//step1 拼接命令

List<String> commandAndParams = new ArrayList<>();

commandAndParams.add("dex2oat");

if (Build.VERSION.SDK_INT >= 24) {

    commandAndParams.add("--runtime-arg");

    commandAndParams.add("-classpath");

    commandAndParams.add("--runtime-arg");

    commandAndParams.add("&");

}

commandAndParams.add("--instruction-set=" + getCurrentInstructionSet());

// verify-none|interpret-only|verify-at-runtime|space|balanced|speed|everything|time

//编译模式,不同的模式,影响最终的运行速度和磁盘大小的占用

if (mode == Dex2OatCompMode.FASTEST_NONE) {

    commandAndParams.add("--compiler-filter=verify-none");

} else if (mode == Dex2OatCompMode.FASTER_ONLY_VERIFY) {

    //快速编译

    if (Build.VERSION.SDK_INT > 25) {

        commandAndParams.add("--compiler-filter=quicken");

    } else {

        commandAndParams.add("--compiler-filter=interpret-only");

    }

} else if (mode == Dex2OatCompMode.SLOWLY_ALL) {

    //全量编译

    commandAndParams.add("--compiler-filter=speed");

}

//源码路径(apk or dex路径)

commandAndParams.add("--dex-file=" + sourceFilePath);

//dex2oat产物路径

commandAndParams.add("--oat-file=" + optimizedFilePath);



String[] cmd= commandAndParams.toArray(new String[commandAndParams.size()]);



//step2 执行命令

Runtime.getRuntime().exec(cmd)

将上述拼接的dex2oat命令在Android`` ``9机器的App进程触发执行,确实得到符合预期的dex2oat产物,并可以正常加载和使用,说明命令拼接的是OK的,然后将上述命令在Android 10targetSdkVersion>=29机器的App进程触发执行,发现并没有得到dex2oat产物,并且得到如下日志:

type=1400 audit(0.0:569): avc: denied { execute } for name="dex2oat" dev="dm-2" ino=222 scontext=u:r:untrusted_app:s0:c12,c257,c512,c768 tcontext=u:object_r:dex2oat_exec:s0 tclass=file permissive=0

这个日志说明了什么呢?

可以看到日志信息里有avc: denied关键词,说明此操作受SELinux规则管控,并被拒绝。

在进行日志分析之前,先补充一下SELinux的相关知识,下面是Google官方的说明:

Android 使用安全增强型 Linux (SELinux) 对所有进程强制执行强制访问控制 (MAC),甚至包括以 Root/超级用户权限运行的进程(Linux 功能)

简单说,SELinux就是Android系统以进程维度对其进行强制访问控制的管理体系。SELinux是依靠配置的规则对进程进行约束访问权限。

下面回归正题,分析下日志。

日志细节分析如下:

  • type=1400 :表示SYSCALL
  • denied { ``execute`` }:表示执行权限被拒绝;
  • scontext=u:r:``untrusted_app``:s0:c12,c257,c512,c768:表示主体的安全上下文,其中untrusted_appsource type
  • tcontext=u:object_r:``dex2oat_exec``:s0 :表示目标资源的安全上下文,其中dex2oat_exectarget type
  • tclass=file:表示目标资源的class类型
  • permissive=0:当前的SELLinux模式,1表示permissive(宽松的),0表示enforcing(严格的)

简单的说就是,当在Android 10targetSdkVersion>=29的机器上的App进程上执行拼接的dex2oat命令的时候,是由untrusted_app ****触发dex2oat_exec 而由于untrusted_app的规则限制,导致其触发dex2oat_execexecute权限被拒绝。

下面简单总结一下:

  1. 限制1:Android 10+系统删除了在构建ClassLoader时触发dex2oat的相关代码,来限制从应用进程触发dex2oat的入口。
  2. 限制2:Android 10+系统的相关SELinux规则变更,限制targetSdkVersion>=29的时候从应用进程触发dex2oat

现在通过查阅相关代码和SELinux规则以及使用代码验证,真正的见识到了限制到底是什么样子的,又是如何生效的,以及真真切切的感受到它的威力…

那既然知道限制是什么以及限制如何生效的了,那是否可以绕过呢?

限制能否绕过?

通过上面对限制的了解,可以先大胆的假设:

  1. targetSdkVersion设置小于29
  2. 伪装应用进程为系统进程
  3. 关闭Android系统的SELinux检测
  4. 修改规则移除限制

下面开始小心求证,上述假设是否可行?

对于假设1来说,如果全局设置targetSdkVersion小于29的话,则会影响App后续在应用商店的上架,如果局部设置targetSdkVersion小于29的话,不仅难以修改且时机难以把握,dex2oat是单独的进程进行编译操作的,不同的进程对其进行触发编译的时候,会将进程的targetSdkVersion信息作为参数传给它,用于它内部逻辑的判断,而进程信息是存在于系统进程的。

对于假设2来说,目前还没相关的已知操作可以做到类似效果…

对于假设3来说,Android系统确实也提供了关闭SELinux检测的方法,但是需要Root权限。

对于假设4来说,如果全局修改规则,需要重新编译系统,才可以生效,如果局部修改规则(内存中修改),此处所需的权限也比较高,也无权操作。

所以,从目前来看,绕过基本不可行了…

那怎么办?限制绕不过去,目标无法达成了…

或许谜底就在谜面上,既然Android系统限制只能使用系统生成的,那我们就用系统生成的?

只需要让系统可以感知到我们的操作,可以根据我们提供的操作去生成,可以由我们去控制生成的时机以及效果,这样不如同在应用进程触发dex2oat有一样的效果了嘛?

那如何操作呢?

借助系统的能力?

系统是否提供了可以供应用进程触发系统行为,然后由系统触发dex2oat的方式?

通过查阅Android的官方文档以及相关代码发现可以通过如下方式进行操作(强制编译):

  • 基于配置文件编译:adb shell cmd package compile -m speed-profile -f my-package
  • 全面编译:adb shell cmd package compile -m speed -f my-package

上述命令不仅支持选择编译模式(speed-profile or speed),而且还可以选择特定的App进行操作(my-package)。

通过运行上述命令发现确实可以在targetSdkVersion>=29Android 10+的系统上编译出对应的dex2oat产物,且可以正常加载使用!!!

但是上述命令仅支持Primary Apk并不支持Secondary Apk,感觉它的功能还不止于此,还可以继续挖掘一下这个命令的潜力,下面看下这个命令的实现。

分析之前需要先确定命令对应的代码实现,这里使用了个小技巧,通过故意输错命令,发现最终崩溃的位置在PackageManagerShellCommand,然后通过debug源码,梳理了一下完整的代码调用流程,细节如下。

为了方便理解,下面将代码的调用流程使用时序图描述出来。

下图为Primary Apk的编译流程:

无法复制加载中的内容

在梳理Primary Apk的编译流程的时候,发现代码中也有处理Secondary Apk的方法,下面梳理流程如下:

无法复制加载中的内容

然后根据其代码,梳理其编译命令为:adb shell cmd package compile -m speed -f --secondary-dex my-package

至此,我们已经得到了一种可以借助命令使系统触发dex2oat编译的方式,且可以支持Primary ApkSecondary Apk

还有一些细节需要注意,Primary Apk的命令传入的是App的包名,Secondary Apk的命令传入的也是包名,那哪些Secondary Apk会参与编译呢?

这就涉及到Secondary Apk的注册了,只有注册了的Secondary Apk才会参与编译。

下面是Secondary Apk注册的流程:

无法复制加载中的内容

对于Secondary Apk来说只注册不反注册也不行,因为对于Secondary Apk来说,每次编译仅想编译新增的或者未被编译过的,对于已经编译过的,是不想其仍参与编译,所以这些已经编译过的,就需要进行反注册。

下面是Secondary Apk反注册的流程:

无法复制加载中的内容

而且通过查看源码发现,触发此处的方式其实有两种:

  1. 方式一:使用adb shell cmd package + 命令。例如adb shell cmd package compile -m quicken com.bytedance.demo ,其含义就是触发runCompile方法,然后指定编译模式为quicken,指定编译的包名为com.bytedance.demo,由于没有指定是Secondary,所以按照Primary编译。然后其底层通过socket+binder完成通信,最终交由PackageManagerBinder处理。
  2. 方式二:使用PackageManagerBinder,并设定code=SHELL_COMMAND_TRANSACTION,然后将命令以数组的形式封装到data内即可。

对于方式一来说,依赖adb的实现,底层通信需要依赖socket + binder,而对于方式二来说,底层通信直接使用binder,相比来说更高效,所以最终选择第二种方式。

下面简单的总结一下。

在得知限制无法被绕过后,就想到是否可以使得应用进程可以触发系统行为,然后由系统触发dex2oat,然后通过查阅官方文档找到对应的adb命令可以满足诉求,不过此时仅看到Primary Apk的相关实现,然后继续通过查看代码验证其流程,找到Secondary Apk的相关实现,然后根据实际场景的需要,又继续查看代码,找到注册Secondary Apk和反注册Secondary Apk的方法,然后通过对比adb命令的实现和binder的实现差异,最终选用binder的实现方式,来完成上述操作。

既然探索已经完成,那么下面就根据探索的结果,完成落地实践,并验证其效果。

实践

操作

示例代码如下:

//执行快速编译

@Override

public void dexOptQuicken(String pluginPackageName, int version) {

    //step1:如果没有初始化则初始化

    maybeInit();

    //step2:将apk路径进行注册到PMS

    registerDexModule(pluginPackageName, version);

    //step3:使用binder触发快速编译

    dexOpt(COMPILE_FILTER_QUICKEN, pluginPackageName, version);

    //step4:将apk路径反注册到PMS

    unregisterDexModule(pluginPackageName, version);

}



//执行全量编译

@Override

public void dexOptSpeed(String pluginPackageName, int version) {

    //step1:如果没有初始化则初始化

    maybeInit();

    //step2:将apk路径进行注册到PMS

    registerDexModule(pluginPackageName, version);

    //step3:使用binder触发全量编译

    dexOpt(COMPILE_FILTER_SPEED, pluginPackageName, version);

    //step4:将apk路径反注册到PMS

    unregisterDexModule(pluginPackageName, version);

}

实现

 /**

 * Try To Init (Build Base env)

 */

private void maybeInit() {

    if (mContext == null || mPmBinder != null) {

        return;

    }



    PackageManager packageManager = mContext.getPackageManager();



    Field mPmField = safeGetField(packageManager, "mPM");

    if (mPmField == null) {

        return;

    }



    mPmObj = safeGetValue(mPmField, packageManager);

    if (!(mPmObj instanceof IInterface)) {

        return;

    }



    IInterface mPmInterface = (IInterface) mPmObj;

    IBinder binder = mPmInterface.asBinder();

    if (binder != null) {

        mPmBinder = binder;

    }

}



 /**

 * DexOpt (Add Retry Function)

 */

private void dexOpt(String compileFilter, String pluginPackageName, int version) {

    String tempFilePath = PluginDirHelper.getTempSourceFile(pluginPackageName, version);

    String tempCacheDirPath = PluginDirHelper.getTempDalvikCacheDir(pluginPackageName, version);

    String tempOatDexFilePath = tempCacheDirPath + File.separator + PluginDirHelper.getOatFileName(tempFilePath);

    File tempOatDexFile = new File(tempOatDexFilePath);



    for (int retry = 1; retry <= MAX_RETRY_COUNT; retry++) {

        execCmd(buildDexOptArgs(compileFilter), null);

        if (tempOatDexFile.exists()) {

            break;

        }

    }

}



 /**

 * Register DexModule(dex path) To PMS

 */

private void registerDexModule(String pluginPackageName, int version) {

    if (pluginPackageName == null || mContext == null) {

        return;

    }



    String originFilePath = PluginDirHelper.getSourceFile(pluginPackageName, version);

    String tempFilePath = PluginDirHelper.getTempSourceFile(pluginPackageName, version);

    safeCopyFile(originFilePath, tempFilePath);



    String loadingPackageName = mContext.getPackageName();

    String loaderIsa = getCurrentInstructionSet();

    notifyDexLoad(loadingPackageName, tempFilePath, loaderIsa);

}



 /**

 * Register DexModule(dex path) To PMS By Binder

 */

private void notifyDexLoad(String loadingPackageName, String dexPath, String loaderIsa) {

    if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.R) {

        //deal android 11\12

        realNotifyDexLoadForR(loadingPackageName, dexPath, loaderIsa);

    } else {

        //deal android 10

        realNotifyDexLoad(loadingPackageName, dexPath, loaderIsa);

    }

}



 /**

 * Register DexModule(dex path) To PMS By Binder for R+

 */

private void realNotifyDexLoadForR(String loadingPackageName, String dexPath, String loaderIsa) {

    if (mPmObj == null || loadingPackageName == null || dexPath == null || loaderIsa == null) {

        return;

    }

    Map<String, String> maps = Collections.singletonMap(dexPath, "PCL[]");

    safeInvokeMethod(mPmObj, "notifyDexLoad",

            new Object[]{loadingPackageName, maps, loaderIsa},

            new Class[]{String.class, Map.class, String.class});

}



 /**

 * Register DexModule(dex path) To PMS By Binder for Q

 */

private void realNotifyDexLoad(String loadingPackageName, String dexPath, String loaderIsa) {

    if (mPmObj == null || loadingPackageName == null || dexPath == null || loaderIsa == null) {

        return;

    }

    List<String> classLoadersNames = Collections.singletonList("dalvik.system.DexClassLoader");

    List<String> classPaths = Collections.singletonList(dexPath);

    safeInvokeMethod(mPmObj, "notifyDexLoad",

            new Object[]{loadingPackageName, classLoadersNames, classPaths, loaderIsa},

            new Class[]{String.class, List.class, List.class, String.class});

}



 /**

 * UnRegister DexModule(dex path) To PMS

 */

private void unregisterDexModule(String pluginPackageName, int version) {

    if (pluginPackageName == null || mContext == null) {

        return;

    }



    String originDir = PluginDirHelper.getSourceDir(pluginPackageName, version);

    String tempDir = PluginDirHelper.getTempSourceDir(pluginPackageName, version);

    safeCopyDir(tempDir, originDir);



    String tempFilePath = PluginDirHelper.getTempSourceFile(pluginPackageName, version);

    safeDelFile(tempFilePath);



    reconcileSecondaryDexFiles();

}



 /**

 * Real UnRegister DexModule(dex path) To PMS (By Binder)

 */

private void reconcileSecondaryDexFiles() {

    execCmd(buildReconcileSecondaryDexFilesArgs(), null);

}



 /**

 * Process CMD (By Binder)(Have system permissions)

 */

private void execCmd(String[] args, Callback callback) {

    Parcel data = Parcel.obtain();

    Parcel reply = Parcel.obtain();

    data.writeFileDescriptor(FileDescriptor.in);

    data.writeFileDescriptor(FileDescriptor.out);

    data.writeFileDescriptor(FileDescriptor.err);

    data.writeStringArray(args);

    data.writeStrongBinder(null);



    ResultReceiver resultReceiver = new ResultReceiverCallbackWrapper(callback);

    resultReceiver.writeToParcel(data, 0);



    try {

        mPmBinder.transact(SHELL_COMMAND_TRANSACTION, data, reply, 0);

        reply.readException();

    } catch (Throwable e) {

        //Report info

    } finally {

        data.recycle();

        reply.recycle();

    }

}



 /**

 * Build dexOpt args

 *

 *  @param compileFilter compile filter

 *  @return cmd args

 */

private String[] buildDexOptArgs(String compileFilter) {

    return buildArgs("compile", "-m", compileFilter, "-f", "--secondary-dex",

            mContext == null ? "" : mContext.getPackageName());

}



 /**

 * Build ReconcileSecondaryDexFiles Args

 *

 *  @return cmd args

 */

private String[] buildReconcileSecondaryDexFilesArgs() {

    return buildArgs("reconcile-secondary-dex-files", mContext == null ? "" : mContext.getPackageName());

}



 /**

 * Get the InstructionSet through reflection

 */

private String getCurrentInstructionSet() {

    String currentInstructionSet;

    try {

        Class vmRuntimeClazz = Class.forName("dalvik.system.VMRuntime");

        currentInstructionSet = (String) MethodUtils.invokeStaticMethod(vmRuntimeClazz,

                "getCurrentInstructionSet");

    } catch (Throwable e) {

        currentInstructionSet = "arm64";

    }

    return currentInstructionSet;

}

验证

Android 10+ dex2oat方案兼容情况

下面是针对本方案兼容性验证的结果:

目标版本系统版本手机品牌Register Dex ModuleDex OptUnRegister Dex Module手机型号
Target29Android 10Vivo- Yes- Yes- YesVivo IQOO
Target29Android 10Oppo- Yes- Yes- YesOppo R15
Target29Android 10MI- Yes- Yes- YesMI 8
Target29Android 10华为- Yes- Yes- Yes华为 nova 7
Target29Android 11Vivo- Yes- Yes- YesVivo V20
Target29Android 11Oppo- Yes- Yes- YesOppo PDPM00(Oppo Android 11 对Rom进行了修改,目前暂不支持)
Target29Android 11MI- Yes- Yes- YesMI M2011K2C
Target29Android 11华为- Yes- Yes- Yes无此机器
Target29Android 12Piexl- Yes- Yes- Yes本地真机
Target30Android 10Vivo- Yes- Yes- YesVivo S1
Target30Android 10Oppo- Yes- Yes- YesOppo Find X
Target30Android 10MI- Yes- Yes- YesMI 8
Target30Android 10华为- Yes- Yes- Yes华为 P20
Target30Android 11Vivo- Yes- Yes- YesVivo V2046A
Target30Android 11Oppo- Yes- Yes- YesOppo PDPM00(Oppo Android 11 对Rom进行了修改,目前暂不支持)
Target30Android 11MI- Yes- Yes- YesMI M2011K2C
Target30Android 11华为- Yes- Yes- Yes无此机器
Target30Android 12Piexl- Yes- Yes- Yes本地真机

目前来看,对于手机品牌来说,该方案均可以兼容,仅Oppo且Android 11的机器上,由于对Rom进行了修改限制,导致此款机器不兼容。

兼容效果还算良好。

Android 10+ 优化前后Dex加载速度对比

下面针对高中低端的机器上,验证下优化前后Dex加载速度的差异:

机器性能机器型号包大小优化前平均耗时优化后平均耗时减少耗时占总耗时百分比
低端机Piexl 21.9m269.5ms12ms95.5%
中端机Vivo S11.9m159ms8.8ms94%
高端机MI 81.9m48.3ms6.5ms86%

对于Dex加载耗时的统计,是采用统计首次new ClassLoaderDex加载的耗时。

Dex加载耗时同包大小属于正相关,包越大,加载耗时越多;同机器性能属于负相关,机器性能越好,加载耗时越少。

通过上述数据可以看出,优化前后耗时差距还是非常明显的,机器性能越差优化越明显。

Dex加载速度优化明显。

Android 10+ 优化前后场景运行耗时对比

下面针对高中低端的机器上,验证下优化前后场景运行速度的差异:

机器性能机器型号优化前平均耗时优化后平均耗时减少耗时占总耗时百分比
低端机Piexl 245ms36ms20%
中端机Vivo S136.75ms31.23ms13.6%
高端机MI 813ms11.5ms11.5%

对于场景运行耗时的统计,是采用对场景启动前后打点,然后计算时间差。

由于非全量编译对运行速度影响较小,上述数据为未优化同全量编译优化的对比数据。

场景耗时场景复杂度属于正相关,场景复杂度越高,场景耗时越多;同机器性能属于负相关,机器性能越好,场景耗时越少。

通过上述数据可以看出,优化后对运行速度还是有质的提升的,且会随场景复杂度的提升,带来更大的提升。

总结

最终,通过假借系统之手来触发dex2oat的方式,绕过targetSdkVersion>=29Android10+上的限制,效果较为明显,dex加载速度提升80%以上,场景运行速度提升11%以上。
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