Android性能优化之Android 10+ dex2oat实践 _android性能

白日放歌须纵酒，青春作伴好还乡。这篇文章主要讲述Android性能优化之Android 10+ dex2oat实践相关的知识，希望能为你提供帮助。
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加载速度和代码运行速度，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 Apk和Secondary Apk的常规场景和插件场景。（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& gt; =29且Android 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）（OAT为dex2oat后的产物）。
那当前是否会受到这个限制的影响呢？
在2020年的时候Android 11系统正式发布，各大应用市场就开始限制App的targetSdkVersion& gt; =29，而Android 11系统距今已经发布一年之久，也就意味着，现如今App的targetSdkVersion& gt; =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 Apk和Secondary Apk，它们在常规场景和插件场景下，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？
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 9 和 Android 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 10 且

targetSdkVersion&
gt;
=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：
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_app是source type；
tcontext=u:object_r:``dex2oat_exec``:s0 ：表示目标资源的安全上下文，其中dex2oat_exec是target 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 10 且

targetSdkVersion&
gt;
=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_exec的execute权限被拒绝。
下面简单总结一下：

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。
限制2：Android 10+系统的相关SELinux规则变更，限制targetSdkVersion& gt; =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：

targetSdkVersion设置小于29
伪装应用进程为系统进程
关闭Android系统的SELinux检测
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&
gt;
=29

且Android 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 Apk和Secondary 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：

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PackageManager的Binder处理。
方式二：使用PackageManager的Binder，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@Overridepublic 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PMSregisterDexModule(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PMSunregisterDexModule(pluginPackageName, version); }//执行全量编译@Overridepublic 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PMSregisterDexModule(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PMSunregisterDexModule(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\\12realNotifyDexLoadForR(loadingPackageName, dexPath, loaderIsa); } else {//deal android 10realNotifyDexLoad(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 = https://www.songbingjia.com/android/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 Module	Dex Opt	UnRegister Dex Module	手机型号
Target29	Android 10	Vivo	-Yes	-Yes	-Yes	Vivo IQOO
Target29	Android 10	Oppo	-Yes	-Yes	-Yes	Oppo R15
Target29	Android 10	MI	-Yes	-Yes	-Yes	MI 8
Target29	Android 10	华为	-Yes	-Yes	-Yes	华为 nova 7
Target29	Android 11	Vivo	-Yes	-Yes	-Yes	Vivo V20
Target29	Android 11	Oppo	-Yes	-Yes	-Yes	Oppo PDPM00（Oppo Android 11 对Rom进行了修改，目前暂不支持）
Target29	Android 11	MI	-Yes	-Yes	-Yes	MI M2011K2C
Target29	Android 11	华为	-Yes	-Yes	-Yes	无此机器
Target29	Android 12	Piexl	-Yes	-Yes	-Yes	本地真机
Target30	Android 10	Vivo	-Yes	-Yes	-Yes	Vivo S1
Target30	Android 10	Oppo	-Yes	-Yes	-Yes	Oppo Find X
Target30	Android 10	MI	-Yes	-Yes	-Yes	MI 8
Target30	Android 10	华为	-Yes	-Yes	-Yes	华为 P20
Target30	Android 11	Vivo	-Yes	-Yes	-Yes	Vivo V2046A
Target30	Android 11	Oppo	-Yes	-Yes	-Yes	Oppo PDPM00（Oppo Android 11 对Rom进行了修改，目前暂不支持）
Target30	Android 11	MI	-Yes	-Yes	-Yes	MI M2011K2C
Target30	Android 11	华为	-Yes	-Yes	-Yes	无此机器
Target30	Android 12	Piexl	-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 2	1.9m	269.5ms	12ms	95.5%
中端机	Vivo S1	1.9m	159ms	8.8ms	94%
高端机	MI 8	1.9m	48.3ms	6.5ms	86%

对于Dex加载耗时的统计，是采用统计首次new ClassLoader时Dex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 2	45ms	36ms	20%
中端机	Vivo S1	36.75ms	31.23ms	13.6%
高端机	MI 8	13ms	11.5ms	11.5%

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。
场景耗时同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&
gt;
=29

且Android10+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。
关于字节终端技术团队
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【Android性能优化之Android 10+ dex2oat实践】字节跳动应用开发套件MARS是字节跳动终端技术团队过去九年在抖音、今日头条、西瓜视频、飞书、懂车帝等 App 的研发实践成果，面向移动研发、前端开发、QA、运维、产品经理、项目经理以及运营角色，提供一站式整体研发解决方案，助力企业研发模式升级，降低企业研发综合成本。