美团Android DEX自动拆包及动态加载简介

概述

作为一个android开发者,在开发应用时,随着业务规模发展到一定程度,不断地加入新功能、添加新的类库,代码在急剧的膨胀,相应的apk包的大小也急剧增加, 那么终有一天,你会不幸遇到这个错误:

  1. 生成的apk在android 2.3或之前的机器上无法安装,提示INSTALL_FAILED_DEXOPT
  2. 方法数量过多,编译时出错,提示:

而问题产生的具体原因如下:

  1. 无法安装(Android 2.3 INSTALL_FAILED_DEXOPT)问题,是由dexopt的LinearAlloc限制引起的,在Android版本不同分别经历了4M/5M/8M/16M限制,目前主流4.2.x系统上可能都已到16M, 在Gingerbread或者以下系统LinearAllocHdr分配空间只有5M大小的, 高于Gingerbread的系统提升到了8M。Dalvik linearAlloc是一个固定大小的缓冲区。在应用的安装过程中,系统会运行一个名为dexopt的程序为该应用在当前机型中运行做准备。dexopt使用LinearAlloc来存储应用的方法信息。Android 2.2和2.3的缓冲区只有5MB,Android 4.x提高到了8MB或16MB。当方法数量过多导致超出缓冲区大小时,会造成dexopt崩溃。
  2. 超过最大方法数限制的问题,是由于DEX文件格式限制,一个DEX文件中method个数采用使用原生类型short来索引文件中的方法,也就是4个字节共计最多表达65536个method,field/class的个数也均有此限制。对于DEX文件,则是将工程所需全部class文件合并且压缩到一个DEX文件期间,也就是Android打包的DEX过程中, 单个DEX文件可被引用的方法总数(自己开发的代码以及所引用的Android框架、类库的代码)被限制为65536;

插件化? MultiDex?

解决这个问题,一般有下面几种方案,一种方案是加大Proguard的力度来减小DEX的大小和方法数,但这是治标不治本的方案,随着业务代码的添加,方法数终究会到达这个限制,一种比较流行的方案是插件化方案,另外一种是采用google提供的MultiDex方案,以及google在推出MultiDex之前Android Developers博客介绍的通过自定义类加载过程, 再就是Facebook推出的为Android应用开发的Dalvik补丁, 但facebook博客里写的不是很详细;我们在插件化方案上也做了探索和尝试,发现部署插件化方案,首先需要梳理和修改各个业务线的代码,使之解耦,改动的面和量比较巨大,通过一定的探讨和分析,我们认为对我们目前来说采用MultiDex方案更靠谱一些,这样我们可以快速和简洁的对代码进行拆分,同时代码改动也在可以接受的范围内; 这样我们采用了google提供的MultiDex方式进行了开发。

插件化方案在业内有不同的实现原理,这里不再一一列举,这里只列举下Google为构建超过65K方法数的应用提供官方支持的方案:MultiDex

首先使用Android SDK Manager升级到最新的Android SDK Build Tools和Android Support Library。然后进行以下两步操作:

1.修改Gradle配置文件,启用MultiDex并包含MultiDex支持:

2.让应用支持多DEX文件。在官方文档中描述了三种可选方法:

在AndroidManifest.xml的application中声明android.support.MultiDex.MultiDexApplication;
如果你已经有自己的Application类,让其继承MultiDexApplication;
如果你的Application类已经继承自其它类,你不想/能修改它,那么可以重写attachBaseContext()方法:

并在Manifest中添加以下声明:

如果已经有自己的Application,则让其继承MultiDexApplication即可.

Dex自动拆包及动态加载

MultiDex带来的问题

在第一版本采用MultiDex方案上线后,在Dalvik下MultiDex带来了下列几个问题:

  1. 在冷启动时因为需要安装DEX文件,如果DEX文件过大时,处理时间过长,很容易引发ANR(Application Not Responding);
  2. 采用MultiDex方案的应用可能不能在低于Android 4.0 (API level 14) 机器上启动,这个主要是因为Dalvik linearAlloc的一个bug (Issue 22586);
  3. 采用MultiDex方案的应用因为需要申请一个很大的内存,在运行时可能导致程序的崩溃,这个主要是因为Dalvik linearAlloc 的一个限制(Issue 78035). 这个限制在 Android 4.0 (API level 14)已经增加了, 应用也有可能在低于 Android 5.0 (API level 21)版本的机器上触发这个限制;

而在ART下MultiDex是不存在这个问题的,这主要是因为ART下采用Ahead-of-time (AOT) compilation技术,系统在APK的安装过程中会使用自带的dex2oat工具对APK中可用的DEX文件进行编译并生成一个可在本地机器上运行的文件,这样能提高应用的启动速度,因为是在安装过程中进行了处理这样会影响应用的安装速度,对ART感兴趣的可以参考一下ART和Dalvik的区别.

MultiDex的基本原理是把通过DexFile来加载Secondary DEX,并存放在BaseDexClassLoader的DexPathList中。

下面代码片段是BaseDexClassLoader findClass的过程:

下面代码片段为怎么通过DexFile来加载Secondary DEX并放到BaseDexClassLoader的DexPathList中:

Dex自动拆包及动态加载方案简介

通过查看MultiDex的源码,我们发现MultiDex在冷启动时容易导致ANR的瓶颈, 在2.1版本之前的Dalvik的VM版本中, MultiDex的安装大概分为几步,第一步打开apk这个zip包,第二步把MultiDex的dex解压出来(除去Classes.dex之外的其他DEX,例如:classes2.dex, classes3.dex等等),因为android系统在启动app时只加载了第一个Classes.dex,其他的DEX需要我们人工进行安装,第三步通过反射进行安装,这三步其实都比较耗时, 为了解决这个问题我们考虑是否可以把DEX的加载放到一个异步线程中,这样冷启动速度能提高不少,同时能够减少冷启动过程中的ANR,对于Dalvik linearAlloc的一个缺陷(Issue 22586)和限制(Issue 78035),我们考虑是否可以人工对DEX的拆分进行干预,使每个DEX的大小在一定的合理范围内,这样就减少触发Dalvik linearAlloc的缺陷和限制; 为了实现这几个目的,我们需要解决下面三个问题:

  1. 在打包过程中如何产生多个的DEX包?
  2. 如果做到动态加载,怎么决定哪些DEX动态加载呢?
  3. 如果启动后在工作线程中做动态加载,如果没有加载完而用户进行页面操作需要使用到动态加载DEX中的class怎么办?

我们首先来分析如何解决第一个问题,在使用MultiDex方案时,我们知道BuildTool会自动把代码进行拆成多个DEX包,并且可以通过配置文件来控制哪些代码放到第一个DEX包中, 下图是Android的打包流程示意图:

为了实现产生多个DEX包,我们可以在生成DEX文件的这一步中, 在Ant或gradle中自定义一个Task来干预DEX产生的过程,从而产生多个DEX,下图是在ant和gradle中干预产生DEX的自定task的截图:

上一步解决了如何打包出多个DEX的问题了,那我们该怎么该根据什么来决定哪些class放到Main DEX,哪些放到Secondary DEX呢(这里的Main DEX是指在2.1版本的Dalvik VM之前由android系统在启动apk时自己主动加载的Classes.dex,而Secondary DEX是指需要我们自己安装进去的DEX,例如:Classes2.dex, Classes3.dex等), 这个需要分析出放到Main DEX中的class依赖,需要确保把Main DEX中class所有的依赖都要放进来,否则在启动时会发生ClassNotFoundException, 这里我们的方案是把Service、Receiver、Provider涉及到的代码都放到Main DEX中,而把Activity涉及到的代码进行了一定的拆分,把首页Activity、Laucher Activity、欢迎页的Activity、城市列表页Activity等所依赖的class放到了Main DEX中,把二级、三级页面的Activity以及业务频道的代码放到了Secondary DEX中,为了减少人工分析class的依赖所带了的不可维护性和高风险性,我们编写了一个能够自动分析Class依赖的脚本, 从而能够保证Main DEX包含class以及他们所依赖的所有class都在其内,这样这个脚本就会在打包之前自动分析出启动到Main DEX所涉及的所有代码,保证Main DEX运行正常。

随着第二个问题的迎刃而解,我们来到了比较棘手的第三问题,如果我们在后台加载Secondary DEX过程中,用户点击界面将要跳转到使用了在Secondary DEX中class的界面, 那此时必然发生ClassNotFoundException, 那怎么解决这个问题呢,在所有的Activity跳转代码处添加判断Secondary DEX是否加载完成?这个方法可行,但工作量非常大; 那有没有更好的解决方案呢?我们通过分析Activity的启动过程,发现Activity是由ActivityThread 通过Instrumentation来启动的,我们是否可以在Instrumentation中做一定的手脚呢?通过分析代码ActivityThreadInstrumentation发现,Instrumentation有关Activity启动相关的方法大概有:execStartActivity、newActivity等等,这样我们就可以在这些方法中添加代码逻辑进行判断这个Class是否加载了,如果加载则直接启动这个Activity,如果没有加载完成则启动一个等待的Activity显示给用户,然后在这个Activity中等待后台Secondary DEX加载完成,完成后自动跳转到用户实际要跳转的Activity;这样在代码充分解耦合,以及每个业务代码能够做到颗粒化的前提下,我们就做到Secondary DEX的按需加载了, 下面是Instrumentation添加的部分关键代码:

实际应用中我们还遇到另外一个比较棘手的问题, 就是Field的过多的问题,Field过多是由我们目前采用的代码组织结构引入的,我们为了方便多业务线、多团队并发协作的情况下开发,我们采用的aar的方式进行开发,并同时在aar依赖链的最底层引入了一个通用业务aar,而这个通用业务aar中包含了很多资源,而ADT14以及更高的版本中对Library资源处理时,Library的R资源不再是static final的了,详情请查看google官方说明,这样在最终打包时Library中的R没法做到内联,这样带来了R field过多的情况,导致需要拆分多个Secondary DEX,为了解决这个问题我们采用的是在打包过程中利用脚本把Libray中R field(例如ID、Layout、Drawable等)的引用替换成常量,然后删去Library中R.class中的相应Field。

总结

上面就是我们在使用MultiDex过程中进化而来的DEX自动化拆包的方案, 这样我们就可以通过脚本控制来进行自动化的拆分DEX,然后在运行时自由的加载Secondary DEX,既能保证冷启动速度,又能减少运行时的内存占用。

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