関小君刷题记

前言

网上关于启动优化的文章多不胜数，内容千篇一律，大都是列举一些耗时操作，采用异步加载、懒加载等。

而在面试过程中，关于启动优化的问题，如果只是很表面地回答耗时操作应该放在子线程，显然太过于普通，无法跟竞争者拉开差距。如何让面试官知道你的“内功深厚”，那肯定是要往原理层面去回答。

本文重点还是关注原理，冷启动优化这个问题能延伸到很多原理层面的知识点，本文比较有意思的地方是通过反编译今日头条App，研究大厂的启动优化方案。

讲启动优化之前，先看下应用的启动流程

一、应用启动流程

应用进程不存在的情况下，从点击桌面应用图标，到应用启动（冷启动），大概会经历以下流程：

1. Launcher startActivity

2. AMS startActivity

3. Zygote fork 进程

4. ActivityThread main()attachBaseContextApplication onCreate

5. ActivityThread 进入loop循环

6. Activity生命周期回调，onCreate、onStart、onResume…

整个启动流程我们能干预的主要是 4.3、4.5 和6，应用启动优化主要从这三个地方入手。理想状况下，这三个地方如果不做任何耗时操作，那么应用启动速度就是最快的，但是现实很骨感，很多开源库接入第一步一般都是在Application onCreate方法初始化，有的甚至直接内置ContentProvider，直接在ContentProvider中初始化框架，不给你优化的机会。

二、启动优化

直奔主题，常见的启动优化方式大概有这些：

• 闪屏页优化

• MultipDex优化（本文重点）

• 第三方库懒加载

• WebView优化

• 线程优化

• 系统调用优化

2.1 闪屏页优化

消除启动时的白屏/黑屏，市面上大部分App都采用了这种方法，非常简单，是一个障眼法，不会缩短实际冷启动时间，简单贴下实现方式吧。

styles.xml 增加一个主题叫AppThemeWelcome

闪屏页设置这个主题，或者全局给Application设置

这样的话启动Activity之后背景会一直在，所以在Activity的onCreate方法中切换成正常主题

protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) { 
    setTheme(R.style.AppTheme); //切换正常主题 
    super.onCreate(savedInstanceState);

这样打开桌面图标会马上显示logo，不会出现黑/白屏，直到Activity启动完成，替换主题，logo消失，但是总的启动时间并没有改变。

2.2  MultiDex 优化（本文重点）

说MultiDex之前，先梳理下apk编译流程

2.2.1 apk编译流程

Android Studio 按下编译按钮后发生了什么？

1. 打包资源文件，生成R.java文件（使用工具AAPT）

2. 处理AIDL文件，生成java代码（没有AIDL则忽略）

3. 编译 java 文件，生成对应.class文件（java compiler）

4. .class 文件转换成dex文件（dex）

5. 打包成没有签名的apk（使用工具apkbuilder）

6. 使用签名工具给apk签名（使用工具Jarsigner）

7. 对签名后的.apk文件进行对齐处理，不进行对齐处理不能发布到Google Market（使用工具zipalign）

在第4步，将class文件转换成dex文件，默认只会生成一个dex文件，单个dex文件中的方法数不能超过65536，不然编译会报错：

Unable to execute dex: method ID not in [0, 0xffff]: 65536

App集成一堆库之后，方法数一般都是超过65536的，解决办法就是：一个dex装不下，用多个dex来装，gradle增加一行配置即可。

multiDexEnabled true

这样解决了编译问题，在5.0以上手机运行正常，但是5.0以下手机运行直接crash，报错 Class NotFound xxx。

Android 5.0以下，ClassLoader加载类的时候只会从class.dex（主dex）里加载，ClassLoader不认识其它的class2.dex、class3.dex、…，当访问到不在主dex中的类的时候，就会报错:Class NotFound xxx，因此谷歌给出兼容方案，MultiDex。

2.2.2 MultiDex 原来这么耗时

在Android 4.4的机器打印MultiDex.install(context)耗时如下：

MultiDex.install 耗时：1320

平均耗时1秒以上，目前大部分应用应该还是会兼容5.0以下手机，那么MultiDex优化是冷启动优化的大头。

为什么MultiDex会这么耗时？老规矩，分析一下MultiDex原理~

2.2.3 MultiDex 原理

下面看下MultiDex的install 方法做了什么事

从入口的判断来看，如果虚拟机本身就支持加载多个dex文件，那就啥都不用做；如果是不支持加载多个dex（5.0以下是不支持的），则走到 doInstallation 方法。

先看注释1，MultiDexExtractor#load

查找dex文件，有两个逻辑，有缓存就调用loadExistingExtractions方法，没有缓存或者缓存读取失败就调用performExtractions方法，然后再缓存起来。使用到缓存，那么performExtractions 方法想必应该是很耗时的，分析一下代码：

这里的逻辑就是解压apk，遍历出里面的dex文件，例如class1.dex，class2.dex，然后又压缩成class1.zip，class2.zip…，然后返回zip文件列表。

思考为什么这里要压缩呢？后面涉及到ClassLoader加载类原理的时候会分析ClassLoader支持的文件格式。

第一次加载才会执行解压和压缩过程，第二次进来读取sp中保存的dex信息，直接返回file list，所以第一次启动的时候比较耗时。

dex文件列表找到了，回到上面MultiDex#doInstallation方法的注释2，找到的dex文件列表，然后调用installSecondaryDexes方法进行安装，怎么安装呢？方法点进去看SDK 19 以上的实现

1. 反射ClassLoader 的 pathList 字段

2. 找到pathList 字段对应的类的makeDexElements 方法

3. 通过MultiDex.expandFieldArray  这个方法扩展 dexElements 数组，怎么扩展？看下代码：

   private static void expandFieldArray(Object instance, String fieldName, Object[] extraElements) throws NoSuchFieldException, IllegalArgumentException, IllegalAccessException { 
        Field jlrField = findField(instance, fieldName); 
        Object[] original = (Object[])((Object[])jlrField.get(instance)); //取出原来的dexElements 数组 
        Object[] combined = (Object[])((Object[])Array.newInstance(original.getClass().getComponentType(), original.length + extraElements.length)); //新的数组 
        System.arraycopy(original, 0, combined, 0, original.length); //原来数组内容拷贝到新的数组 
        System.arraycopy(extraElements, 0, combined, original.length, extraElements.length); //dex2、dex3...拷贝到新的数组 
        jlrField.set(instance, combined); //将dexElements 重新赋值为新的数组 
    }

就是创建一个新的数组，把原来数组内容（主dex）和要增加的内容（dex2、dex3…）拷贝进去，反射替换原来的dexElements为新的数组，如下图

看起来有点眼熟，Tinker热修复的原理也是通过反射将修复后的dex添加到这个dex数组去，不同的是热修复是添加到数组最前面，而MultiDex是添加到数组后面。这样讲可能还不是很好理解？来看看ClassLoader怎么加载一个类的就明白了~

2.2.4  ClassLoader 加载类原理

不管是 PathClassLoader还是DexClassLoader，都继承自BaseDexClassLoader，加载类的代码在 BaseDexClassLoader中

4.4 源码

/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java

1. 构造方法通过传入dex路径，创建了DexPathList。

2. ClassLoader的findClass方法最终是调用DexPathList 的findClass方法

接着看DexPathList源码/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java

DexPathList里面定义了一个dexElements 数组，findClass方法中用到，看下

findClass方法逻辑很简单，就是遍历dexElements 数组，拿到里面的DexFile对象，通过DexFile的loadClassBinaryName方法加载一个类。

最终创建Class是通过native方法，就不追下去了，大家有兴趣可以看下native层是怎么创建Class对象的。DexFile.cpp

那么问题来了，5.0以下这个dexElements 里面只有主dex（可以认为是一个bug），没有dex2、dex3…，MultiDex是怎么把dex2添加进去呢?答案就是反射DexPathList的dexElements字段，然后把我们的dex2添加进去，当然，dexElements里面放的是Element对象，我们只有dex2的路径，必须转换成Element格式才行，所以反射DexPathList里面的makeDexElements 方法，将dex文件转换成Element对象即可。

dex2、dex3…通过makeDexElements方法转换成要新增的Element数组，最后一步就是反射DexPathList的dexElements字段，将原来的Element数组和新增的Element数组合并，然后反射赋值给dexElements变量，最后DexPathList的dexElements变量就包含我们新加的dex在里面了。

makeDexElements方法会判断file类型，上面讲dex提取的时候解压apk得到dex，然后又将dex压缩成zip，压缩成zip，就会走到第二个判断里去。仔细想想，其实dex不压缩成zip，走第一个判断也没啥问题吧，那谷歌的MultiDex为什么要将dex压缩成zip呢？在Android开发高手课中看到张绍文也提到这一点

然后我在反编译头条App的时候，发现头条参考谷歌的MultiDex，自己写了一套，猜想可能是优化这个多余的压缩过程，头条的方案下面会介绍。

2.2.5 原理小结

ClassLoader 加载类原理：

ClassLoader.loadClass -> DexPathList.loadClass -> 遍历dexElements数组 ->DexFile.loadClassBinaryName

通俗点说就是：ClassLoader加载类的时候是通过遍历dex数组，从dex文件里面去加载一个类，加载成功就返回，加载失败则抛出Class Not Found 异常。

MultiDex原理：

在明白ClassLoader加载类原理之后，我们可以通过反射dexElements数组，将新增的dex添加到数组后面，这样就保证ClassLoader加载类的时候可以从新增的dex中加载到目标类，经过分析后最终MultipDex原理图如下：

2.2.6 MultiDex 优化（两种方案）

知道了MultiDex原理之后，可以理解install过程为什么耗时，因为涉及到解压apk取出dex、压缩dex、将dex文件通过反射转换成DexFile对象、反射替换数组。

那么MultiDex到底应该怎么优化呢，放子线程可行吗？

方案1：子线程install（不推荐）

这个方法大家很容易就能想到，在闪屏页开一个子线程去执行MultiDex.install，然后加载完才跳转到主页。需要注意的是闪屏页的Activity，包括闪屏页中引用到的其它类必须在主dex中，不然在MultiDex.install之前加载这些不在主dex中的类会报错Class Not Found。这个可以通过gradle配置，如下：

maindexlist.txt 文件指定哪些类要打包到主dex中，内容格式如下

com/lanshifu/launchtest/SplashActivity.class

在已有项目中用这种方式，一顿操作猛如虎之后，编译运行在4.4的机器上，启动闪屏页，加载完准备进入主页直接崩掉了。

报错NoClassDefFoundError，一般都是该类没有在主dex中，要在maindexlist.txt 将配置指定在主dex。**第三方库中的ContentProvider必须指定在主dex中，否则也会找不到，为什么？**文章开头说过应用的启动流程，ContentProvider 初始化时机如下图：

ContentProvider初始化太早了，如果不在主dex中，还没启动闪屏页就已经crash了。

所以这种方案的缺点很明显：

1. MultiDex加载逻辑放在闪屏页的话，闪屏页中引用到的类都要配置在主dex。

2. ContentProvider必须在主dex，一些第三方库自带ContentProvider，维护比较麻烦，要一个一个配置。

这时候就思考一下，有没有其它更好的方案呢？大厂是怎么做的？今日头条肯定要对MultiDex进行优化吧，反编译瞧瞧？

点了一根烟之后，开始偷代码…

MultiDex优化方案2：今日头条方案

今日头条没有加固，反编译后很容易通过关键字搜索找到MultidexApplication这个类，

看注释1的d.a(this);这个方法，代码虽然混淆了，但是方法内部的代码还是可以看出是干嘛的，继续跟这个方法，为了不影响阅读，我对混淆做了一些处理，改成正常的方法名。

每个方法开头都有PatchProxy.isSupport这个if判断，这个是美团Robust热修复生成的代码，今日头条没有自己的热修复框架，没有用Tinker，而是用美团的，想了解关于Robust细节可以参考文末链接。Robust直接跳过，看else代码块即可。

继续看loadMultiDex方法

逻辑如下：1. 创建临时文件，作为判断MultiDex是否加载完的条件2. 启动LoadDexActivity去加载MultiDex（LoadDexActivity在单独进程），加载完会删除临时文件3. 开启while循环，直到临时文件不存在才跳出循环，进入Application的onCreate

创建临时文件代码

while循环代码

LoadDexActivity 只有一个加载框，加载完再跳转到闪屏页

dex加载完应该要finish掉当前Activity

按照上面代码分析，今日头条在5.0以下手机首次启动应该是这样：

1. 打开桌面图标

2. 显示默认背景

3. 跳转到加载dex的界面，展示一个loading的加载框几秒钟

4. 跳转到闪屏页

实际上是不是这样呢，用4.4机器试下？

看起来完全跟猜想的一致，撸几行代码验证应该不难吧？

点了一根烟之后，开始撸代码，最终实现效果如下

效果跟今日头条是一致的，不再重复分析代码了，源码上传到github，感兴趣的同学可以参考参考，头条的方案，值得尝试~github.com/lanshifu/Mu…

再次梳理一下这种方式：

1. 在主进程Application 的 attachBaseContext 方法中判断如果需要使用MultiDex，则创建一个临时文件，然后开一个进程（LoadDexActivity），显示Loading，异步执行MultiDex.install 逻辑，执行完就删除临时文件并finish自己。

2. 主进程Application 的 attachBaseContext 进入while代码块，定时轮循临时文件是否被删除，如果被删除，说明MultiDex已经执行完，则跳出循环，继续正常的应用启动流程。

3. 注意LoadDexActivity 必须要配置在main dex中。

有些同学可能会问，启动还是很久啊，冷启动时间有变化吗？冷启动时间是指点击桌面图标到第一个Activity显示这段时间。

MultiDex优化总结

方案1：直接在闪屏页开个子线程去执行MultiDex逻辑，MultiDex不影响冷启动速度，但是难维护。

方案2：今日头条的MultiDex优化方案：

1. 在Application 的attachBaseContext 方法里，启动另一个进程的LoadDexActivity去异步执行MultiDex逻辑，显示Loading。

2. 然后主进程Application进入while循环，不断检测MultiDex操作是否完成

3. MultiDex执行完之后主进程Application继续走，ContentProvider初始化和Application onCreate方法，也就是执行主进程正常的逻辑。

其实应该还有方案3，因为我发现头条并没有直接使用Google的MultiDex，而是参考谷歌的MultiDex，自己写了一套，耗时应该会少一些，大家有兴趣可以去研究一下。

2.3 预创建Activity

这段代码是今日头条里面的，Activity对象预先new出来，

对象第一次创建的时候，java虚拟机首先检查类对应的Class 对象是否已经加载。如果没有加载，jvm会根据类名查找.class文件，将其Class对象载入。同一个类第二次new的时候就不需要加载类对象，而是直接实例化，创建时间就缩短了。

头条真是把启动优化做到极致。

2.4 第三方库懒加载

很多第三方开源库都说在Application中进行初始化，十几个开源库都放在Application中，肯定对冷启动会有影响，所以可以考虑按需初始化，例如Glide，可以放在自己封装的图片加载类中，调用到再初始化，其它库也是同理，让Application变得更轻。

2.5 WebView启动优化。

WebView启动优化文章也比较多，这里只说一下大概优化思路。

1. WebView第一次创建比较耗时，可以预先创建WebView，提前将其内核初始化。

2. 使用WebView缓存池，用到WebView的地方都从缓存池取，缓存池中没有缓存再创建，注意内存泄漏问题。

3. 本地预置html和css，WebView创建的时候先预加载本地html，之后通过js脚本填充内容部分。

2.6 数据预加载

这种方式一般是在主页空闲的时候，将其它页面的数据加载好，保存到内存或数据库，等到打开该页面的时候，判断已经预加载过，直接从内存或数据库读取数据并显示。

2.7 线程优化

线程是程序运行的基本单位，线程的频繁创建是耗性能的，所以大家应该都会用线程池。单个cpu情况下，即使是开多个线程，同时也只有一个线程可以工作，所以线程池的大小要根据cpu个数来确定。

启动优化方式就先介绍到这里，常见的就是这些，其它的可以作为补充。

三、启动耗时分析方法

TraceView性能损耗太大，得到的结果不真实。Systrace 可以方便追踪关键系统调用的耗时情况，如 Choreographer，但是不支持应用程序代码的耗时分析。

3.1 Systrace + 函数插桩

结合Systrace 和 函数插桩，就是将如下代码插入到每个方法的入口和出口

插桩后的代码如下

插桩工具参考：github.com/AndroidAdva…

mac下systrace路径在

/Users/{xxx}/Library/Android/sdk/platform-tools/systrace/

编译运行app，执行命令

python2 /Users/lanshifu/Library/Android/sdk/platform-tools/systrace/systrace.py gfx view wm am pm ss dalvik app sched -b 90960 -a com.sample.systrace  -o test.log.html

最后按下Enter停止捕获trace信息，在目录下生成报告test.log.html，直接可以用谷歌浏览器打开查看。

3.2 BlockCanary 也可以检测

BlockCanary 可以监听主线程耗时的方法，将阈值设置低一点，比如200毫秒，这样的话如果一个方法执行时间超过200毫秒，获取堆栈信息并通知开发者。

BlockCanary 原理在之前那篇卡顿优化的文章里面讲过一些，这里就不再重复。

总结

文章有点长，看到这里，是不是忘记开头讲什么了？总结一下这篇文章主要涉及到哪些内容：

1. 应用启动流程

2. 闪屏页优化

3. MultiDex 原理分析

4. ClassLoader 加载一个类的流程分析

5. 热修复原理

6. MultiDex优化：介绍了两种方式，一种是直接在闪屏页开个子线程去加载dex，难维护，不推荐；一种是今日头条的方案，在单独一个进程加载dex，加载完主进程再继续。

7. 快速启动Activity的方式：预创建Activity，预加载数据。

8. 启动时间监控的方式：Systrace+插桩、BlockCanary。

面试问到启动优化问题，不要简单一两句话回答，可以说说自己在实际项目中做了哪些优化，比如Multidex优化，把整个流程，原理说清楚。当然，前提是自己要去实践，理解为什么要这样做。

就这样，有问题请留言，更多文章，敬请期待。

                      喜欢 就关注吧，欢迎投稿！