dex 优化编年史

本文作者：熊大

引言

在热修复和插件化场景中会涉及动态加载 dex，要使它们中代码的执行速度与安装的 APK 相当，需要对它们进行正确的优化。根据以往的经验，在热修复场景中，错误的方式导致 dex 没有得到优化时，修复后 App 的启动速度比修复前慢 50%。本文将在下面的部分介绍在 Android 5.0 以来的各系统版本中对动态加载的 dex 进行优化的方式及原理。

Android 5

从 Android 5.0 开始，系统引入了预先编译机制（AOT），在应用安装时，使用 dex2oat 工具将 dex 编译为可执行文件。

此时可以通过 DexFile.loadDex 来触发 dex2oat 优化 dex，其调用过程如下：

DexFile.loadDex -> new DexFile -> DexFile.openDexFile -> DexFile.openDexFileNative -> DexFile_openDexFileNative -> ClassLinker::OpenDexFilesFromOat -> ClassLinker::CreateOatFileForDexLocation -> ClassLinker::GenerateOatFile

可以看到在 ClassLinker::GenerateOatFile 函数中会执行 dex2oat 命令来优化 dex。

// art/runtime/class_linker.cc(android-5.0.2)
bool ClassLinker::GenerateOatFile(const char* dex_filename,
                                  int oat_fd,
                                  const char* oat_cache_filename,
                                  std::string* error_msg) {
  // ...
  std::vector argv;
  argv.push_back(dex2oat);
  argv.push_back("--runtime-arg");
  argv.push_back("-classpath");
  argv.push_back("--runtime-arg");
  argv.push_back(Runtime::Current()->GetClassPathString());

  Runtime::Current()->AddCurrentRuntimeFeaturesAsDex2OatArguments(&argv);

  if (!Runtime::Current()->IsVerificationEnabled()) {
    argv.push_back("--compiler-filter=verify-none");
  }

  if (Runtime::Current()->MustRelocateIfPossible()) {
    argv.push_back("--runtime-arg");
    argv.push_back("-Xrelocate");
  } else {
    argv.push_back("--runtime-arg");
    argv.push_back("-Xnorelocate");
  }

  if (!kIsTargetBuild) {
    argv.push_back("--host");
  }

  argv.push_back(boot_image_option);
  argv.push_back(dex_file_option);
  argv.push_back(oat_fd_option);
  argv.push_back(oat_location_option);
  const std::vector& compiler_options = Runtime::Current()->GetCompilerOptions();
  for (size_t i = 0; i < compiler_options.size(); ++i) {
    argv.push_back(compiler_options[i].c_str());
  }

  return Exec(argv, error_msg);
}

所以，可用 DexFile.loadDex 进行 dex 优化。

Android 7

从 Android 7.0 开始，为解决 AOT 带来的安装时间长和占用空间大等问题，系统引入了配置文件引导型编译，结合 AOT 和 即时编译（JIT）一起使用：

  1. 应用安装时不再进行 AOT 编译
  2. 在应用的运行过程中，对未编译的代码进行解释，将执行的方法信息记录到配置文件中，并对经常执行的方法进行 JIT 编译
  3. 当设备闲置和充电时，根据生成的配置文件对常用代码进行 AOT 编译

配置文件引导型编译跟以前的 AOT 编译的一个主要区别是执行 dex2oat 时使用的编译过滤器不同，前者使用 speed-profile，而后者使用 speed。dex2oat 的所有编译过滤器定义在 compiler_filter.h 中，在不同系统版本中类型会有变化，主要有以下 4 种：

  • verify：仅运行 dex 代码验证
  • quicken：运行 dex 代码验证，并优化一些 dex 指令，以获得更好的解释器性能（Android 8 引入，Android 12 移除）
  • speed：运行 dex 代码验证，并对所有方法进行 AOT 编译
  • speed-profile：运行 dex 代码验证，并对配置文件中列出的方法进行 AOT 编译

编译过滤器会影响 dex 优化的效果，回到前面给出的优化方法 DexFile.loadDex，其在新系统版本中会使用优化所需的编译过滤器吗？DexFile.loadDex 在 Android 7.0 上调用过程如下：

DexFile.loadDex -> new DexFile -> DexFile.openDexFile -> DexFile.openDexFileNative -> DexFile_openDexFileNative -> OatFileManager::OpenDexFilesFromOat -> OatFileAssistant::MakeUpToDate -> OatFileAssistant::GenerateOatFile

依然会在 OatFileAssistant::GenerateOatFile 函数中执行 dex2oat 命令，使用的编译过滤器是在调 OatFileAssistant::MakeUpToDate 函数时传入的 speed，所以 DexFile.loadDex 在 Android 7.0 上依然适用。

// art/runtime/oat_file_manager.cc(android-7.0.0)
CompilerFilter::Filter OatFileManager::filter_ = CompilerFilter::Filter::kSpeed;

std::vector> OatFileManager::OpenDexFilesFromOat(
    const char* dex_location,
    const char* oat_location,
    jobject class_loader,
    jobjectArray dex_elements,
    const OatFile** out_oat_file,
    std::vector* error_msgs) {
  // ...
  if (!oat_file_assistant.IsUpToDate()) {
    // ...
    switch (oat_file_assistant.MakeUpToDate(filter_, /*out*/ &error_msg)) {
      // ...
    }
  }
  // ...        
}

Android 8

在 Android 8.0 中，DexFile.loadDex 的调用过程基本不变，但编译过滤器改为通过 GetRuntimeCompilerFilterOption 函数得到。

// art/runtime/oat_file_assistant.cc(android-8.0.0)
OatFileAssistant::MakeUpToDate(bool profile_changed, std::string* error_msg) {
  CompilerFilter::Filter target;
  if (!GetRuntimeCompilerFilterOption(&target, error_msg)) {
    return kUpdateNotAttempted;
  }
  // ...
}

GetRuntimeCompilerFilterOption 函数优先取当前 Runtime 的启动参数 --compiler-filter 指定的编译过滤器，如不存在，则用默认的 quicken。

// art/runtime/oat_file_assistant.cc(android-8.0.0)
static bool GetRuntimeCompilerFilterOption(CompilerFilter::Filter* filter,
                                           std::string* error_msg) {
  // ...
  *filter = OatFileAssistant::kDefaultCompilerFilterForDexLoading;
  for (StringPiece option : Runtime::Current()->GetCompilerOptions()) {
    if (option.starts_with("--compiler-filter=")) {
      const char* compiler_filter_string = option.substr(strlen("--compiler-filter=")).data();
      if (!CompilerFilter::ParseCompilerFilter(compiler_filter_string, filter)) {
        // ...
        return false;
      }
    }
  }
  return true;
}

// art/runtime/oat_file_assistant.h(android-8.0.0)
class OatFileAssistant {
 public:
  // The default compile filter to use when optimizing dex file at load time if they
  // are out of date.
  static const CompilerFilter::Filter kDefaultCompilerFilterForDexLoading =
      CompilerFilter::kQuicken;
  // ...      
};

Runtime 的启动参数 --compiler-filter 的值由设置的系统属性 vold.decrypt 和 dalvik.vm.dex2oat-filter 决定：

  1. 如果 vold.decrypt 属性值等于 trigger_restart_min_framework 或 1，则为 assume-verified

  2. 否则为 dalvik.vm.dex2oat-filter 属性值

    // frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp(android-8.0.0)
int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
 // ...
 property_get("vold.decrypt", voldDecryptBuf, "");
 bool skip_compilation = ((strcmp(voldDecryptBuf, "trigger_restart_min_framework") == 0) ||
                          (strcmp(voldDecryptBuf, "1") == 0));
 // ...
 if (skip_compilation) {
     addOption("-Xcompiler-option");
     addOption("--compiler-filter=assume-verified");
     // ...
 } else {
     parseCompilerOption("dalvik.vm.dex2oat-filter", dex2oatCompilerFilterBuf,
                         "--compiler-filter=", "-Xcompiler-option");
 }
}

    通过 adb 用 getprop 命令查看系统属性值，可知 vold.decrypt 的属性值不等于 trigger_restart_min_framework 或 1，且 dalvik.vm.dex2oat-filter 属性不存在，所以 DexFile.loadDex 最终使用的编译过滤器为 quicken，达不到 dex 优化的要求。

无法实现对 dex 的所有方法进行 AOT 编译，可以退而求其次，通过创建 BaseDexClassLoader 或其子类对象，让动态加载的 dex 跟安装的应用一样，初始只做基本优化，随着代码的运行，常用代码会被 AOT 编译。

BaseDexClassLoader 的构造方法会依次执行以下 2 个步骤来分别实现基本优化和对常用代码进行 AOT 编译：

  1. 创建 DexPathList 对象

  2. 执行 DexLoadReporter.report 方法

    // libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java(android-8.0.0)
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
     String librarySearchPath, ClassLoader parent) {
 super(parent);
 this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, librarySearchPath, null);

 if (reporter != null) {
     reporter.report(this.pathList.getDexPaths());
 }
}

首先，创建 DexPathList 对象会触发创建 DexFile 对象，进而会如前文所述使用编译过滤器 quicken 执行基本优化，调用过程如下：

new DexPathList -> DexPathList.makeDexElements -> DexPathList.loadDexFile -> new DexFile

在介绍为什么 DexLoadReporter.report 方法可以让动态加载的 dex 能被 AOT 编译之前，先看看 BaseDexClassLoader.reporter 的来源。在应用启动过程中，系统会根据 dalvik.vm.usejitprofiles 属性值来决定是否将 DexLoadReporter 单例设给 BaseDexClassLoader 的静态变量 reporter，通过 getprop 命令查看可知 dalvik.vm.usejitprofiles 属性值为 true，所以 BaseDexClassLoader.reporter 的值为 DexLoadReporter 单例。

// frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java(android-8.0.0)
private void handleBindApplication(AppBindData data) {
    // ...
    if (SystemProperties.getBoolean("dalvik.vm.usejitprofiles", false)) {
        BaseDexClassLoader.setReporter(DexLoadReporter.getInstance());
    }
    // ...
}

DexLoadReporter.report 方法通过执行如下 2 步来实现动态加载的 dex 会被系统执行基于配置文件的 AOT 编译：

  1. 向 PackageManagerService 注册 dex 使用信息，使系统在执行后台 dex 优化时能获得动态加载的 dex 信息进行优化

  2. 向 VMRuntime 注册记录执行的方法信息的配置文件，使动态加载的 dex 中的方法被执行时也会被记录

    // frameworks/base/core/java/android/app/DexLoadReporter.java(android-8.0.0)
public void report(List dexPaths) {
 // ...
 // Notify the package manager about the dex loads unconditionally.
 // The load might be for either a primary or secondary dex file.
 notifyPackageManager(dexPaths);
 // Check for secondary dex files and register them for profiling if
 // possible.
 registerSecondaryDexForProfiling(dexPaths);
}

    notifyPackageManager 方法经过如下调用过程后，将 dex 信息注册到 PackageDexUsage 中，并写入到 /data/system/package-dex-usage.list 文件中。

    DexLoadReporter.notifyPackageManager -> PackageManagerService.notifyDexLoad -> DexManager.notifyDexLoad -> PackageDexUsage.record -> PackageDexUsage.maybeWriteAsync

    registerSecondaryDexForProfiling 方法会以 dex 文件路径加 .prof 后缀作为路径创建配置文件，并将其注册到 VMRuntime 中。在执行过程中会判断 dex 文件是否是 secondary dex 文件，即非安装的 APK 文件，判断方式为 dex 文件是否位于应用的 data 目录中，所以需要将动态加载的 dex 放在应用的 data 目录中。

最后来分析下系统执行后台 dex 优化的流程，看看通过创建 BaseDexClassLoader 或其子类对象的方式注册到 PackageDexUsage 中的 dex 能否被优化。系统会在启动时向 JobScheduler 注册后台 dex 优化任务，调用过程如下：

SystemServer.run -> SystemServer.startOtherServices -> BackgroundDexOptService.schedule

后台 dex 优化任务会在设备空闲且充电时执行，任务执行时间间隔至少 1 天。

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/BackgroundDexOptService.java(android-8.0.0)
public static void schedule(Context context) {
    JobScheduler js = (JobScheduler) context.getSystemService(Context.JOB_SCHEDULER_SERVICE);
    // ...
    js.schedule(new JobInfo.Builder(JOB_IDLE_OPTIMIZE, sDexoptServiceName)
                .setRequiresDeviceIdle(true)
                .setRequiresCharging(true)
                .setPeriodic(IDLE_OPTIMIZATION_PERIOD)
                .build());
    // ...
}

系统执行后台 dex 优化任务的调用过程如下：

BackgroundDexOptService.onStartJob -> BackgroundDexOptService.runIdleOptimization -> BackgroundDexOptService.idleOptimization

在 BackgroundDexOptService.idleOptimization 方法中，会根据 dalvik.vm.dexopt.secondary 属性值决定是否对 secondary dex 进行优化，使用 getprop 命令查看可知该属性值为 true，所以后台 dex 优化的目标包含 secondary dex。

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/BackgroundDexOptService.java(android-8.0.0)
private int idleOptimization(PackageManagerService pm, ArraySet pkgs, Context context) {
    // ...
    if (SystemProperties.getBoolean("dalvik.vm.dexopt.secondary", false)) {
        // ...
        result = optimizePackages(pm, pkgs, lowStorageThreshold, /*is_for_primary_dex*/ false,
                sFailedPackageNamesSecondary);
    }
    return result;
}

后续对 secondary dex 进行优化的调用过程如下，最终通过从 ServiceManager 获取的 installd 服务提供的 dexopt 接口执行 dex 优化。

BackgroundDexOptService.optimizePackages -> PackageManagerService.performDexOptSecondary -> DexManager.dexoptSecondaryDex -> DexManager.dexoptSecondaryDex -> PackageDexOptimizer.dexOptSecondaryDexPath -> PackageDexOptimizer.dexOptSecondaryDexPathLI -> Installer.dexopt

在 DexManager.dexoptSecondaryDex 方法中，会先从 PackageDexUsage 获取已注册的 dex 信息，然后执行 dex 优化，所以只有已注册到 PackageDexUsage 中的 dex 能被优化。

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/dex/DexManager.java(android-8.0.0)
public boolean dexoptSecondaryDex(String packageName, String compilerFilter, boolean force) {
    // ...
    PackageUseInfo useInfo = getPackageUseInfo(packageName);
    // ...
    for (Map.Entry entry : useInfo.getDexUseInfoMap().entrySet()) {
        // ...
        int result = pdo.dexOptSecondaryDexPath(pkg.applicationInfo, dexPath,
                dexUseInfo.getLoaderIsas(), compilerFilter, dexUseInfo.isUsedByOtherApps());
        // ...
    }
    // ...
}

public PackageUseInfo getPackageUseInfo(String packageName) {
    return mPackageDexUsage.getPackageUseInfo(packageName);
}

前文提到注册 dex 时会将 dex 信息写入文件，且在系统启动创建 PackageManagerService 对象时会读取文件中的 dex 信息，调用过程如下：

new PackageManagerService -> DexManager.load -> DexManager.loadInternal -> PackageDexUsage.read

所以即使从注册 dex 到本次系统生命周期结束都没满足执行后台 dex 优化条件，但下次系统启动后，以前注册的 dex 还可以在满足执行条件时被优化。

installd 服务运行于 installd 守护进程中，该进程在系统启动时由 init 进程启动，并在启动时创建 installd 服务实例注册到 ServiceManager 中。installd 服务的 dexopt 接口经过如下调用过程后，最终会执行 dex2oat 命令。

InstalldNativeService::dexopt -> android::installd::dexopt -> run_dex2oat

经过以上分析，可以确定创建 BaseDexClassLoader 或其子类对象可以让动态加载的 dex 得到跟安装的应用一样的优化效果。

dex 优化编年史_第1张图片

Android 10

创建 BaseDexClassLoader 或其子类对象，在 Android 10 及以上系统中，依然能在系统执行后台 dex 优化时对动态加载的 dex 进行优化，但从 Android 10 开始，系统引入了 class loader context，要求必须创建 PathClassLoader 或 DexClassLoader 或 DelegateLastClassLoader 的对象，可以选择用 PathClassLoader。

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/dex/DexManager.java(android-10.0.0)
/*package*/ void notifyDexLoadInternal(ApplicationInfo loadingAppInfo,
        List classLoaderNames, List classPaths, String loaderIsa,
        int loaderUserId) {
    // ...
    String[] classLoaderContexts = DexoptUtils.processContextForDexLoad(
            classLoaderNames, classPaths);
    // ...
    for (String dexPath : dexPathsToRegister) {
        // ...
        if (searchResult.mOutcome != DEX_SEARCH_NOT_FOUND) {
            // ...
            if (classLoaderContexts != null) {
                // ...
                if (mPackageDexUsage.record(searchResult.mOwningPackageName,
                        dexPath, loaderUserId, loaderIsa, isUsedByOtherApps, primaryOrSplit,
                        loadingAppInfo.packageName, classLoaderContext)) {
                    mPackageDexUsage.maybeWriteAsync();
                }
            }
        } else {
            // ...
        }
        // ...
    }
}

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/dex/DexoptUtils.java(android-10.0.0)
/*package*/ static String[] processContextForDexLoad(List classLoadersNames,
        List classPaths) {
    // ...
    for (int i = 1; i < classLoadersNames.size(); i++) {
        if (!ClassLoaderFactory.isValidClassLoaderName(classLoadersNames.get(i))
            || classPaths.get(i) == null) {
            return null;
        }
        // ...
    }
    // ...
}


public static boolean isValidClassLoaderName(String name) {
    // This method is used to parse package data and does not accept null names.
    return name != null && (isPathClassLoaderName(name) || isDelegateLastClassLoaderName(name));
}

从 Android 10 开始，创建 DexFile 对象不再会触发执行 dex2oat 命令，所以创建 PathClassLoader 对象已无法实现在初始时对 dex 进行基本优化。

同时，从 Android 10 开始，SELinux 增加了对应用执行 dex2oat 命令的限制，所以也无法通过 ProcessBuilder 或 Runtime 执行 dex2oat 命令来对 dex 进行基本优化。在 file_contexts 文件中定义了 dex2oat 工具的安全上下文，指定了只有拥有 dex2oat_exec 的权限的进程才能执行 dex2oat。

# system/sepolicy/private/file_contexts(android-10.0.0)
/system/bin/dex2oat(d)?     u:object_r:dex2oat_exec:s0

在 seapp_contexts 文件中指定了不同 targetSdkVersion 对应的进程安全上下文类型，例如当应用的 targetSdkVersion 大于等于 29 时，其进程安全上下文类型为 untrusted_app。

# system/sepolicy/private/seapp_contexts(android-10.0.0)
user=_app minTargetSdkVersion=29 domain=untrusted_app type=app_data_file levelFrom=all
user=_app minTargetSdkVersion=28 domain=untrusted_app_27 type=app_data_file levelFrom=all
user=_app minTargetSdkVersion=26 domain=untrusted_app_27 type=app_data_file levelFrom=user
user=_app domain=untrusted_app_25 type=app_data_file levelFrom=user

可通过 ps -Z 命令来查看进程的安全上下文，结果跟规则指定的一致：

  • targetSdkVersion = 28：u:r:untrusted_app_27:s0:c101,c259,c512,c768
  • targetSdkVersion = 29：u:r:untrusted_app:s0:c101,c259,c512,c768

不同进程安全上下文类型所拥有的权限定义在跟类型对应的文件中，与 targerSdkVersion 小于 29 的应用对应的权限规则文件中声明了应用进程有 dex2oat_exec 类型的读和执行权限，而与 targerSdkVersion 大于等于 29 的应用对应的文件中没有对 dex2oat_exec 类型的权限的声明，所以在 Android 10 及以上系统中，当应用的 targetSdkVersion 大于等于 29 时，无法在应用进程中执行 dex2oat 命令。

# system/sepolicy/private/untrusted_app_27.te(android-10.0.0)
# The ability to invoke dex2oat. Historically required by ART, now only
# allowed for targetApi<=28 for compat reasons.
allow untrusted_app_27 dex2oat_exec:file rx_file_perms;
userdebug_or_eng(`auditallow untrusted_app_27 dex2oat_exec:file rx_file_perms;')

# system/sepolicy/private/untrusted_app.te(android-10.0.0)
typeattribute untrusted_app coredomain;

app_domain(untrusted_app)
untrusted_app_domain(untrusted_app)
net_domain(untrusted_app)
bluetooth_domain(untrusted_app)

PMS 通过 aidl 提供了 performDexOptSecondary 接口，可对 secondary dex 进行优化，且能指定编译过滤器，可用来实现初始时的基本优化。该接口通过 Binder 的 shell command 方式对外暴露，调用过程如下：

Binder.onTransact -> Binder.shellCommand -> PackageManagerService.onShellCommand -> ShellCommand.exec -> PackageManagerShellCommand.onCommand -> PackageManagerShellCommand.runCompile -> PackageManagerService.performDexOptSecondary

所以可通过反射获取 PMS 的 Binder 接口实例，然后用对应的 transation code 来调 Binder 的 shell command 接口，传入调 performDexOptSecondary 接口所需的参数的方式来让 PMS 执行对 secondary dex 的优化。

fun performDexOptSecondaryByShellCommand(context: Context) {
  runCatching {
    val pm = Class.forName("android.os.ServiceManager").getDeclaredMethod("getService", String::class.java).invoke(null, "package") as? IBinder
    var data: Parcel? = null
    var reply: Parcel? = null
    val lastIdentity = Binder.clearCallingIdentity()
    try {
      data = Parcel.obtain()
      reply = Parcel.obtain()
      data.writeFileDescriptor(FileDescriptor.`in`)
      data.writeFileDescriptor(FileDescriptor.out)
      data.writeFileDescriptor(FileDescriptor.err)
      val args = arrayOf("compile", "-f", "--secondary-dex", "-m", if (Build.VERSION.SDK_INT >= 31) "verify" else "speed-profile", context.packageName)
      data.writeStringArray(args)
      data.writeStrongBinder(null)
      ResultReceiver(Handler(Looper.getMainLooper())).writeToParcel(data, 0)
      val shellCommandTransaction: Int = '_'.toInt() shl 24 or ('C'.toInt() shl 16) or ('M'.toInt() shl 8) or 'D'.toInt()
      pm?.transact(shellCommandTransaction, data, reply, 0)
      reply.readException()
    } finally {
      reply?.recycle()
      data?.recycle()
      Binder.restoreCallingIdentity(lastIdentity)
    }
  }.onFailure { it.printStackTrace() }
}

初始时对 dex 进行基本优化与应用安装对应，使用的编译过滤器也应保持一致，应用安装场景使用的编译过滤器由 pm.dexopt.install 系统属性指定，其值为 speed-profile，在 Android 12 及以上系统中，可用新引入的 pm.dexopt.install-bulk-secondary 属性的值 verify。

综上，可结合创建 PathClassLoader 对象和调 PMS 提供的 performDexOptSecondary 接口来对动态加载的 dex 进行效果跟安装的应用一样的优化。

dex 优化编年史_第2张图片

小结

本文在分析系统相关实现的基础上，介绍了在 Android 5.0 以来的各系统版本中实现对动态加载的 dex 进行优化，使执行速度与安装的 APK 相当的方式：

  1. 系统版本大于等于 5.0 且小于 8.0：使用 DexFile.loadDex
  2. 系统版本大于等于 8.0 且小于 10：创建 PathClassLoader 对象
  3. 系统版本大于等于 10：创建 PathClassLoader 对象，并通过 PMS Binder 的 shell command 调 performDexOptSecondary 接口

参考资料

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