Android性能优化之启动速度优化

前言：

文本主要会介绍三大块：

1.简略介绍APP启动的完整流程，对整个流程有所了解，才知道在哪里可以进行优化。

2.一些常用的APP启动优化的方案，主要分为三大块优化方向。

3.一些不常见的APP启动优化的方案，甚至包含一些FW层的代码改动，有的可能是对应用开发者无效的，但是对于车载开发是有用的。

一安卓APP启动完整流程分析（冷启动）

图1:

主要分为三个阶段：

1.1 桌面点击APP图标，通知到AMS去完成应用进程的创建的流程

1.安卓系统启动后，拉起的第一个应用是桌面应用。它由SystemServer负责创建，并持有AMS的binder引用。

2.点击桌面图标后，Launcher会通过binder通知AMS启动该APP。

3.AMS会根据传递过来的信息查询APP应用进程在后台是否存在。如果在后台，则属于热启动，如果不在后台，则属于冷启动。优化的重点一般都是冷启动。

4.如果APP进程不存在。AMS主要会做两件事：

一：AMS首先会读取对应APP的Manifest信息（此配置信息是存在于AMS中，手机启动或者应用安装时读取到内存中的），然后根据MainActivity的主题设置，读取其背景图并展示到屏幕上。

二：通过socket的方式通知Zygote去fork产生APP进程。

如图2所示：

1.2 应用进程创建后的流程

5.APP进程创建后，会通过执行ActivityThread中的main方法。此方法主要做了两件事，

第一会进行Looper的初始化；

第二会通过attach方法通知AMS，进行进程的绑定，此时也会把APP创建的binder传递给AMS。

6.AMS中完成注册绑定后，会通过binder通知APP进行application的绑定。APP端binder的接收者是ApplicationThread（下同）。ApplicationThread会被调用bindApplication方法，然后通过handler通知ActivityThread去调用handleBindApplication方法。

7.handleBindApplication方法负责应用初始化的所有流程。主要流程图如下图所示：

图3:

首先，在方法中，通过ContextImpl.createAppContext(this, data.info)去加载DEX文件以及资源。

具体加载DEX的方法在LoadedApk的createOrUpdateClassLoaderLocked方法中：

private void createOrUpdateClassLoaderLocked(List addedPaths) {
        ...

        //生成Classloader
            mDefaultClassLoader = ApplicationLoaders.getDefault().getClassLoaderWithSharedLibraries(
                    zip, mApplicationInfo.targetSdkVersion, isBundledApp, librarySearchPath,
                    libraryPermittedPath, mBaseClassLoader,
                    mApplicationInfo.classLoaderName, sharedLibraries, nativeSharedLibraries);
            mAppComponentFactory = createAppFactory(mApplicationInfo, mDefaultClassLoader);

        ...
        //把上面生成的mDefaultClassLoader赋值给mClassLoader
        if (mClassLoader == null) {
            mClassLoader = mAppComponentFactory.instantiateClassLoader(mDefaultClassLoader,
                    new ApplicationInfo(mApplicationInfo));
        }
    }

第二，去执行Application的的attachBaseContext方法。

第三，执行installProvider方法，加载App中的各个ContentProvider

第四，执行Application的onCreate()方法

1.3 Activity的首屏展示流程

8.AMS通知APP创建Application后，还会通知APP进程去启动activity。这时候ApplicationThread接收到之后，会通知ActivityThread完成Activity的启动流程。这个根据android版本不同有区别，android12之后传递的是ClientTransaction。该对象包含一系列事务，对应的会通知构建activity的各个流程。

9.ActivityThread中会分别执行handleLaunchActivity，handleStartActivity，handleResumeActivity等方法，对应的会执行Activity的onCreate,onStart,onResume方法。

10.在handleResumeActivity方法中，执行完resume方法后，判断如何未关联到window上，则会把DecorView加到到ViewManager上。

public void handleResumeActivity(ActivityClientRecord r, boolean finalStateRequest,
            boolean isForward, String reason) {
        ...
        if (!performResumeActivity(r, finalStateRequest, reason)) {
            return;
        }
        ...
        if (r.window == null && !a.mFinished && willBeVisible) {
            r.window = r.activity.getWindow();
            View decor = r.window.getDecorView();
            decor.setVisibility(View.INVISIBLE);
            ViewManager wm = a.getWindowManager();
            WindowManager.LayoutParams l = r.window.getAttributes();
            a.mDecor = decor;
            l.type = WindowManager.LayoutParams.TYPE_BASE_APPLICATION;
            l.softInputMode |= forwardBit;
            if (r.mPreserveWindow) {
                a.mWindowAdded = true;
                r.mPreserveWindow = false;
                // Normally the ViewRoot sets up callbacks with the Activity
                // in addView->ViewRootImpl#setView. If we are instead reusing
                // the decor view we have to notify the view root that the
                // callbacks may have changed.
                ViewRootImpl impl = decor.getViewRootImpl();
                if (impl != null) {
                    impl.notifyChildRebuilt();
                }
            }
            if (a.mVisibleFromClient) {
                if (!a.mWindowAdded) {
                    a.mWindowAdded = true;
                    wm.addView(decor, l);
                } else {
                    // The activity will get a callback for this {@link LayoutParams} change
                    // earlier. However, at that time the decor will not be set (this is set
                    // in this method), so no action will be taken. This call ensures the
                    // callback occurs with the decor set.
                    a.onWindowAttributesChanged(l);
                }
            }

            // If the window has already been added, but during resume
            // we started another activity, then don't yet make the
            // window visible.
        } else if (!willBeVisible) {
            if (localLOGV) Slog.v(TAG, "Launch " + r + " mStartedActivity set");
            r.hideForNow = true;
        }

        ...
    }

11.ViewManager的最终实现类是WindowManagerGlobal，在addView(DecorView)时，会创建ViewRootImpl负责后续绘制的完整流程。

12.添加完成后。ViewRootImpl会生成渲染任务TraversalRunnable，在收到垂直信号量之后执行。任务执行完成后，则首屏就显示在屏幕上了。

二.如何排查启动卡顿问题

2.1 使用SystemTrace的方式进行分析

2.1.1 如何得到冷启动总耗时的准确数据

首先的确保杀死应用，adb shell pkill beanlab （包名匹配到beanlab就杀掉）

然后使用 adb shell am start -W [包名]/[包名.Activity] 。

启动APP，查询App的启动时间

查询结果中，对应的时间参数详细解析如下：

ThisTime：对应activity启动耗时；

TotalTime：应用自身启动耗时 = ThisTime + 应用application等资源启动时间

WaitTime：系统启动应用耗时 = TotalTime + 系统资源启动时间

2.1.2 如何观察冷启动耗时的各个时间段的准确数据

通过抓取systrace可以从图上观察到 bindApplication ->activityStart->activityResume->Choreographer#doFrame

也可以添加自己的方法抓取，注意开始和结束必须成对出现

Trace.beginSection("你的方法");

Trace.endSection();

2.1.3 如何得到冷启动结束的回调

首先是display time：从Android KitKat版本开始，Logcat中会输出从程序

启动到某个Activity显示到画面上所花费的时间。这个方法比较适合测量程序的启动

时间。

筛选AcctivityManager: Displayed

ActivityManager: Displayed com.beantechs.beanlab/.ui.HomeActivity: +842ms 这个时间 和 adb启动分析的 TotalTime 一致

2.2 使用matrix框架

三.如何进行启动优化

第一章时，我们了解了一个APP启动的完整流程。对这个流程分析一下，我们可以住要分成以下三块：

1.从用户点击图标，到通知系统去创建APP进程。

2.APP进程创建后，通知AMS并且进行绑定并走Application的所有流程。

3.启动Activity的流程。

所以如何进行启动优化，也主要按照这三块分类去讲解。

3.1 优化APP进程创建之前的卡顿问题

这一块由于主要运行在系统层面，所以我们可优化的点不多。虽然我们不能彻底解决，但是还是可以一定程度上优化用户的体验。

3.1.1 通过预制图进行体验感觉上的优化。

第一章的时候我们讲过，AMS会根据传递过来的信息，会在启动APP进程之前，加载一张APP的背景图。所以我们可以通过提前加载预制图，让用户感官上知道我们APP已经启动。目前市场上大的APP都有设置预制图，比如支付宝的预制图就是以下这张：

配置方法如下：

在Manifest中，给Main的Activity设置theme即可。

android12及以上的版本，支持黑白屏动画形式的展示，具体的使用方式这里就不展开了，原理是一样的。

将现有的启动画面实现迁移到 Android 12 及更高版本 

3.2 优化应用初始化耗时问题

应用初始化的优化，主要其实就是就是对bindApplication这个方法的优化，通过打点日志分析，我们发现其实主要有以下几个耗时点，也是对应的我们的优化点。

3.2.1 优化APK加载

第一章时我们知道，加载DEX是在ContextImpl.createAppContext()的时候，自然也是启动主流程上。加载DEX的流程是从APK包中解压，然后ODEX优化，最后加载到内存当中。自然的，如果DEX越少，那么解压的就越少，ODEX优化的越少，速度也就越快。

所以我们优化的主要方法是拆分APP，也是通过组件化，插件化的方式去进行加载。

系统需要在启动的时候读取哪些内容呢？主要有两个部分，dex文件和资源文件。所以我们可以把一个很大的APK，按照业务拆分成多个小的APK。其中主APK中的Dex文件和资源弄的很小，其余业务APK放到asset文件夹中。等到APP启动后，再去解压加载业务APK。因为主APK很小，所以启动速度自然就会快得多。而等到应用启动后，再去通过懒加载的方式，逐渐加载其它模块的业务APK，因为在后台加载，所以也不会影响用户正常的操作，这就是我们组件化启动优化的方案。

结合实际项目，大多数APP其实都不大，所以并不太需要通过这种模块化的方案进行优化，所以就不详细讲如何优化了。有兴趣的可以看一下Shadow，RePlugin等框架。

3.2.2 ContentProvider优化

通过第一章的图3我们可以知道，在Application的启动流程中，会依次执行attachBaseContext，ContentProvider的onCreate，Application的onCreate方法。

所以ContentProvider的onCreate方法中，一定不能有耗时操作，否则会拖慢运行速度。

举例：

public class XXXProvider{
    ...
    @Override
    public boolean onCreate() {
        //context init
        ...
        //db init
        dbUtil = DatabaseUtil.getInstance();
        dbUtil.open();
        return true;
    }

    @Override
    public Cursor query(@NonNull Uri uri, @Nullable String[] projection, @Nullable                     String selection, @Nullable String[] selectionArgs, @Nullable String sortOrder) {
        return dbUtil.fetchAll();
    }

    ...
}

我们可以知道，加载数据库是耗时操作，则我们应该挪到其他步骤当中。

解决问题：

ContentProvider的onCreate()是启动流程当中的，所以我们可以把加载数据库的耗时操作放到query中，或者等到启动完成后延时加载。

public class XXXProvider{
    ...
    @Override
    public boolean onCreate() {
        return true;
    }

    @Override
    public Cursor query(@NonNull Uri uri, @Nullable String[] projection, @Nullable                     String selection, @Nullable String[] selectionArgs, @Nullable String sortOrder) {
        if(dbUtil==null){
            dbUtil = DatabaseUtil.getInstance();
            dbUtil.open();
        }
        return dbUtil.fetchAll();
    }

    ...
}

3.2.3 Application中onCreate优化

进行onCreate优化，核心是要梳理onCreate中我们到底做了什么。通过梳理可以发现，onCreate方法中，我们经常要初始化各种框架，比如Bugly.init()，LeakCanary.init()等等，这些框架虽然每个耗时并不多，但是因为是串行执行，累加起来，总耗时反而不少。

举例：

这里以某款APP为例，我们先查看其systrace文件（该文件在5.2当中）

其中bindApplication方法中有一部分如下图所示：

图中显示有加载多个不同SDK类的操作，而且是串行的结构，所以我们可以推断，应用在bindApplication的时候做了太多的初始化操作并且并行执行，导致耗时较多，而且bindApplication对应的是我们项目中Application的onCreate方法。

解决问题：

所以我们可以进行以下几点的优化：

1.部分任务不要主线程执行的，可以挪到子线程执行。

2.有些任务在子线程执行，但是依赖主线程某个任务执行完才可以。这种我们可以等到对应主线任务执行完再把任务加入到子线程池中。

当然，如果相互依赖的逻辑复杂，上面的方式就不太合适了，我们可以使用一个已经封装好的任务拓扑依赖框架来解决这问题：android-startup

使用简介：

首先build.gradle中添加依赖：

implementation 'io.github.idisfkj:android-startup:1.1.0'

创建待执行的启动任务类：

class SampleFirstStartup : AndroidStartup() {

     //是否主线程执行
    override fun callCreateOnMainThread(): Boolean = true

    //是否依赖主线程任务
    override fun waitOnMainThread(): Boolean = false

    //执行的初始化操作
    override fun create(context: Context): String? {
        // todo something
        return this.javaClass.simpleName
    }

    //依赖哪些其他任务
    override fun dependenciesByName(): List? {
        return null
    }

}

然后我们在启动的时候，把这些StartUp组装一下就可以了。

class SampleApplication : Application() {

    override fun onCreate() {
        super.onCreate()
        StartupManager.Builder()
            .addStartup(SampleFirstStartup())
            .addStartup(SampleSecondStartup())
            .addStartup(SampleThirdStartup())
            .addStartup(SampleFourthStartup())
            .build(this)
            .start()
            .await()
    }
}

或者在manifest中注册也可以

3.2.4 其它初始化时的耗时操作

1.SharedPreferences涉及到IO操作，所以如果SP存储数据较大的话，阻塞时间会较长

 SharedPreferences sp = getSharedPreferences("1", 0);
 sp.getString("1", "1");

3.3 解决Activity加载问题

3.3.1：主线程不执行耗时操作

通过第一章的流程讲解，我们可以知道在第一帧绘制之前，主线程会执行onCreate,onStart,onResume三个方法，所以这三个方法中，一定不能有耗时的方法。

如果一定需要主线程执行的，可以使用IdelHandler的方式解决（IdelHandler会在主线程不忙时执行）。

比如我们在加载数据的时候，就可以通过IdelHandler的方式来代替：

实例如下：

原代码：

@Override
protected void onResume() {
    super.onResume();
    ...
    loadData();
    ...
}

private void loadData() {
    ...
    组装请求..
    发送请求...
    解析数据...
}

改成：

@Override
protected void onResume() {
    super.onResume();
    ...
    MessageQueue.IdleHandler idleHandler = () -> {
        loadData();
        return false;
    };
    getMainLooper().getQueue().addIdleHandler(idleHandler);
   
    ...
}

private void loadData() {
    ...
    组装请求...
    发送请求...
    解析数据...
}

3.3.2：预加载页面

我们通过第二章的工具可以发现，Activity的几个生命周期中，onCreate方法一般是最为耗时的，而onCreate方法中，最为耗时的一般是setContentView(int)方法。

通过深入阅读源码可以可以发现，这其中最为耗时的部分就是把复杂的xml转化为ViewGroup对象。

这种问题，我们可以通过下面的方案来解决：

1. 使用AsyncLayoutInflater。

2.我可以做一个这样的操作，在Application的onCreate方法的任务中，添加一个这样的任务，子线程中把xml转化为ViewGroup。这样执行到Activity的onCreate方法中时，我们可以直接使用ViewGroup对象，从而节省了XML解析的时间。（如果布局文件中含有fragment不能采用此方案）

3.转Compose。Compose的话没有解析XML的时间，也不受到过多布局层级的影响。

3.3.3：局部加载优先显示框架或者占位图

还是通过第二章的工具，我们发现在项目中，measure/layout/draw也是很耗时的（其中一半measure是最耗时的）。这是因为我们布局太复杂了，导致界面渲染的时候需要反复计算，从而耗费时间。

所以针对这种情况，我们可以主要有4个方法来解决：

1.非主框架的部分使用ViewStub加载，等到主框架加载并显示出来后，再去加载内容的部分。我们经过测算，在第四帧之后，框架是可以完全显示出来的，所以在第四帧之后进行ViewStub内容的加载，是最为合适的。

2.降低布局层次嵌套和复杂度。复杂布局使用约束布局，尽量少使用weight属性等等。

3.解决过度绘制问题

4.优先加载占位图，等到内容显示好之后，在把占位图隐藏掉。

3.3.4：预加载数据

页面加载好了之后，自然就是请求网络加载数据了。

通过网络加载数据，大多数都是通过OKHttp进行请求。如果想更快的展示出来并且不在乎有效性，那么可以开启使用缓存，并且设置缓存有效时间。

但是这样也有个问题，如果设置了有效期，那么有效期内该请求全部都使用缓存。此时就无法获取最新的数据了，哪怕非首次请求也不行，因为服务并不会为你单独开辟一个新的接口。

我们可以实现这样的一个小需求：“首次请求使用缓存，非首次请求不使用缓存，并且还能把收到的响应更新到首次请求的缓存中”，这样就能比较好的解决上面所说的问题了。

具体例子可以参考我的另外一篇文章中的6.2。OKHttp原理讲解之责任链模式及扩展_失落夏天的博客-CSDN博客_android okhttp责任链

3.4 其它优化

除了针对我们自身代码的优化，还有什么别的优化空间吗？当然有

3.4.1 Baseline Profile

这是google2022年开发者大会新提出的方案。

其核心原理是安卓7.0以后Android支持JIT，AOT并存的混合编译模式。

两者各有优势，JIT即时编译，虽然运行速度慢，但不需要编译时间。而AOT需要编译，后续运行速度快。

一般情况下，首次启动的时候会使用JIT编译，因为AOT需要转换，会导致首次启动耗时。后续使用的时候，安卓系统会根据使用频率计算出那些高频使用的代码，转换为AOT的方式进行编译加载，保证后续这块代码的运行速度。

而Baseline Profile就是需要我们自己把这些高频使用代码，提前打包到APK中，这样首次启动的时候，安卓会通过AOT转换为ODEX代码，以后使用这些可执行文件，速度上就会更快。

3.4.2 Hardcoder

这是腾讯开源的一个框架，核心原理是在需要手机性能时，主动通知系统去提升CPU频率，从而提升手机性能。而不需要性能时，则通知系统降频，避免手机电量的浪费。

https://github.com/Tencent/Hardcoder

3.4.3 Embryo方案

这是一加手机的一个方案，简单解释下就是在后台预创建一个进程，提前加载好资源。这样等到这个APP真的启动的时候，就可以直接使用，而不是重新创建了。

这里其实我有一个更简单有效的方案，我们知道，APP冷启动的时候，是System_server通知Zygote去fork应用进程的，应用进程创建后，再回掉通知System_server进程。至少在这段时间内，是没有绑定任何应用层信息的，也就是下图红框中的部分。

 所以，就像APP中的预加载一样，我们为什么不能在系统层预加载一个APP进程呢？等到真的有APP应用创建需求的时候，直接去使用这个APP进程，而不是走创建流程创建一个。因为走的是socket通信，以及fork进程需要时间，所以整个流程有可能可以节省多达100ms的流程。这个方案还在调研探索中，目前理论上是可行的。

3.4.4 Redex方案

这个是facebook提出的一个方案，其实核心本质和proguard有一些类似，混淆字节码，让加载的DEX文件变的更小，则加载变得就更快。redex还有一个突出的亮点就是除了混淆之外，还能做一定的字节码层面的优化，比如A调用B，B调用C的场景，直接改成A调用C，这样减少了一层方法栈，执行速度肯定是更快的。

当然，这个的目标就不单纯的只是解决启动速度了，而是让APP运行的更快乐。

但是这个方法已经已经推出了很久了，到目前为止并不是很流行，其原因也是这样的操作容易引起各种各样的问题。

四.声明和备注

4.1 声明

文章中的原理和资料来自于网上搜索的资料，以及针对安卓源码的调试所得。基于的安卓版本是12。如有描述不准确的地方，或者好的建议，欢迎指出来。