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进阶篇｜大厂常用的启动优化有哪些？

鸿洋 · 公众号 · android · 2024-11-04 08:35

正文

本文作者：九心，原文发布于：九心说。

前言

之前有和各位同学分享过启动的两篇文章：

第一篇《Android启动这些事儿，你都拎得清吗？》从源码的角度分析了启动流程。

第二篇《进阶应用启动分析，这一篇就够了！》讲了如何使用工具测量启动流程。

今天我将结合自己的过往工作经验，分享一下常见的启动优化和一些黑科技的实操。

准备

在正式讲优化的方法之前，默认各位同学已经掌握了：

启动的源码分析。
启动时长的监控。

因为在实际的分析过程，一定是我们懂得了自己应用的启动阶段的各个耗时点，然后对这些流程分析，最终做出针对性的优化策略。

最简单来讲，我们自己的应用的启动时长怎么定义的，启动的开始点在哪里，结束点在哪里。举个例子，我们App之前定义的两个点：

开始点：拦截的 ActivityThread 里面的消息机制 Application 创建的点。
结束点：第一个 Activity 的 onWindowsFocusChanged 方法。

看一下 Android 官方的应用启动图：

Android启动时长

我们知道，onWindowsFocusChanged 回调发生在 Activity#onCreate 之后，又在第一帧vSync之前，也就是途中的的 Displayed Time 和 reportFullyDrawn 之间。所以对于我来说，就可以知道我们的应用的优化范围在 Application#onCreate 和闪屏页，后面就可以持续的对这一块儿做优化。

另外一个重点就是关于启动工具的选择。对于启动流程的分析，我强烈建议使用 Android Studio Profiler 工具，使用其中的 TraceSystemCall 功能，优点如下：

分析各种系统资源：CPU使用情况、显示（Vsync信号、卡顿市场）、一些核心函数的耗时。
函数插桩：对于想关注的其他方法耗时，可以通过函数插装来实现。

系统资源的分析：

可以看到，系统资源的展示是比较全面的。

常用优化

先聊聊常用的优化策略吧。

1、梳理冗余逻辑

梳理冗余逻辑这个词看着比较简单，实际做起来也是不难，主要是各种业务的权衡与取舍。

有如下两点。

1.1 去除历史包袱

做启动优化的第一步是梳理启动业务流程，如果我们开发的是一个中大型应用，那么其中的很多流程是把握不准的，因此我之前的策略是和同事在周会上review代码，将启动过程的业务一个个的过，标记下不用的业务，然后在后续开发中下线。

对于更大型的团队，如大众点评，遇到相关的不熟的业务，不仅要和团队内沟通，还需要和团队外的其他业务方进行沟通，了解相关的启动业务的使用情况。

1.2 了解业务使用时机

梳理完启动业务的流程以后，我们需要对启动的业务的使用有一定的了解。对于时间偏长的任务，我们去思考一下，这个任务真的有必要在启动中去使用吗？是否可以使用懒加载，这可能需要和相关的业务方进行Argue。

2、启动框架

我想各位同学一定知道，在启动过程中，如果遇到耗时任务，可以根据情况放到异步线程，但是异步线程也会有一些特殊情况：

时机保证：有一些重要的异步线程任务，如何保证在在启动结束后，能够及及时使用到对应的功能。
效率保证：如何保证异步线程的数量。
任务时机：有一些任务是有依赖关系的，如何保证任务的执行顺序。
...

这也是我们使用启动框架原因，利用多核的CPU + 多线程，高效率、并行、有序、按时执行启动任务。

如果要做好一个启动框架，有几个重要的点：

2.1 基础框架

我之前使用过的启动框架有：android-startup。

在这个框架中，启动任务分为三种：

主线程重要的任务：Application#onCreate结束前主线程执行完成
子线程重要任务：交给线程池执行，也会在Application#onCreate结束前执行完成
字线程不重要的任务：交给线程池后台执行

还有一些点处理的比较好：

任务排序：很好的处理了任务依赖关系，如果发生了循环依赖，可以在任务的拓扑排序阶段，就对外抛出异常
记录任务耗时：统计好各个任务的时长，记录下来，后期有需要，可以上传到埋点

然后，这个框架有一些点还需要改进：

主线程不重要任务：我们可能还有主线程不太重要的任务，这个时候可以交给idleHandler执行
更多的执行时机：这个启动框架主要针对的时机是Application#onCreate，我们可以有更多的时机，比如首页初始化、首页空闲时、次级页面打开时，通过划分更多的时机，可以缓解CPU、线程池和内存的压力，从而降低启动时长。

2.2 动态调整启动任务的执行顺序

通常启动框架去执行启动任务的时候，顺序都是确定的。有时，我们会对外进行广告投放，想给用户一个比较有吸引力的落地页，比如我在腾讯体育看到一个京东的目的商品的广告投放页，像这样：

广告投放

这个时候落地页可能是一个活动页，那这个活动页的技术栈和首页的技术栈大概率是不一样的，那么我们是否可以针对活动页的技术栈调整一下启动任务顺序，从而降低启动时长。

简单来说，这个步骤有如下几步：

加入标记：在对外投放的Deeplink中，加入相关的标记。
识别标记：在Android或者iOS启动过程中，可以通过Hook的方式或者其他方式，在启动的早期，拿到相关的参数。
改变任务执行优先级：可以在系统中静态注册相关标记下的另外一套任务执行级顺序，或者动态下发也可以。

核心的想法就是跟落地页相关的技术栈的任务时机往前挪，不相关的任务往后挪，从而保证启动时长的最低。

3、线程梳理

在启动过程中，如果线程资源不加以限制，线程数量可能就有几百个，这会有什么问题呢？

资源消耗过高：每个线程都需要一定的系统资源，包括内存、CPU时间等。
上下文切换开销：操作系统需要在多个线程之间进行上下文切换，以便让每个线程都有机会执行。频繁的上下文切换会带来额外的开销，影响应用程序的整体性能。

线程的数量可以在性能分析工具中查看。具体的治理策略有：

避免使用new Thread的方式创建线程。
对于一些可以替换线程池的第三方库，替换成内部使用的线程池。
将第三方SDK中开源库，在核心线程空闲的时候，也能够进行释放。

先讲一下第一点，如果项目团队不大，开发的人员都在一个项目中开发，那么我们使用全局搜索就可以定位new Thread的位置，但对于第三方库中的创建却无从定位。那如果是大的项目，每个团队都有自己的开发模块，这种怎么定位呢？

Booster有给我们具体的解决方案，在字节码Transform的时候，将线程的调用方，然后传递给线程，运行的时候给它打印出来。

再简单讲一下第三点吧，可以看Booster框架，它提供了一些思路，也是在Transform的时候，将第三方的线程池的allowCoreThreadTimeOut设置为true，让它可以在空闲的时候能够进行释放，除此以外，还可以：

线程池的corePoolSize设置为0。
为maxPoolSize设置上限。

4、闪屏页优化

根据我的经验，闪屏一般有两种：

有对应业务的闪屏：比如说可以自定义闪屏页、或者承接开屏广告的工作，如起点读书，B站。
纯闪屏：如大众点评，京东类。

4.1 纯闪屏页

对于纯闪屏的应用，给人的感觉就是启动速度非常快，因为启动第一个Activity可能就是我们的首页。

这里有一个优化措施就是利用StartWindow机制，简单介绍一下，在Android的启动过程中，在第一个Activity真正显示之前，系统会会提供一个页面来进行过渡，我们称之为StartWindow。StartWindow会在应用的第一个Activity绘制完成以后被移除。

默认情况下根据主题而定，白色或者黑色，我们也可以设置成自定义的颜色或者图片。

具体的优化策略：

启动的时候，为首个Activity提供一个带闪屏页的主题。
在进入Activity以后，在onCreate方法中设置透明主题。

通过在onCreate中设置透明主题，我们可以减少绘制一层背景，通常我们在首页中，也不需要带背景。

4.2 携带业务的闪屏页

对于承接业务的闪屏页，这类应用启动的第一个页面一般就不是首页，它就是一个单独的闪屏页Activity，里面会有一些广告处理的逻辑。

这里也有一些具体的优化措施，除了上述的StartWindow机制以外，还有：

将xml布局的方式改成动态的创建View。
预加载闪屏页的背景图片。

一般这类的闪屏页的元素也比较简单，将xml布局改成动态创建View，可以减少读取xml文件和反射创建View的时间，在中低端的效果还是比较明显的。

5、系统资源处理

系统资源指的是锁竞争、IO治理、CPU治理，通过监控这些数据，然后分析一下其中的不合理之处，这个其实是一个细活，需要通过Perfetto和Profiler工具查看。

6、Baseline Profile

早期的Android虚拟机采用的是Dalvik，为了提高Java执行的效率，在虚拟机中采用JIT(Just in time)技术，在运行的时候将高频的方法编译成机器码，但是JIT编译的机器码是存在内存中的，下次冷启动，这些数据会丢失，对于类似服务端长期运行的Java应用来讲，提效明显。对于Android应用来讲，应用可能需要经常重启，显然就不是那么友好了。

AOT(Ahead of time)是一种预编译机制，可以将Apk中的字节码编译成二进制的机器码，减少运行时间。Android 7.0以前，在安装的时候，会将全部的字节码编译成机器码，但这会有两个问题：

安装时间长。
安装包体积大。

Android 7.0以后支持JIT和AOT并存的编译模式，其中AOT中有两种编译策略值得关注：

quicken：应用安装时的编译模式，相对编译速度较快，占用空间合理。
speed-profile：系统后台触发的编译模式，按照用户的习惯进行特定的优化。

所谓的Baseline Profile，指的是提前扫描我们的热点代码，生成配置文件，然后在安装的时候，对这些热点代码做AOT，可以看一下谷歌官方给的流程图：

这个是借助Google Play实现的，所以针对国内的应用，可行吗？

根据网易云音乐得出来的结果，AOT其实有两种场景：

安装时AOT：在安装或者更新过程中，提前对这些热点代码aot，从而降低我们的启动时长，国内厂商对这一块儿支持的比较少，仅少数厂商支持。
还有一种场景就是启动后对Profile文件进行aot，流程如下图：

从网易云优化的结果来看，第一种方案提升明显，可以降低30%的启动时长（应该是安装或者更新后的首次启动时长），第二种仅有5%。

黑科技

我们再来聊聊黑科技，其中的一些策略需要投入比较长的时间，一个人还是比较难搞定的。

1、Apk资源重排

1.1 背景

Android底层运行着Linux系统，当App启动时，需要通过Linux系统从磁盘中加载很多文件到内存中，比如代码、资源文件（Manifest文件、布局、图片），把这些文件加载到内存中。

Linux加载文件有两种方式：

普通文件读取。
内存映射。

两种文件加载方式都会把文件内容加载到pagecache中，如果读取文件已经在pagecache中，就不会发生真正的磁盘IO，而是直接从pagecache中读取，这就大大提升读的速度。

流程如下：

1.2 内部优化策略

为了提升磁盘读取效率，Linux采取了预读机制。简单来说：

单个文件的第一次读取，系统读入所请求页面的后面几个页面作为缓存。
如果下次要读取的页面不在缓存中，则表明此次的文件访问不是顺序访问，系统会采用之前的同步预读方式。
如果读的页面命中，系统会把之前预读的页面扩大一倍，但是这个过程是异步的。

如果我们启动过程中，读取的apk文件按实际加载顺序排列，就能充分的利用Linux预读机制，减少启动过程中的磁盘IO，从而降低启动时间。

1.3 技术策略

那么我们能做的就是统计这些资源文件的命中率，代码文件其实受AOT影响，拿到启动资源文件的顺序以后，重新打包，中间涉及的流程还是挺复杂的。

可以参考：《支付宝 App 构建优化解析：通过安装包重排布优化 Android 端启动性能》

2、dex2aot触发

dex2aot指的就是我们在Baseline Profile方案中说的aot，aot的时机有很多种，常见的有：

安装或者更新的时候触发。
应用空闲的时候，处在后台触发aot。
系统空闲。

这些其实是系统帮我们触发的，并且也具有不确定性，我们是否可以让应用处在后台的时候主动触发这些流程吗？

答案是肯定的，查看源码的时候发现，aot的流程都是由PackageManagerService触发的，其中的函数pefromdexOpt可以通过一些手段被我们主动触发。

可以参考：《Android ART dex2oat 浅析》。

3、启动阶段抑制GC

在启动过程中，我们希望合理的使用CPU，避免启动过程中CPU被一些任务长时间的占用。下图是通过使用字节的Btrace结合Perfetto分析得出来启动流程中的HeapTaskDaemon执行情况：

我们可以发现了HeapTaskDaemon线程占用了比较高CPU时间片，这个线程实际上是虚拟机执行GC操作的。

简单介绍一下，HeapTaskDaemon是一个守护线程，随着Zygote线程一起启动，HeapTaskDaemon做的就是无限从执行GC的HeapTask集合里面取任务执行，对于需要延时的任务，会阻塞到目标执行。

那么我们可以通过获取系统的HeapTask，并让这个HeapTask休眠，同样能达到抑制HeapTaskDaemon线程执行的目的。这个过程比较复杂，可以参考：《速度优化：GC抑制》。

需要指出的是，在 Android 8.0 以后，在应用启动的时候，会默认执行TriggerPostForkCCGcTask，该任务可以将GC延后2秒执行，所以我们看到，上面的HeapTaskDaemon并不是一开始就执行的。所以我们需要分析一下，在启动还没完成的场景下，就GC的场景是不是很多。

4、保活

现在大部分包活策略，都不太行的通了，但是之前看过某个开源项目，安装以后，即使用户手动点击强行停止，该软件也能重新启动。

开源项目：AndroidKeepAlive：

https://github.com/fgkeepalive/AndroidKeepAlive

TechMerger里面的一篇文章也有介绍，原因如下：

地址：https://mp.weixin.qq.com/s/E038lXvQwMCn0Neeb4RV7Q

里面的作者反编译后得出的结论是，文中的流氓软件主要做了：

被杀后重启：通过高优先级的native进程进行监听。
通过各种手段提高进程优先级。

而其中提高进程的优先级有：

UI进程与Service进程分离。
使用MediaPlayer播放无声音乐。
使用AccountManager备份数据。
注册无障碍服务。
注册设备管理器。

可以看到，流氓软件还是做了很多东西，有兴趣的读者可以看一下原文。

总结

本文中涉及到的很多内容都没有深入讲解，只是提供了一个思路和一些策略，希望做一个抛砖引玉。如果你有更好的想法，欢迎评论区留言。

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