抖音 Android 性能优化系列：启动优化之理论和工具篇

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了抖音 Android 性能优化系列：启动优化之理论和工具篇相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Rhea指占用 CPU 进行计算所花费的时间绝对值，中断、挂起、休眠等行为是不会增加 CPU Time 的，所以因 CPU Time 开销占比高导致的不合理耗时点往往是逻辑本身复杂冗长需要消耗较多 cpu 时间片才能处理完。比较常见的高 CPU 占用是循环，比如抖音启动时遇到过一个 so 加载耗时，最后定位原因是在解压 so 的时候，遍历 ZipEntry 的次数过多导致，一个可行的优化策略就是可以把 so 所在的 ZipEntry 提前，遍历完 so 的 ZipEntry 之后可以提前中止遍历，而不需要遍历剩下的无效 ZipEntry。除循环之外，反射也是导致 CPU Time 的重要原因，像在序列化/反序列化、View Inflate 时，都有大量的反射操作，反射的耗时主要是字符串去查找 Method 或者 Field，这个优化策略也可以考虑提前查找 Method 和 Field 缓存起来，或者是通过内联来降低 Field 数量等。另外一个常见的 CPU 耗时是类加载，类的加载过程包括：Load，从 Dex 文件里读取类的信息，可通过类重排优化；Verify，验证指令是否合法等，通过关掉 Class Verify 可以优化该过程，同时高版本的 vdex 也是为了优化 verify 过程而设计，在 dex2oat 的时候做 verify，verify 之后的结果保存成 vdex，后续只需要加载 vdex；Link，给 Field、Method 分配内存，按照名字排序以方便后续反射的时候查找 Field、Method 等，这个过程的优化，art 虚拟机采用了 ImageSpace 的方案进行了优化，将 Link 后的内存保存为 image 文件，后续可以直接 load 这个 image 文件，省去了 Link 过程；Init，类的初始化。

  • CPU Schedule 在分析时主要针对主线程，是指主线程处于可执行状态但获取不到 cpu 时间片，这类耗时可能和线程调度等有关，最终导致分配给主线程的 cpu 时间片不足以及时处理完其内任务。由于主线程的线程优先级比其他线程的优先级要高很多，通常影响并不大，事实上抖音做了线上用户的启动耗时统计，这部分的耗时占比也是不大的。不过有一个场景需要关注，就是渲染，渲染是需要 RenderThread 提交 GPU 的渲染命令，而 RenderThread 并没有主线程那么高的优先级，因此比较容易受 CPU 的负载的影响，导致渲染耗时，这个对于启动来说影响并不算大，启动只有一次首页的渲染，占整体时间的比例不算大，但对于流畅度的影响就会比较大。这类耗时的优化主要还是从降低 CPU 的负载的角度考虑，比如业务降级、业务打散等手段。抖音还通过对 RenderThread 优先级的提升优化，拿到了不错的收益。
  • IO Wait 指发生了 IO 操作需要等待 IO 返回结果，这类耗时可能发生在读取资源和文件，类加载，甚至在内存不足时的 PageFault 都会导致 IO Wait。Resources 的相关的操作耗时，主要是需要从 apk 里读取资源文件，优化策略可以有预加载、资源重排、资源异步加载等。类加载的 IO Wait 和 Resources 类似，也可以通过类的重排、预加载等优化方案。文件读写导致的 IO Wait 又分为业务文件和系统文件，业务文件指业务逻辑的读写文件，一般都可以通过异步来解决，而系统文件的例子是 dex 的读写，抖音的 IO Wait 很大一块是它贡献的，目前的思路还是做 dex 的重排和 IO 的预读来尝试优化。
  • Lock Wait 也是主要针对主线程，指其处于等锁状态，等待被其他线程唤醒或自己超时唤醒，导致这类耗时的问题种类多样，大体也是可以分为业务锁和系统锁，业务锁主要是被主线程等待的业务逻辑未能及时处理完，优化思路一般是移除主线程的锁等待逻辑或者加快被等待的业务逻辑的执行速度。系统锁主要有：String InternTable Lock，ClassLinker Lock，GC Wait Lock 等，目前抖音正在尝试优化这几类的锁耗时。
  • IPC 指进程间通信，操作系统大都含有相应的机制，android 中所特有的 IPC 机制是 Binder，由于进行 IPC 调用往往需要等待通信结果本质上这也算是一种 Lock Wait，但 Android 特有 Binder 机制所以单独列出，这类耗时可采用减少或替代 Binder 调用等手段来优化。

    • 综合前述的五大耗时成因，这里举一个分析启动阶段 UI 耗时成因的例子作为实践参考，根据 UI 界面的生命周期（一般划分）——UI 构建、数据绑定、View 显示三个阶段分别进行分析：

  • 在UI 构建阶段中首先要对界面布局的 xml 文件进行解析，这会导致 IO Wait 耗时，在接下来要解析 xml 文件中的 TagName 从而获取对应 View 的 class 会用到反射、创建各子 View 实例并生成 View 树又会用到循环递归，两部分都会增加 CPU Time 的开销。
  • 然后是数据绑定阶段，该阶段主要分两部分，一部分是对数据做请求、解析、适配，另一是部分是将适配好的数据填充进 UI 中，前一部分往往会涉及到 Json 解析成 Data Class 实例，这里就可能涉及反射、循环遍历嵌套的数据类结构等增加 CPU Time 的操作。
  • 最后是View 显示阶段，常见的 measure、layout、draw 三大渲染 View 的步骤就在其中，它们同样会产生递归遍历父子 View 的耗时，此外这里还涉及将应用层计算好的渲染 View 的数据传递给系统层做最终的像素点排布，那么必然又会产生 IPC 耗时。

    • 从这个例子可见即使再复杂的场景只要我们进行细粒度的分析，都能将耗时点归入前述某一成因中。

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    抖音 Android 性能优化系列：启动优化实践

    组件，其初始化就是借助了一个叫 ProcessLifecycleOwnerInitializer 的 ContentProvider 进行初始化的。

    LifeCycle 的初始化只是进行了 Activity 的 LifecycleCallbacks 的注册耗时不多，我们在逻辑层面上不需要做太多的优化。值得注意的是，如果这类用于进行初始化的 ContentProvider 非常多，ContentProvider 本身的创建、生命周期执行等堆积起来也会非常耗时。针对这个问题，我们可以通过 JetPack 提供的 Startup 将多个初始化的 ContentProvider 聚合成一个来进行优化。

    除了这类耗时很少的 ContentProvider，在实际优化过程中我们也发现了一些耗时较长的 ContentProvider，这里大致介绍一下我们的优化思路。

    方法，我们的耗时则是集中在这个 getPathStrategy 方法中。
    从实现来看， getPathStrategy 方法主要是进行 FileProvider 关联 xml 文件的解析，解析结果将会赋值给 mStrategy 变量。进一步分析我们会发现 mStrategy 会在 FileProvider 的 query、getType、openFile 等接口进行文件路径校验时用到，而我们的 query、getType、openFile 等接口在启动阶段是不会被调用到的，因此 FileProvider attachInfo 方法中的 getPathStrategy 是完全没有必要的，我们完全可以在 query、getType、openFile 等接口被调用到的时候再去执行 getPathStrategy 逻辑。
    优化方案
    FileProvider 是 androidx 中的代码，我们无法直接修改，但是它会参与我们的代码编译，我们可以在编译阶段通过修改字节码的方式去修改它的实现，具体的实现方案为：
    1. 对 ContentProvider 的 attachInfo 方法进行插桩，在执行原有实现前将参数 ProviderInfo 的 grantUriPermissions 设置为 false，然后调用原实现并进行异常捕获，在调用完成后再对 ProviderInfo 的 grantUriPermissions 设置回 true，利用 grantUriPermissions 的检查绕过 getPathStrategy 的执行。（这里之所以没有使用 ProviderInfo 的 exported 异常检测绕过 getPathStrategy 调用是因为在 attachInfo 的 super 方法中会对 ProviderInfo 的 exported 属性进行缓存）
    的 flag，以实现类似于 singletask 的 clear top 的特性。
    使用 FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK + FLAG_ACTIVITY_CLEAR_TOP 的方案，我们基本能够解决内部启动 MainActivity 多实例的问题，但是实际测试过程中，我们发现在部分系统上，即使实现了 clear top 的特性，依然存在多实例的问题。
    经过分析，我们发现在这部分系统上，即使通过 activity-alias+targetActivity 方式将 SplashActivity 指向了 MainActivity，但是在 AMS 侧它仍然认为启动的是 SplashActivity，后续再启动 MainActivity 时会认为之前是不存在 MainActivity 的，因此会再次启动一个 MainActivity。
    针对这个问题我们的解决方案是，修改启动 MainActivity Intent 的 Component 信息，将其改从 MainActivity 改为 SplashActivity，这样我们就彻底解决了内部启动 MainActivity 导致的多实例的问题。
    为了尽可能少的侵入业务，同时也防止后续迭代再出现内部启动导致 MainActivity 问题，我们对 Context startActivity 的调用进行了插桩。对于启动 MainActivity 的调用，在完成向 Intent 中添加 flag 和替换 Component 信息后再调用原有实现。之所以选择插桩方式实现，是因为抖音的代码结构比较复杂，存在多个基类 Activity，且部分基类 Activity 无法直接修改到代码。对于没有这方面问题的业务，可以通过重写基类 Activtity 及 Application 的 startActivity 方法的方式实现。
    2、外部启动多实例问题
    以上解决 MainActivity 多实例的方案，是建立在启动 Activity 之前去修改待启动 Activity 的 Intent 的方式实现的，这种方式对于应用外部启动 MainActivity 导致的 MainActivity 多实例的问题显然是无法解决的。那么针对外部启动 MainActivity 导致的多实例问题，我们是否有其他解决方案呢？
    我们先回到解决 MainActivity 多实例问题的出发点。之所以要避免 MainActivity 多实例，是为了防止同时出现多个 MainActivity 对象，出现不符合预期的 MainActivity 生命周期的执行。因此只要确保不会同时出现多个 MainActivity 对象，一样可以解决 MainActivity 多实例问题。
    要避免同时出现多个 MainActivity 对象，我们首先需要知道当前是否已经存在 MainActivity 对象，解决这个问题的思路比较简单，我们可以去监听 Activity 的生命周期，在 MainActivity 的 onCreate 和 onDestroy 中分别去增加减少 MainActivity 的实例数。如果 MainActivity 实例数为 0 则认为当前不存在 MainActivity 对象。
    解决了 MainActivity 对象数统计的问题，接下来我们就需要让 MainActivity 同时存在的对象数永远保持在 1 个以下。要解决这个问题我们需要回顾一下 Activity 的启动流程，启动一个 Activity 首先会经过 AMS，AMS 会再调用到 Activity 所在的进程，在 Activity 所在的进程会经过主线程的 Handler post 到主线程，然后通过 Instrumentation 去创建 Activity 对象，以及执行后续的生命周期。对于外部启动 MainActivity ，我们能够控制的是从 AMS 回到进程之后的部分，这里可以选择以 Instrumentation 的 newActivity 作为入口。
    具体来说我们的优化方案如下：
    1. 继承 Instrumentation 实现一个自定义的 Instrumentaion 类，以代理转发方式重写里面的所有方法；
    2. 反射获取 ActivityThread 中 Instrumentaion 对象，并以其为参数创建一个自定义的 Instrumentaion 对象，通过反射方式用自定义的 Instrumentaion 对象替换 ActivityThread 原有的 Instrumentaion；
    3. 在自定义 Instrumentaion 类的 newActivity 方法中，进行判断当前待创建的 Activity 是否为 MainActivity，如果不是 MainActivity 或者当前不存在 MainActivity 对象，则调用原有实现，否则替换其 className 参数将其指向一个空的 Activity，以创建一个空的 Activity；
    4. 在这个空的 Activity 的 onCreate 中 finish 掉自己，同时通过一个添加了 FLAG_ACTIVITY_NEW_TASK 和 FLAG_ACTIVITY_CLEAR_TOP flag 的 Intent 去启动一下 SplashActivity。
    需要注意的是我们这里 hook Instrumentaion 的实现方案，在高版本的 Android 系统上我们也可以以 AppComponentFactory instantiateActivity 的方式替换。
    的实现。
    原始的 ReflectiveTypeAdapterFactory 在进行实际数据解析之前，会首先去反射 Class 的所有字段信息，再进行解析，而在实际解析过程中并不是所有的字段都是会使用到的，以下面的 Person 类为例，在进行 Person 解析之前，会对 Person、Hometown、Job 这三个类都进行解析，但是实际输入可能只是简单的 name，这种情况下对于 Hometown、Job 的解析就是完全没有必要的，如果 Hometown、Job 类的实现比较复杂，这将导致较多不必要的时间开销。
    问题。
    LayoutInflater 对 View LayoutParam 处理主要依赖于 root 参数，对于 root 不为 null 的情况，在 inflate 的时候将会为 View 构造一个 root 关联类型的 LayoutParams，并且为其设置 LayoutParams，但是我们在进行异步 Inflate 的时候是拿不到根布局的，如果传入的 root 为 null，那么被 Inflate 的 View 的 LayoutParams 将会为 null，在这个 View 被添加到父布局时会采用默认值，这会导致被 Inflate view 的属性丢失，解决这个问题的办法就是在进行预加载时候 new 一个相应类型的 root，以实现对待 inflate view 属性的正确解析。
    public View inflate(XmlPullParser parser, @Nullable ViewGroup root, boolean attachToRoot) 
        // 省略其他逻辑
        if (root != null) 
            // Create layout params that match root, if supplied
            params = root.generateLayoutParams(attrs);
            if (!attachToRoot) 
                // Set the layout params for temp if we are not
                // attaching. (If we are, we use addView, below)
                root.setLayoutParams(params);
            
        


    public void addView(View child, int index) 
        LayoutParams params = child.getLayoutParams();
        if (params == null) 
            params = generateDefaultLayoutParams();
            if (params == null) 
                throw new IllegalArgumentException("generateDefaultLayoutParams() cannot return null");
            
        
        addView(child, index, params);

    其他问题
    除了上面提到的多线程锁的问题和 LayoutParams 的问题，在进行预加载过程中还遇到了一些其他的问题，这些问题具体如下：
    1. inflate 线程优先级的问题：一般情况下后台线程的优先级会比较低，在进行异步 inflate 时可能会因为 inflate 线程优先级过低导致来不及预加载甚至比不进行预加载更耗时的情况，在这种情况下建议适当提升异步 inflate 线程的优先级。
    2. 对 Handler 问题：存在一些自定义 View 在创建的时候会去创建 handler，这种情况下我们需要去修改创建 Handler 的代码，为其指定主线程的 Looper。
    3. 对线程有要求：典型的就是自定义 View 里使用了动画，动画在 start 时会校验是否是 UI 线程主线程，这种情况我们需要去修改业务代码，将相关逻辑移动到后续真正添加到 View tree 时。
    4. 需要使用 Activity context 的场景：一种解决办法就是在 Activity 启动之后再进行异步预加载，这种方式无需专门处理 View 的 context 问题，但是预加载的并发空间可能会被压缩；另一种方式就是在 Application 阶段利用 Applicaiton 的 context 进行预加载，但是在 add 到 view tree 之前将预加载 View 的 context 替换为 Activity 的 context，以满足 Dialog 显示、LiveData 使用等场景对 Activity context 的需求。
    1.6 主线程耗时消息优化
    以上我们基本介绍了主线程各大生命周期的相关优化，在抖音的实际优化过程中我们发现一些被 post 在这些生命周期之间的主线程耗时消息也会对启动速度造成影响。比如 Application 和 Activity 之间、Activity 和 UI 渲染之间。这些主线程消息会导致我们后续的生命周期被延后执行，影响启动速度，我们需要对它们进行优化。
    1.6.1 主线程消息调度
    对于自己工程中的代码，我们可以比较方便的优化；但是有些是第三方 SDK 内部的逻辑，我们比较难以进行优化；即使是方便优化掉的消息后期的防止劣化成本也非常高。我们尝试从另外一个角度解决这个问题，在优化部分往主线程 post 消息的同时，对主线程消息队列进行调整，让启动相关的消息优先执行。
    我们的核心原理是根据 App 启动流程确定核心启动路径，利用消息队列调整来保证冷启动场景涉及相关消息优先调度，进而提高启动速度，具体来说包括如下：
    1. 创建自定义的 Printer 通过 Looper 的 setMessageLogging 接口替换原有的 Printer，并对原始的 Printer 进行转发；
    2. 在 Application 的 onCreate、MainActivity 的 onResume 中更新下一个待调度的消息，Application 的 onCreate 之后预期的目标消息是 Launch Activity，MainActivity 的 onResume 之后的预期消息则是渲染相关的 doFrame 消息。为了缩小影响范围，在启动完成或者执行了非正常路径后则会对 disable 掉消息调度；
    3. 消息调度的具体执行则是在自定义 Printer 的 println 方法中进行的，在 println 方法中遍历主线程消息队列，根据 message.what 和 message.getTarget()判断在消息队列中是否存在目标消息，如果存在则将其移动到头部优先执行；
    1.6.2 主线程耗时消息优化
    通过主线程消息调度，我们可以在一定程度上解决主线程消息对启动速度的影响，但是其也存在一定的局限性：
    1. 只能调整已经在消息队列中的消息，比如在 MainActivity onResme 之后存在一个耗时的主线程消息，而此时 doFrame 的消息还没有进入主线程的消息队列，那我们则需要执行完我们的耗时消息才能执行 doFrame 消息，其仍然会对启动速度有所影响；
    2. 治标不治本，虽然我们将主线程耗时消息从启动阶段移走，但是在启动后仍然会有卡顿存在。
    基于这两个原因我们需要对启动阶段主线程的耗时消息进行优化。
    一般来说主线程耗时消息大部分是业务强相关的，可以直接通过 trace 工具输出的主线程的堆栈发现问题逻辑并进行针对性的优化，这里主要介绍一个其他产品也可能会遇到的 case 的优化——WebView 初始化造成的主线程耗时。
    在我们的优化过程中发现一个主线程较大的耗时，其调用堆栈第一层为 WebViewChromiumAwInit.startChromiumLocked，是系统 Webview 中的代码，通过分析 WebView 代码发现其是在 WebViewChromiumAwInit 的 ensureChromiumStartedLocked 中 post 到主线程的，在每个进程周期首次使用 Webview 都会执行一次，无论是在主线程还是子线程调用最终都会被 post 到主线程造成耗时，因此我们无法通过修改调用线程解决主线程卡顿的问题；同时由于是系统代码我们也无法通过修改代码实现的方式去进行解决，因此我们只能从业务层从使用的角度尝试是否可以进行优化。
    void ensureChromiumStartedLocked(boolean onMainThread) 
           //省略其他逻辑
            // We must post to the UI thread to cover the case that the user has invoked Chromium
            // startup by using the (thread-safe) CookieManager rather than creating a WebView.
            PostTask.postTask(UiThreadTaskTraits.DEFAULT, new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    synchronized (mLock) 
                        startChromiumLocked();
                    
                
            );
            while (!mStarted) 
                try 
                    // Important: wait() releases |mLock| the UI thread can take it :-)
                    mLock.wait();
                 catch (InterruptedException e) 
                
            
        
    问题定位
    从业务角度优化我们首先需要找到业务的使用点，虽然我们通过分析代码定位到耗时消息是 Webview 相关的，但是我们仍然无法定位到最终的调用点。要定位最终的调用点，我们需要对WebView 相关调用流程有所了解。系统的 WebView 是一个独立的 App，其他应用对于 Webview 的使用都需要经过一个叫 WebViewFactory 的 framework 类，在这个类中首先会通过 Webview 的包名获取到 Webview 应用的 Context，然后通过获取到的 Context 获得 Webview 应用的 Classloader，最后通过 ClassLoader 去加载 Webview 的相关 so，反射加载 Webview 中的 WebViewFactoryProvider 的实现类并进行实例化，后续对于 WebiView 的相关调用都是通过 WebViewFactoryProvider 接口进行的。
    通过后续分析发现对于 WebViewFactoryProvider 接口的 getStatics、 getGeolocationPermission、createWebView 等多个方法的首次调用都会触发 WebViewChromiumAwInit 的 ensureChromiumStartedLocked 往主线程 post 一个耗时消息，因此我们的问题就变成了对于WebViewFactoryProvider 相关方法的调用定位。
    一种定位办法就是通过插桩的方式实现，由于 WebViewFactoryProvider 并不是应用能够直接访问到的类，因此我们对于 WebViewFactoryProvider 的调用必然是通过调用 framework 其他代码实现的，这种情况下我们需要去分析 framework 中所有对于 WebViewFactoryProvider 的调用点，然后把应用中所有对于这些调用点的调用都进行插桩，进行日志输出以进行定位。很显然这种方式成本是比较高的，比较容易出现漏掉的情况。
    事实上对于 WebViewFactoryProvider 的情况我们可以采用一个更便捷的方式。在前面的分析中我们知道 WebViewFactoryProvider 是一个接口，我们是通过反射的方式获得其在 Webview 应用中实现的方式获得的，因此我们完全可以通过动态代理方式生成一个 WebViewFactoryProvider 对象，去替换 WebViewFactory 中的 WebViewFactoryProvider，在生成的 WebViewFactoryProvider 类的 invoke 方法中通过方法名过滤，对于我们的白名单方法输出其调用栈。通过这样的方式我们最终定位到触发主线程耗时逻辑的是我们的 WebView UA 的获取。
    解决方案
    确认到我们的耗时是由获取 WebView UA 引起的，我们可以采用本地缓存的方式解决：考虑到 WebView UA 记录的是 Webview 的版本等信息，其在绝大部分情况下是不会发生变化的，因此我们完全可以把 Webview UA 缓存在本地，后续直接从本地进行读取，并且在每次应用切到后台时，去获取一次 WebView UA 更新到本地缓存，以避免造成使用过程中的卡顿。
    缓存的方案在 Webview 升级等造成 Webview UA 发生变化的情况下可能会出现更新不及时的情况，如果对 WebView 的实时性要求非常高，我们也可以通过调用子进程 ContentProvider 的方式在子进程去获取 WebView UA，这样虽然会影响到子进程的的主线程但是不会影响到我们的前台进程。当然这种方式由于需要启动一个子进程同时需要走完整的 Webview UA 读取，相对本地缓存的方式在读取速度方面是有明显的劣势的，对于一些对读取速度有要求的场景是不太适合的，我们可以根据实际需要采用相应的方案。
    2. 后台任务优化
    前面的案例基本都是主线程相关耗时的优化，事实上除了主线程直接的耗时，后台任务的耗时也是会影响到我们的启动速度的，因为它们会抢占我们前台任务的 cpu、io 等资源，导致前台任务的执行时间变长，因此我们在优化前台耗时的同时也需要优化我们的后台任务。一般来说后台任务的优化与具体的业务有很强的关联性，不过我们也可以整理出来一些共性的优化原则：
    1. 减少后台线程不必要的任务的执行，特别是一些重 CPU、IO 的任务；
    2. 对启动阶段线程数进行收敛，防止过多的并发任务抢占主线程资源，同时也可以避免频繁的线程间调度降低并发效率。
    除了这些通用的原则，这里也介绍两个抖音中比较典型的后台任务优化的案例。
    2.1 进程启动优化
    我们优化过程中除了需要关注当前进程后台线程的运行情况，也需要关注后台进程的运行情况。目前绝大部分应用都会有 push 功能，为了减少后台耗电、避免因为占用过多内存导致进程被杀，一般情况下会把 push 相关功能放在独立的进程。如果在启动阶段去启动 push 进程，其也会对我们的启动速度造成比较大的影响，我们尽量对 push 进程的启动去进行适当延迟，避免在启动阶段启动。
    在线下情况下我们可以通过对 logcat 中“Start proc”等关键字进行过滤，去发现是否存在启动阶段启动子进程的情况，以及获得触发子进程启动的组件信息。对于一些复杂的工程或者是三方 sdk，我们即使知道了启动进程的组件，也比较难定位到具体的启动逻辑，我们可以通过对 startService、bindService 等启动Service、Recevier、ContentProvider组件调用进行插桩，输入调用堆栈的方式，结合“Start proc”中组件的去精准定位我们的触发点。除了在 manifest 中生命的进程可能还存在一些 fork 出 native 进程的情况，这种进程我们可以通过adb shell ps的方式去进行发现。
    2.2 GC 抑制
    后台任务影响启动速度中还有还有另一个比较典型的 case 就是 GC，触发 GC 后可能会抢占我们的 cpu 资源甚至导致我们的线程被挂起，如果启动过程中存在大量的 GC，那么我们的启动速度将会受到比较大的影响。
    解决这个问题的一个方法就是减少我们启动阶段代码的执行，减少内存资源的申请与占用，这个方案需要我们去改造我们的代码实现，是解决 gc 影响启动速度的最根本办法。同时我们也可以通过 GC 抑制的通用办法去减少 GC 对启动速度的影响，具体来说就是在启动阶段去抑制部分类型的 GC，以达到减少 GC 的目的。
    近期公司的 Client Infrastructure-App Health 团队调研出了 ART 虚拟机上的 GC 抑制方案，在公司的部分产品上尝试对应用的启动速度有不错的优化效果，详细的技术细节在后续打磨完成后将会在“字节跳动终端技术”公众号分享出来。
    3. 全局优化
    前面介绍的案例基本都是针对某个阶段一些比较耗时点的优化，实际上我们还存在一些单次耗时不那么明显，但是频率很高可能会影响到全局的点，比如我们业务中的高频函数、比如我们的类加载、方法执行效率等，这里我们将对抖音在这些方面的优化尝试做一些介绍。
    3.1 类加载优化
    3.1.1 ClassLoader 优化
    首先我们来看一下抖音在类加载方面的一个优化案例。谈到类加载我们就离不开类加载的双亲委派机制，我们简单回顾一下这种机制下的类加载过程：
    1. 首先从已加载类中查找，如果能够找到则直接返回，找不到则调用 parent classloader 的 loadClass 进行查找；
    2. 如果 parent clasloader 能找到相关类则直接返回，否则调用 findClass 去进行类加载；
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException

            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) 
                try 
                    if (parent != null) 
                        c = parent.loadClass(name, false);
                     else 
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    
                 catch (ClassNotFoundException e) 
                

                if (c == null) 
                    c = findClass(name);
                
            
            return c;

    Android 中的 ClassLoader
    双亲委派机制中很重要的一个点就是 ClassLoader 的父子关系，我们再来看一下 Android 中 ClassLoader 情况。一般情况下 Android 中有两个 ClassLoader，分别是 BootClassLoader 和 PathClassLoader，BootClassLoaderart 负责加载 android sdk 的类，像我们的 Activity、TextView 等都由 BootClassLoader 加载。PathClassLoader 则负责加载 App 中的类，比如我们的自定义的 Activity、support 包中的 FragmentActivity 这些会被打进 app 中的类则由 PathClassLoader 进行加载。BootClassLoader 是 PathClassLoader 的 parent。
    ART 虚拟机对类加载的优化
    ART 虚拟机在类加载方面仍然遵循双亲委派的原则，不过在实现上做了一定的优化。一般情况下它的大致流程如下：
    1. 首先调用 PathClassLoader 的 findLoadedClass 方法去查找已加载的类中查找，这个方法将会通过 jni 调用到 ClassLinker 的 LookupClass 方法，如果能够找到则直接返回；
    2. 在已加载类中找不到的情况下，不会立刻返回到 java 层，其会在 native 层去调用 ClassLinker 的 FindClassInBaseDexClasLoader 进行类查找；
    3. 在 FindClassInBaseDexClasLoader 中，首先会去判断当前 ClassLoader 是否为 BootClassLoader，如果为 BootClasLoader 则尝试从当前 ClassLoader 的已加载类中查找，如果能够找到则直接返回，如果找不到则尝试使用当前 ClassLodaer 进行加载，无论能否加载到都返回；
    4. 如果当前 ClassLoader 不是 BootClassLoader，则会判断是否为 PathClasLoader，如果不是 PathClassLoader 则直接返回；
    5. 如果当前 ClassLoader 为 PathClassLoader，则会去判断当前 PathClassLoader 是否存在 parent，如果存在 parent 则将 parent 传入递归调用 FindClassInBaseDexClasLoader 方法，如果能够找到则直接返回；如果找不到或者当前 PathClassLoader 没有 parent 则直接在 native 层通过 DexFile 直接进行类加载。
    可以看到当 PathClassLoader 到 BootClassLoader 的 ClassLoadeer 链路上只有 PathClassLoader 时，java 层的 findLoadedClass 方法调用后，并不止如其字面含义的去已加载的类中查找，其还会在 native 层直接通过 DexFile 去加载类，这种方式相对于回到 java 层调用 findClass 再调回 native 层通过 DexFile 加载可以减少一次不必要的 jni 调用，在运行效率上是更高的，这是 art 虚拟机对类加载效率的一个优化。
    抖音中 ClassLoader 模型
    在前面我们介绍了 Android 中的类加载相关机制，那么我们究竟在类加载方面做了哪些优化，要解答这个问题我们需要了解一下抖音中的ClassLoader 模型。在抖音中为了减少包体积，一些非核心功能我们通过插件化的方式进行了动态下发。在接入插件化框架后抖音中的 ClassLoader 模型如下：
    1. 除了原有的 BootClassLoader 和 PathClassLoader 另外引入了 DelegateClassLoader 和 PluginClasLoader；
    2. DelegateClassloader 全局 1 个，它是 PathClassLoader 的 parent，它的 parent 为 BootClassLoader；
    3. PluginClassLoader 每个插件一个，它的 parent 为 BootClassLoader；
    4. DelegateClassLoader 会持有 PluginClassLoader 的引用，PluginClassLoader 则会持有 PathClasloader 的引用；
    这种 ClassLoader 模型有一个非常明显的优点，那就是它能够非常方便的同时支持类的隔离、复用以及插件化与组件化的切换；
    1. 类的隔离：如果在宿主和多个插件中存在同名类，在宿主中使用某个类则会首先从宿主 apk 加载，在插件中使用某个类，则会优先从当前插件的 apk 中加载，这种加载机制单 ClassLoader 模型的插件框架是无法支持的；
    2. 类的复用：在宿主中使用某个插件中特有的类时，我们可以在 DelegateClassLoader 中检测到类加载失败，进而使用 PluginClassLoader 去插件中加载，实现宿主复用插件中的类；在插件中使用某个宿主特有的类时，可以在 PluginClassLoader 中检测到类加载失败，进而使用 PathClassLoader 去进行加载，实现插件复用宿主中的类，这种复用机制其他多 ClassLoader 模型的插件框是无法支持的；
    3. 插件化与组件化自由切换：这种 ClassLoader 模型下，我们加载宿主/插件中的类时无需任何显示的 ClassLoader 的指定，我们可以很方便的在直接依赖的组件化方式以及 compileonly+插件化的方式之间切换；
    ART 类加载优化机制被破坏
    上面介绍了抖音的 ClassLoader 模型的优点，但是其也有一个比较隐蔽的不足，那就是它会破坏 ART 虚拟机对类加载的优化机制。
    通过前面的介绍我们了解，当 PathClassLoader 到 BootClassLoader 的 ClassLoader 链路上只有 PathClassLoader 时，则可以在 native 层进行类的加载，以减少一次 jni 的调用。在抖音的 ClassLoader 模型中，PathClassLoader 与 BootClassLoader 之间存在一个 DelegateClassLoader，它的存在会导致“PathClassloader 到 BootClassLoader 的 ClassLoader 链路上只有 PathClassLoader”这一条件被破坏，这导致我们 app 中所有类的首次加载都需要多一次 jni 的调用。一般情况下多一次 jni 的调用不会带来多少消耗，但是对于启动阶段大量类加载的场景，这个影响也是比较大的，会对我们的启动速度造成一定的影响。
    非侵入式优化方案：延迟注入
    了解插件化对类加载造成负向的原因，优化思路也就比较清晰了——将 DelegateClassLoader 从 PathCLasLoader 和 BootClassLoader 之间移除掉。
    通过前面的分析，我们知道引入 DelegateClassLoader 是为了在使用 PathClassLoader loadClass 失败时，可以使用 PluginClassloader 去插件中加载，因此对于不使用插件的场景，DelegateClassloader 是完全没有必要的，我们完全可以在需要用到插件功能时再进行 DelegateClassloader 的注入。
    但在实际执行过程中，这种完全进行按需注入会比较困难，因为我们无法精确掌握插件加载时机，比如我们的可能通过是通过 compileonly 的方式隐式的依赖、加载插件的类，也可能在 xml 中使用某个插件的 view 的方式触发插件的加载，如果要进行适配会对业务开发带来比较大的侵入。
    这里尝试换一个思路进行优化——我们虽然没法精确地知道插件加载时机，但却可以知道哪里没有插件加载。比如 Application 阶段是没有插件加载的，那么完全可以等 Applicaiton 阶段执行完成再进行 DelegateClassloader 的注入。事实上在启动过程中，类的加载主要集中在 Application 阶段，通过在 Applicaiton 执行完成再去进行 DelegateClassloader 进行注入，可以极大地减少插件化方案对启动速度的影响，同时也可以避免对业务的侵入。
    侵入式优化方案：改造 ClassLoader 模型
    上面的方案无需侵入业务改造成本很小，但是它只是优化了 Application 阶段的类加载，后续阶段 ART 对类加载的优化仍然无法享受到，从极致性能的角度我们做了进一步的优化。我们优化的核心思想就是把 DelegateClassloader 从 PathClassLoader 和 BootClassLoader 之间彻底去除掉，通过其他方式来解决宿主加载插件类的问题。通过分析我们可以知道宿主加载插件的类主要有几种方式：
    1. 通过 Class.forName 的方式去反射加载插件的类；
    2. 通过 compileOnly 隐式依赖插件的类，运行时直接加载插件的类；
    3. 启动插件的四大组件时加载插件的组件类；
    4. 在 xml 中使用插件的类；
    因此我们的问题就变成了在不注入 ClassLoader 的情况下，如何实现宿主加载插件的这四大类。
    首先是Class.forName 的方式，解决这种方式下插件类加载的问题最直接的解决办法就是调用 Class.forName 时显示的去指定 ClassLoader 为 DelegateClassloader，不过这样的方式对业务开发不够友好，且存在一些三方 sdk 中代码我们无法修改的问题。我们最终的解决办法就是对 Class.forName 调用进行字节码插桩，在类加载失败时再尝试使用 DelegateClassloader 去进行加载。
    接下来是compileOnly 的隐式依赖，这种方式比较难进行通用处理，因为我们无法找到一个合适的时机去对类加载失败进行兜底。针对这个问题我们的解决办法就是进行业务的改造，将 compileOnly 的隐式依赖调用的方式改成通过 Class.forName 的方式，之所以进行这样的改造主要是基于几下几点考虑：
    1. 首先抖音中 compileOnly 隐式依赖调用的方式非常少，改造成本相对可控；
    2. 其次 compileOnly 的方式在插件的使用上虽然便捷，但是它在入口上不够收敛，在插件加载管控、问题排查、插件宿主版本间兼容上都存在一定的问题，通过 Class.forName + 接口化的方式可以较好的解决这些问题。
    插件四大组件类的加载和 xml 中使用插件类的问题都可以通过同一个方案来解决——将 LoadedApk 中的 ClassLoader 替换为DelegateClassLoader，这样无论是四大组件 class 的加载还是 LayoutInflate 加载 xml 时的 class 加载都会使用 DelegateClassLoader 加载，关于这部分的原理大家可以参考 DroidPlugin、Replugin 等相关插件化原理解析，这里就不展开介绍了。
    3.1.2 Class verify 优化
    对于 ClassLoader 的优化，优化的是类加载过程中的 load 阶段，对于类加载的其他阶段也可以进行一定的优化，比较典型的一个案例就是classverify的优化，classverify 过程主要是校验 class 是否符合 java 规范，如果不符合规范则会在 verify 阶段抛出 verify 相关的异常。
    一般情况下 Android 中的 class 在应用安装或插件加载时就会进行 verify，但是存在一些特定 case，比如 Android10 之后的插件、插件编译采用 extract filter 类型、宿主与插件相互依赖导致静态 verify 失败等情况，则需要在运行时进行 verify。运行 verify 的过程除了会校验 class，还会触发它所依赖 class 的 load，从而造成耗时。
    事实上 classverify 主要是针对网络下发的字节码进行校验，对于我们的插件代码其在编译的过程中就会去校验 class 的合法性，而且即使真的出现了非法的 class，最多也是将 verify 阶段抛出的异常转移到 class 使用的时候。
    因此我们可以认为，运行时的 classverify 是没有必要的，可以通过关闭 classverrify来优化这些类的加载。关于关闭 classverify 目前业界已经有一些比较优秀的方案，比如运行时在内存中定位出 verify_所在内存地址，然后将其设置成跳过 verify 模式以实现跳过 classverify。
     // If kNone, verification is disabled. kEnable by default.
      verifier::VerifyMode verify_;


      // If true, the runtime may use dex files directly with the interpreter if an oat file is not available/usable.
      bool allow_dex_file_fallback_;


      // List of supported cpu abis.
      std::vector<std::string> cpu_abilist_;


      // Specifies target SDK version to allow workarounds for certain API levels.
      int32_t target_sdk_version_;
    当然关闭 classverify 的优化方案并不一定对所有的应用都有价值，在进行优化之前可以通过 oatdump 命令输出一下宿主、插件中在运行时进行 classverify 的类信息，对于存在大量类在运行时 verify 的情况可以采用上面介绍的方案进行优化。
    oatdump --oat-file=xxx.odex > dump.txt
    cat dump.txt  | grep -i "verified at runtime" |wc -l
    3.2 其他全局优化
    在全局优化方面，还有一些其他比较通用的优化方案，这里也进行一些简单的介绍，以供大家参考：
  • 高频方法优化：对服务发现(spi)、实验开关读取等高频调用方法进行优化，将原本在运行时的注解读取、反射等操作前置到编译阶段，通过编译阶段直接生成目标代码替换原有调用实现执行速度的提升；
  • IO 优化：通过减少启动阶段不必要的 IO、对关键链路上的 IO 进行预读以及其他通用的 IO 优化方案提升 IO 效率；
  • binder 优化：对启动阶段一些会多次调用的 binder 进行结果缓存以减少 IPC 的次数，比如我们应用自身的 packageinfo 的获取、网络状态获取等；
  • 锁优化：通过去除不必要的锁、降低锁粒度、减少持锁时间以及其他通用的方案减少锁问题对启动的影响
  • 字节码执行优化：通过方法调用内联的方式，减少一些不必要的字节码的执行，目前已经以插件的方式集成在抖音的字节码开源框架 Bytex 中（详见 Bytex 介绍）；
  • 预加载优化：充分利用系统的并发能力，通过用户画像、端智能预测等方式在异步线程对各类资源进行精准精准预加载，以达到消除或者减少关键节点耗时的目的，可供预加载的内容包括 sp、resource、view、class 等；
  • 线程调度优化：通过任务的动态优先级调整以及在不同 CPU 核心上的负载均衡等手段，降低 Sleeping 状态和 Uninterrupible Sleeping 耗时，在不提高 CPU 频率的情况下，提高 CPU 时间片的利用率（由 Client Infrastructure-App Health 团队提供解决方案）；
  • 厂商合作：与厂商合作通过 CPU 绑核、提频等方式获取到更多的系统资源，以达到提升启动速度的目的；
    • 总结与展望
    至此，我们已经对抖音启动优化中比较典型、通用的案例进行了介绍，希望这些案列能够为大家的启动优化提供一些参考。回顾抖音以往的所有启动相关的优化，通用的优化只是占了其中一小部分，更多的是与业务相关的优化，这部分优化有着极强的业务关联性，其他业务无法直接进行迁移，针对这部分优化我们总结了一些优化的方法论，具体可以参见“启动性能优化之理论和工具篇”。最后从实践的角度对我们的启动优化做一些总结与展望， 希望能对大家有所帮助。
    持续迭代
    启动优化是一个需要持续迭代与打磨的的过程，一般来说最开始的是“快、猛”的快速优化阶段，这个阶段优化空间会比较大，优化粒度会相对较粗，在投入不多的人力情况下就能取得不错的收益；第二个阶段难点攻坚阶段，这个阶段需要的投入相对第一个阶段要大，最终的提升效果也取决于难点的攻坚情况；第三个阶段是防劣化与持续的精细化优化过程，这个过程是最为持久的一个过程，对于快速迭代的产品，这个阶段也非常重要，是我们通向极致化启动性能的必经之路。
    场景泛化
    启动优化也需要进行一定扩展与泛化的，一般情况下我们关注的是用户点击 icon 到首页首帧的时间，但是随着商业化开屏、push 点击等场景的增加，我们也需要扩展到这些场景。另外很多时候虽然页面的首帧出来了，但用户还是无法看到想看的内容，因为用户关注的可能不是页面首帧的时间，而是有效内容加载出来的时间。以抖音为例，我们在关注启动速度的同时，也会去关注视频首帧的时间，从 AB 实验来看这个指标甚至比启动速度更重要，其他产品也可以结合自己的业务，去定义一些对应的指标，验证对用户体验的影响，决定是否需要进行优化。
    全局意识
    一般来说，我们以启动速度来衡量启动性能。为了提升启动速度，我们可能会把一些原本在启动阶段执行的任务进行延后或者按需，这种方式能够有效优化启动速度，但同时也可能损害后续的使用体验。比如，如果将某个启动阶段的后台任务延后到后续使用时，如果首次使用是在主线程，则可能会造成使用卡顿。因此，我们在关注启动性能的同时，也需要关注其他可能影响的指标。
    性能上我们需要有一个能体现全局性能的宏观指标，以防止局部最优效应。业务上我们需要建立启动性能与业务的关系，具体来说就是在优化过程中尽可能对一些较大的启动优化支持 AB 能力，这样做一方面可以实现对优化的定性分析，防止一些有局部性能收益但是对全局体验有损害的负优化被带到线上去；另一方面也可以利用实验的定性分析能力，量化各个优化对业务的效果，从而为后续的优化方向提供指导。同时也可以对一些可能造成稳定性或者功能异常的改动，提供回滚能力以及时止损。
    目前，字节跳动旗下的企业级技术服务平台火山引擎已经对外开放了 AB 实验能力，感兴趣的同学可以到火山引擎官网进行了解。
    全覆盖与精细化运营
    未来抖音的启动优化有两个大的目标，第一个目标是启动优化的覆盖率做到最大化：架构方面我们希望启动阶段的代码能够做到依赖简单、清晰，模块粒度尽可能的小，后续优化与迭代成本低；体验方面在做好性能优化的同时做好交互、内容质量等功能优化，提升功能的触达效率与品质；场景方面做到冷启动、温启动、热启动等各类启动方式、落地页的全面覆盖；优化方向上覆盖 CPU、IO、内存、锁、UI 渲染等各类优化方向。第二个目标是实现启动优化精细化运营，做到千人千时千面，对于不同的用户、不同的设备性能与状况、不同的启动场景等采用不同的启动策略，实现体验优化的最大化。
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    抖音 Android 基础技术团队是一个深度追求极致的团队，我们专注于性能、架构、包大小、稳定性、基础库、编译构建等方向的深耕，保障超大规模团队的研发效率和数亿用户的使用体验。目前北京、上海、杭州、深圳都有大量人才需要，欢迎有志之士与我们共同建设亿级用户的 APP！
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    以上是关于抖音 Android 性能优化系列：启动优化之理论和工具篇的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
     

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