我们 NimbleDroid 经过大量的分析，发现了一些避免 APP 整体变慢，让 APP 快速启动以及迅速响应的技巧。其中有一个就是奇慢无比的 ClassLoader.getResourceAsStream 函数，这个函数可以让 APP 通过名字访问资源。在传统的 Java 程序开发中，这个函数用得非常普遍，但是在安卓平台上，这个函数在第一次调用时执行时间非常长，会严重拖慢安卓 APP 的运行。在我们分析的 APP 和 SDK 中（我们分析了大量的 APP 和 SDK ），我们发现超过 10% 的 APP 和 20% 的 SDK 都由于使用了这个函数而急剧变慢。那究竟为什么这个函数如此之慢呢？我们将在这边文章中进行深度揭秘。
榜单 APP 中被拖慢的案例
亚马逊的 Kindle 安卓版，拥有过亿的下载量，4.15.0.48 版本中，由于使用了这个函数，导致了 1315 毫秒的延迟。
另一个例子是 TuneIn 13.6.1 版本，因此导致了 1447 毫秒的延迟。在这里 TuneIn 调用了两次 getResourceAsStream 函数，第二次调用时就很快了（只需要 6 毫秒）。
下面我们列出了受此问题影响的 APP：
在我们分析的 APP 中，有超过 10% 的 APP 都受此问题的影响。
调用了 getResourceAsStream 函数的 SDK
为了行文简洁，我们用 SDK 来指代所有的库，无论是像 Amazon AWS 这样提供特定服务的库，还是像 Joda-Time 这样更通用的库。
通常，一个 APP 不会直接调用 getResourceAsStream 函数，而是这个 APP 使用的某个 SDK 调用了这个函数。由于开发者通常不会关注使用的 SDK 的实现细节，所以他们通常都不知道自己的 APP 存在这样的问题。
下面我们列出了一些知名的调用了 getResourceAsStream 函数的 SDK：
· mobileCore
· SLF4J
· StartApp
· Joda-Time
· TapJoy
· Google Dependency Injection
· BugSense
· RoboGuice
· OrmLite
· Appnext
· Apache log4j
· Twitter4J
· Appcelerator Titanium
· LibPhoneNumbers (Google)
· Amazon AWS
总的来说，我们分析的 SDK 中，有超过 20% 的 SDK 都存在此问题，由于篇幅有限，上面的列表中我们只列出了少数较为知名的 SDK。 这个问题在 SDK 中如此普遍，原因之一就是 getResourceAsStream() 函数在非安卓平台上都是很快的。由于很多从 Java 转型的安卓开发者都使用了他们比较熟悉的库，例如使用了 Joda-Time 而不是 Dan Lew 开源的 Joda-Time-Android，因此很多 APP 都受到了这个问题的影响。
为什么 getResourceAsStream 函数在安卓平台如此之慢
发现了 getResourceAsStream 函数在安卓平台如此之慢，我们理所当然的需要分析一下它为什么如此之慢。经过深入的分析，我们发现这个函数第一次被调用时，系统会执行三个非常耗时的操作：(1) 以 zip 压缩包的方式打开 APK 文件，为 APK 内的所有内容建立索引；(2) 再次打开 APK 文件，并再次索引所有的内容；(3) 校验 APK 文件被正确的进行了签名操作。上述三个操作都非常慢，总的延迟和 APK 文件的大小呈线性关系。例如一个 20MB 的 APK 文件执行上述操作需要 1-2 秒的延迟。在附录中，我们具体描述了这个分析的过程。
建议：避免调用 ClassLoader.getResource*() 函数，而是使用安卓系统提供的 Resources.get*(resId) 函数
建议：测量你的 APP，查看是否使用的 SDK 调用了 ClassLoader.getResource*() 函数。将这些 SDK 替换为更高效的版本，或者至少不要在主线程触发这些函数的调用。
立即查看你的 APP 有没有被 ClassLoader.getResource*() 函数拖慢！
附录：我们是如何定位 getResourceAsStream 函数中的耗时操作的
为了理解这个问题的根本原因，我们分析一下安卓系统的源码。我们分析的是 AOSP 的 android-6.0.1_r11 分支。我们首先看一下 ClassLoader 的代码：
libcore/libart/src/main/java/java/lang/ClassLoader.java
public InputStream getResourceAsStream(String resName) { try {URL url = getResource(resName);
if (url != null) {return url.openStream();
}
} catch (IOException ex) {// Don't want to see the exception.
}
return null;
}
代码很简单，首先我们查找资源对应的路径，如果不为 null，我们就为它打开一个输入流。在这里，路径是一个 java.net.URL 对象，有一个 openStream() 函数。
现在我们看一下 getResource() 的实现：
public URL getResource(String resName) {URL resource = parent.getResource(resName);
if (resource == null) {resource = findResource(resName);
}
return resource;
}
继续跟进 findResource() 函数：
protected URL findResource(String resName) {return null;
}
findResource() 在这里没有被实现，而 ClassLoader 是一个抽象类，所以我们分析一下在 APP 运行时所使用的实现类。查看安卓开发者文档，我们可以发现安卓系统提供了好几个 ClassLoader 的实现类，通常情况下使用的是 PathClassLoader。
让我们 build AOSP 的代码，并通过日志查看 getResourceAsStream 和 getResource 使用的是哪一个实现类中的方法：
public InputStream getResourceAsStream(String resName) { try { Logger.getLogger("NimbleDroid RESEARCH").info("this: " + this);URL url = getResource(resName);
if (url != null) {return url.openStream();
}
...
}
测试发现，实际调用的是 dalvik.system.PathClassLoader 类。然而查看 PathClassLoader 我们并未发现 findResource 的实现。这是因为 findResource() 在其父类 BaseDexClassLoader 中实现了。
/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java:
@Override
protected URL findResource(String name) {return pathList.findResource(name);
}
继续跟进 pathList：
public class BaseDexClassLoader extends ClassLoader {private final DexPathList pathList;
/**
* Constructs an instance.
*
* @param dexPath the list of jar/apk files containing classes and
* resources, delimited by {@code File.pathSeparator}, which * defaults to {@code ":"} on Android* @param optimizedDirectory directory where optimized dex files
* should be written; may be {@code null}* @param libraryPath the list of directories containing native
* libraries, delimited by {@code File.pathSeparator}; may be * {@code null}* @param parent the parent class loader
*/
public BaseDexClassLoader(String dexPath, File optimizedDirectory,
String libraryPath, ClassLoader parent) {super(parent);
this.pathList = new DexPathList(this, dexPath, libraryPath, optimizedDirectory);
}
继续跟进 DexPathList：
/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
/**
* A pair of lists of entries, associated with a {@code ClassLoader}.* One of the lists is a dex/resource path — typically referred
* to as a "class path" — list, and the other names directories
* containing native code libraries. Class path entries may be any of:
* a {@code .jar} or {@code .zip} file containing an optional * top-level {@code classes.dex} file as well as arbitrary resources, * or a plain {@code .dex} file (with no possibility of associated* resources).
*
* <p>This class also contains methods to use these lists to look up
* classes and resources.</p>
*/
/*package*/ final class DexPathList {继续跟进 DexPathList.findResource：
/**
* Finds the named resource in one of the zip/jar files pointed at
* by this instance. This will find the one in the earliest listed
* path element.
*
* @return a URL to the named resource or {@code null} if the* resource is not found in any of the zip/jar files
*/
public URL findResource(String name) { for (Element element : dexElements) {URL url = element.findResource(name);
if (url != null) {return url;
}
}
return null;
}
Element 是 DexPathList 类的一个静态内部类。其中就包含了我们寻找的目标代码：
public URL findResource(String name) {maybeInit();
// We support directories so we can run tests and/or legacy code
// that uses Class.getResource.
if (isDirectory) {File resourceFile = new File(dir, name);
if (resourceFile.exists()) { try {return resourceFile.toURI().toURL();
} catch (MalformedURLException ex) {throw new RuntimeException(ex);
}
}
}
if (zipFile == null || zipFile.getEntry(name) == null) {/*
* Either this element has no zip/jar file (first
* clause), or the zip/jar file doesn't have an entry
* for the given name (second clause).
*/
return null;
}
try {/*
* File.toURL() is compliant with RFC 1738 in
* always creating absolute path names. If we
* construct the URL by concatenating strings, we
* might end up with illegal URLs for relative
* names.
*/
return new URL("jar:" + zip.toURL() + "!/" + name); } catch (MalformedURLException ex) {throw new RuntimeException(ex);
}
}
现在我们分析一下，我们知道，APK 文件实际上就是一个 zip 文件，从这行代码我们看到：
if (zipFile == null || zipFile.getEntry(name) == null) {这里会尝试查找指定名称的 ZipEntry，如果查找成功，我们就会返回这个资源对应的 URL。这个查找操作可能是非常耗时的，但是查看 getEntry 的实现，我们它的原理就是遍历一个 LinkedHashMap：
/libcore/luni/src/main/java/java/util/zip/ZipFile.java
...
private final LinkedHashMap<String, ZipEntry> entries = new LinkedHashMap<String, ZipEntry>();
...
public ZipEntry getEntry(String entryName) {checkNotClosed();
if (entryName == null) { throw new NullPointerException("entryName == null");}
ZipEntry ze = entries.get(entryName);
if (ze == null) {ze = entries.get(entryName + "/");
}
return ze;
}
这个操作不会特别快，但肯定也不会特别慢。
这里我们遗漏了一个细节，在读取这个 zip 文件之前，我们肯定需要打开这个 zip 文件，再次查看 DexPathList.Element.findResource() 函数的代码，我们发现在第一行调用了 maybeInit()：
public synchronized void maybeInit() { if (initialized) {return;
}
initialized = true;
if (isDirectory || zip == null) {return;
}
try {zipFile = new ZipFile(zip);
} catch (IOException ioe) {/*
* Note: ZipException (a subclass of IOException)
* might get thrown by the ZipFile constructor
* (e.g. if the file isn't actually a zip/jar
* file).
*/
System.logE("Unable to open zip file: " + zip, ioe);zipFile = null;
}
}
找到了！就是这一行：
zipFile = new ZipFile(zip);
打开了 zip 文件读取内容：
public ZipFile(File file) throws ZipException, IOException {this(file, OPEN_READ);
}
在构造函数中初始化了一个叫 entries 的 LinkedHashMap 对象。（如果要查看 ZipFile 内部的数据结构，可以查看源码） 显然，APK 文件越大，打开 zip 文件需要的时间就会越长。
这里我们发现了 getResourceAsStream 第一个耗时操作。这个过程很有趣，也很复杂，但这只是开始 :) 如果我们在源码中加入下面的测量代码：
public InputStream getResourceAsStream(String resName) { try {long start; long end;
start = System.currentTimeMillis();
URL url = getResource(resName);
end = System.currentTimeMillis();
Logger.getLogger("NimbleDroid RESEARCH").info("getResource: " + (end - start)); if (url != null) {start = System.currentTimeMillis();
InputStream inputStream = url.openStream();
end = System.currentTimeMillis();
Logger.getLogger("NimbleDroid RESEARCH").info("url.openStream: " + (end - start));return inputStream;
}
...
我们发现打开 zip 文件的耗时并不是 getResourceAsStream 的所有耗时，url.openStream() 耗费的时间远比 getResource() 要长，所以我们继续深挖。
查看 url.openStream() 的调用栈，我们发现了 /libcore/luni/src/main/java/libcore/net/url/JarURLConnectionImpl.java
@Override
public InputStream getInputStream() throws IOException { if (closed) { throw new IllegalStateException("JarURLConnection InputStream has been closed");}
connect();
if (jarInput != null) {return jarInput;
}
if (jarEntry == null) { throw new IOException("Jar entry not specified");}
return jarInput = new JarURLConnectionInputStream(jarFile
.getInputStream(jarEntry), jarFile);
}
先看看 connect()：
@Override
public void connect() throws IOException { if (!connected) {findJarFile(); // ensure the file can be found
findJarEntry(); // ensure the entry, if any, can be found
connected = true;
}
}
继续跟进：
private void findJarFile() throws IOException { if (getUseCaches()) { synchronized (jarCache) {jarFile = jarCache.get(jarFileURL);
}
if (jarFile == null) {JarFile jar = openJarFile();
synchronized (jarCache) {jarFile = jarCache.get(jarFileURL);
if (jarFile == null) {jarCache.put(jarFileURL, jar);
jarFile = jar;
} else {jar.close();
}
}
}
} else {jarFile = openJarFile();
}
if (jarFile == null) {throw new IOException();
}
}
getUseCaches() 会返回 true：
public abstract class URLConnection {...
private static boolean defaultUseCaches = true;
...
跟进 openJarFile()：
private JarFile openJarFile() throws IOException { if (jarFileURL.getProtocol().equals("file")) {String decodedFile = UriCodec.decode(jarFileURL.getFile());
return new JarFile(new File(decodedFile), true, ZipFile.OPEN_READ);
} else {...
可以看到，这里打开了一个 JarFile，而不是 ZipFile。不过 JarFile 继承自 ZipFile。这里我们发现了 getResourceAsStream 的第二个耗时操作：安卓系统需要再次打开 ZipFile 并索引其内容。
读取 APK 文件内容并建立索引两次，就使得开销加大了两倍，已经是非常严重的问题了，但这依然不是 getResourceAsStream 的所有耗时。所以我们继续跟进 JarFile 的构造函数：
/**
* Create a new {@code JarFile} using the contents of file.*
* @param file
* the JAR file as {@link File}.* @param verify
* if this JAR filed is signed whether it must be verified.
* @param mode
* the mode to use, either {@link ZipFile#OPEN_READ OPEN_READ} or * {@link ZipFile#OPEN_DELETE OPEN_DELETE}.* @throws IOException
* If the file cannot be read.
*/
public JarFile(File file, boolean verify, int mode) throws IOException {super(file, mode);
// Step 1: Scan the central directory for meta entries (MANIFEST.mf
// & possibly the signature files) and read them fully.
HashMap<String, byte[]> metaEntries = readMetaEntries(this, verify);
// Step 2: Construct a verifier with the information we have.
// Verification is possible *only* if the JAR file contains a manifest
// *AND* it contains signing related information (signature block
// files and the signature files).
//
// TODO: Is this really the behaviour we want if verify == true ?
// We silently skip verification for files that have no manifest or
// no signatures.
if (verify && metaEntries.containsKey(MANIFEST_NAME) &&
metaEntries.size() > 1) {// We create the manifest straight away, so that we can create
// the jar verifier as well.
manifest = new Manifest(metaEntries.get(MANIFEST_NAME), true);
verifier = new JarVerifier(getName(), manifest, metaEntries);
} else {verifier = null;
manifestBytes = metaEntries.get(MANIFEST_NAME);
}
}
在这里我们发现了第三个耗时操作，所有的 APK 文件都是被签名过的，所以 JarFile 会进行签名验证。这个验证过程也会很慢，当然，对签名过程的深入分析就不是本文的内容了，有兴趣可以继续深入学习。
总结
ClassLoader.getResourceAsStream 之所以慢，是由于以下三个原因：(1) 以 zip 压缩包的方式打开 APK 文件，为 APK 内的所有内容建立索引；(2) 再次打开 APK 文件，并再次索引所有的内容；(3) 校验 APK 文件被正确的进行了签名操作。
其他备注
Q: ClassLoader.getResource*() 在 Dalvik 和 ART 中一样慢吗？
A: 是的，我们测试了两个 AOSP 分支，android-6.0.1_r11 使用了 ART 技术，android-4.4.4_r2 使用的是 Dalvik。两种环境下 getResource*() 都很慢。
Q: 为什么 ClassLoader.findClass() 没有如此之慢？
A: 安卓会在安装 APK 的时候解压 DEX 文件，因此执行 ClassLoader.findClass() 时，无需再次打开 APK 文件查找内容了。
此外，在 DexPathList 类中我们可以看到：
public Class findClass(String name, List<Throwable> suppressed) { for (Element element : dexElements) {DexFile dex = element.dexFile;
if (dex != null) {Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed);
if (clazz != null) {return clazz;
}
}
}
if (dexElementsSuppressedExceptions != null) {suppressed.addAll(Arrays.asList(dexElementsSuppressedExceptions));
}
return null;
}
这个过程中没有涉及到 ZipFile 和 JarFile。
Q: 为什么安卓系统的 Resources.get*(resId) 函数不存在此问题？
A: 安卓系统对资源文件的处理有单独的索引和加载机制，没有涉及到 ZipFile 和 JarFile。
转自： Piasy
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