抖音 Android 包体积优化探索：资源二进制格式的极致精简

2481次阅读  |  发布于2年以前

前言

目前，安卓端对于包体积的优化方案已经多如过江之鲫，我们系列的[上一篇文章] 介绍了 Class 字节码的优化，本期我们将关注点聚焦到资源文件上，从资源二进制文件的全新角度，拓展出包体积优化的新思路。

在资源文件优化方面，通常的优化手段多集中在图片/文件压缩、资源文件名称混淆、离线下载资源文件等方面，而我们的新思路基于对于常规思路的深度分析及思考。

一开始，我们是从资源文件名称混淆入手优化，业界对于资源文件名称混淆方案，最为熟知的开源项目当属 AndResGuard，该项目优化目标为资源文件目录 res 内的文件，其优化点如下：

  1. 对重复的资源文件，以计算 md5 值的方式来判断是否重复并只保留一份；
  2. 对资源文件名称进行缩短，即名称混淆；
  3. 对 APK 中的内容采取 7zip 压缩优化；

按照此项目进行优化，总体收益可以达到非常可观的 MB 级别。但完成此项目的优化后，资源文件的进一步优化便达到瓶颈。

为了在此基础上更好的实现优化资源大小，我们需要了解资源文件目录 res 所包含的文件类型及其大小的分布情况。以抖音为例，下表是对其包含的子文件夹名称、文件数量、将文件夹 zip 压缩后大小的梳理，以文件数量降序排序：

子文件夹名称 文件数量 文件夹zip压缩后大小
drawable-xxhdpi-v4 6054 19.5MB
layout 5970 12.2MB
drawable 4388 4.6MB
layout-v17 2985 8.5MB
drawable-night-xxhdpi-v8 994 ...
drawable-xhdpi-v4 431 ...
anim 382 ...
color 152 ...

从上表，可以看到：

可见，layout 目录下的布局文件大小已经和图片文件不相上下。而这部分如此大的文件，除了有文件名称的混淆优化之外，是否还有其他优化方式？或者其文件名称混淆是否彻底？

此外，APK 解压后的 resources.arsc 文件有 7.3MB 之大。其中包含了 app 所有资源文件名称和资源字符串值，其中是否也存在冗余字符串？

对于 layout 布局文件，从近万份之多的文件数量及 20+MB 的文件体积来看，即存在值得探究的必要。我们通过对资源文件的二进制文件格式的解析，并从文件内容被使用的角度分析，发现存在可以删除的冗余内容。在反复尝试并解决了各种稳定性和打包兼容问题后，最终研发出了一套针对 Android ARSC/XML 文件格式的包体积优化方案，目前已经落地抖音，实现 2MB 以上的收益。

接下来，本文将深入讲解该方案的实现细节。

APK 资源格式优化

我们的核心思路是，以资源路径缩短为优化出发点，在最终的 APK 文件里，从resources.arsc与 layout 布局文件的二进制文件格式着手，查看其内容结构，寻找可以删除的未使用字符串，优化文件名称或者文件里的字符串池。主要分为下面两个优化点。

资源路径缩短

资源格式修改

接入 AndResGuard 后，资源文件 res 目录 -> r，其中的子文件夹和文件名也都被混淆，即：

这是为了减少资源文件路径，从而减少包体积，自然联想到，是否还能进一步减少资源文件路径呢？显然，如果能将所有文件都放在 r 目录下，将中间的子文件夹去掉，则可以进一步减少资源文件路径和 zip 节点数量，一定还有包体收益；顺便可以将文件名的后缀去掉，也可以减少文件路径，即:

由于修改资源文件名称需要修改resources.arsc文件，这里对resources.arsc 的文件格式分析下：

可以看到，其中包含有 3 个字符串池。

假如我们有一个资源文件abc_fade_in.xml在 res/anim 目录下，其在resources.arsc文件中 3 个字符串池里的信息如下：

可以看到，与资源文件名相关的地方有两处，分别在全局字符串池保存着完整文件路径名，键字符串池保存着文件名，为了将资源路径缩短，需要同时修改这两处，即在全局字符串池中修改res/anim/abc_fade_in.xml -> r/f ，在键字符串池修改 abc_fade_in -> f。在resources.arsc文件中需要修改的两处字符串池，如下图箭头所示：

然而，在完成资源路径缩短后，却发现包体积反而变大了 160K+ ！

键常量池裁剪

我们知道，文件名称混淆，其混淆名称来源于符合文件名称规范的混淆字符串集合，其中的字符串都是唯一不重合的，所以，字符串集合数量越大，其最长字符串的长度也会越大。

在资源路径未缩短情况，不同子目录文件夹下，其使用的文件名称每次都可以从混淆字符串集合中重新选取，使得其名称在键字符串池中始终保持最短；

其对应的文件名字符串集合为：[a，b，c，d，e]

而在缩短的情况下，由于所有文件都包含在一个文件夹r下，其使用的文件名称只能来自同一个混淆字符串集合，使其名称在键字符串池中会逐渐变长，同时也会使得路径字符串跟着变长，导致其整体结果反而变大！如下图所示：

其对应的文件名字符串集合为：[a，b，c，d，e，f，g，h，i，j]

因此，当所有文件都包含在一个文件夹r下时，无法使得不同子目录下的文件名得以复用，所以虽然路径缩短，会使得全局字符串池变小，但键字符串池反而会变大。这是因为键名默认需要和文件名保持一致。

猜想：resources.arsc文件中，键名是否需要和文件名保持一致，更或者，键名本身是否有存在的必要？

其实，在经过编译后，资源文件被使用的地方会被替换成特定的 id 值，比如：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        // => setContentView(0x7f0b001c); // 替换为id值
    }
}

由此可知，资源文件名称必然与整型 id 值有着一一对应的关系，这种一一映射的关系可以联想到：是否只需要根据整型 id 值，就可以找到相应的文件路径名称？因为这个过程里完全不涉及键字符串的引用。

基于这个想法，我们将键字符串池全部替换为单一值"_"， 发现 APK 运行正常。显然，去掉键字符串池，似乎并不会影响 APK 运行期间根据整型 id 值去查找文件路径。

那么，键字符串池中的字符串的作用是什么呢？翻看源码发现，只有使用类似“资源文件反射”的方式调用，才会获取键字符串池中的字符串值，比如：

// MainActivity.java
// 此处返回值为"_", 因为键字符串池已经全部替换为 "_"
String entryName = getResources().getResourceEntryName(R.layout.activity_main);
// 此处返回的id值为0, 因为找不到名为 "abc_fade_in"，类型为"anim"的资源
int id = getResources().getIdentifier("abc_fade_in", "anim", "cn.pkg");

当前项目中，一般没有使用上述“资源文件反射”获取资源名称的使用方式，所以键字符串池可以全部替换为单一值"_"；目前已知的必须要以这种方式使用资源文件的方式，大多是插件等不在一个宿主项目下的情况，如果需要，可以对这部分字符串名称进行保留，配置白名单即可。

下图是resources.arsc文件中键字符串池的格式和内容示意图：

最后，还需将resources.arsc文件中，键字符串对应的偏移数组的索引值，所有被调用的地方，全部替换为字符串"_"对应的偏移数组的索引值 0，这样原有文件名字符串都会换为"_"，键字符串池就只剩"_"字符串了。

崩溃和兼容性问题

在项目具体实施灰度中出现了崩溃，发现在 drawable 目录下的 xml 图片文件有对其后缀的检查，如下图：

frameworks/base/core/java/android/content/res/ResourcesImpl.java

//创建drawable
private Drawable loadDrawableForCookie(@NonNull Resources wrapper, @NonNull TypedValue value, int id, int density) {
    ...
    if (file.endsWith(".xml")) { //对xml文件解析并创建drawable
        final String typeName = getResourceTypeName(id);
        if (typeName != null && typeName.equals("color")) {
            dr = loadColorOrXmlDrawable(wrapper, value, id, density, file);
        } else {
            dr = loadXmlDrawable(wrapper, value, id, density, file);
        }
    } else { //对.png等其他图片解析并创建drawable
        final InputStream is = mAssets.openNonAsset(value.assetCookie, file, AssetManager.ACCESS_STREAMING);
        final AssetInputStream ais = (AssetInputStream) is;
        dr = decodeImageDrawable(ais, wrapper, value);
    }
    ...
}

因此，我们对 drawable 目录下的 .xml 后缀不做去除。

上线后，有反馈 6.x 上部分手机启动慢的现象，经排查发现是其中图片文件名称后缀删除优化，导致的在部分 rom 上 app 启动慢。排除掉这些兼容性问题，最后，我们仅保留路径缩短和键常量池裁剪优化，而不做文件名后缀去除，即：r/a/a.xml -> r/a.xml，此部分资源路径压缩优化收益 300K+。

layout 优化

我们知道，layout 目录下的布局文件所占包体积很大，从之前的分析可知，resources.arsc文件中有好几个字符串池，有的字符串池并没使用可以删除，而 layout 布局文件与resources.arsc文件的二进制文件格式一致，其中也有字符串池，是否也存在类似的优化点呢？对此，有必要对布局文件的文件格式和内容探究一波，随意打开一个布局文件，其源代码和二进制文件格式内容如下：

//创建drawable
private Drawable loadDrawableForCookie(@NonNull Resources wrapper, @NonNull TypedValue value, int id, int density) {
    ...
    if (file.endsWith(".xml")) { //对xml文件解析并创建drawable
        final String typeName = getResourceTypeName(id);
        if (typeName != null && typeName.equals("color")) {
            dr = loadColorOrXmlDrawable(wrapper, value, id, density, file);
        } else {
            dr = loadXmlDrawable(wrapper, value, id, density, file);
        }
    } else { //对.png等其他图片解析并创建drawable
        final InputStream is = mAssets.openNonAsset(value.assetCookie, file, AssetManager.ACCESS_STREAMING);
        final AssetInputStream ais = (AssetInputStream) is;
        dr = decodeImageDrawable(ais, wrapper, value);
    }
    ...
}

从布局文件文件格式上，可以看到，布局文件有一个字符串池 strPool 和一个数组 resMap，为了阐述其作用，假如布局文件中有一个属性"layout_width"，其在布局文件中包含的信息如下：

我们知道 layout_width 本身是一个attr属性，查看系统源码中的 public.xml，可以看到：

其整型 id 值与上面 layout 文件中的值，即 attr_layout_width 后面的整型 id 值完全一致，都是0x010100f4。系统属性的 id 值是固定的，而且，一个布局文件的属性由字符串名称或整型 id 值来唯一标识，那么，这里是否只需要 id 就可以标识属性，而属性的字符串名可以删除？

猜想：每个属性都有字符串名和整型 id 值，为了性能，在解析布局文件中每个节点的属性时，是根据整型 id 值而不是字符串名来唯一标识，并据此拿到该属性的值即可。

为了验证我们的猜想，简单修改字符串池中的一个属性字符串：layout_width -> llyout_width，验证可以运行成功。由前面的叙述可知 layout 目录下文件有近 9K 个，影响范围很广，如果可行其收益预计会很大，同时也更需要谨慎。

通过翻看源码发现，每个属性(attr)包含一个对应的整型 id 值，在parseXml()解析布局文件得到标签后，获取其属性值时果然会直接根据整型 id 值来获取。这里属于比较底层的代码，因为与性能相关，一般 rom 厂商似乎不会改到这里，其兼容性可能不会受影响。

源码中解析布局文件，标识属性并获取属性值的代码如下：

frameworks/base/core/jni/android_util_AssetManager.cpp

// 通过属性整型id值获取属性值
static jboolean android_content_AssetManager_applyStyle(...) {
    ...
    while (ix < NX && curIdent > curXmlAttr) {
        ix++;
        curXmlAttr = xmlParser->getAttributeNameResID(ix); //获取属性id值
    }
    if (ix < NX && curIdent == curXmlAttr) { //通过id值来标识属性
        block = kXmlBlock;
        xmlParser->getAttributeValue(ix, &value); //获取属性值
        ...
    }
    ...
}
uint32_t ResXMLParser::getAttributeNameResID(size_t idx) const {
    int32_t id = getAttributeNameID(idx);
    // mTree.mResIds 就是 Resids数组；返回值即属性id值
    if (id >= 0 && (size_t)id < mTree.mNumResIds) {
        return dtohl(mTree.mResIds[id]);
    }
    return 0;
}

具体实现上，该思路一共有三个要点，总体收益 1.9MB+ ，详见如下分析。

属性字符串名称修改

首先，我们将所有能与 Resids 数组一一对应的字符串全部替换为""字符串，对所有 layout 目录下的文件进行处理，得到收益 1.1MB+ 。

将此优化进行推广，对资源目录 res 下所有以 “.xml” 后缀的文件进行优化，得到附加收益 180K+。这部分收益不大的原因是其他目录下的“.xml” 后缀文件，多为 drawable 或者 anim 目录下的文件，这类文件中 Resids数组没有或者包含的属性不太多。

偏移数组修改

观察 layout 目录下布局文件中字符串池格式，发现包含偏移数组和字符串池，其中，每个节点从字符串池中读取字符串是根据偏移数组获取。所以，这里可以只修改偏移数组，将其指向同一个字符串值，从而将空字符串合并为一个，减少字符串池，节省空间，如下图：

上图中，左图，是将与 Resids 数组一一对应的字符串全部替换为""字符串了，其偏移数组会指向 5 个""字符串；右图，是修改偏移数组，将其值修改为指向第一个""字符串，同时删除冗余的 4 个""字符串，此方案得到收益 300K+。

命名空间去除

在解析布局文件获取属性值的时候，我们发现属性的命名空间字符串很长，例如："http://schemas.android.com/apk/res/android"。而且每个布局文件都至少存在一个命名空间字符串，其出现相当频繁。我们猜想，在获取属性值时，是否也没解析属性的命名空间字符串呢？而在前面我们说过，属性值的获取只需要属性id值来标识，没用到命名空间字符串。将命名空间字符串替换为空串后，发现的确没有问题，此优化得到收益500K+。

最终优化形式如下：

标记 1--属性字符串名称裁剪，将字符串池中每一个字符串替换成""空字符串；

标记 2--偏移数组修改，将字符串池中所有""空字符串合并为一个；

标记 3--命名空间去除，将字符串池中命名空间字符串替换成""空串。

App Bundle 兼容

以上优化都属于通用方案，都能在国内 App 上接入使用。然而，目前在海外 Google Play 商店上，App 均采用的是 App Bundle 文件格式（即 AAB），其中resources.arsc文件和 layout 目录下布局文件的格式已和上述格式不同，谷歌在其之前二进制文件格式的基础上，使用了 protobuf 格式，以增强对该文件格式中内容的可扩展性和鲁棒性。

在 AAB 文件 split 成多个 APK 的时候，会有 protobuf 格式到二进制 xml 格式的转换，而这个转换过程在 Google Play 上，我们无法更改。所以只能针对 AAB 文件格式中的资源文件格式进行优化了，通过 App Bundle 解析布局文件中的属性并不复杂，这里不再详述，针对上述优化方案在 AAB 文件上的移植结果如下：

资源路径缩短：

frameworks/base/tools/aapt2/format/proto/ProtoDeserialize.cpp

//读取protobuf格式的资源文件
static bool DeserializePackageFromPb(...) {
    ...
    for (const pb::ConfigValue& pb_config_value : pb_entry.config_value()) {
        ...
        //FindOrCreateValue搜寻已存在的或者创建新的ResourceConfigValue，搜寻时会判断键字符串是否已存在
        ResourceConfigValue* config_value = entry->FindOrCreateValue(config, pb_config.product());
        if (config_value->value != nullptr) {//发现已存在config_value，返回错误
          *out_error = "duplicate configuration in resource table";
          return false;
        }
        ...
    }
    ...
}

layout 优化：

因此，我们的优化方案最终在某海外 App 上总体可以取得 600K+收益。在完成对 AAB 文件的优化后，通过 split 后获取其中的 base-master.apk，查看其中的 layout 布局文件，收益示意图如下：

标记 1--属性字符串名称裁剪，命名空间去除已优化；

标记 2--偏移数组修改，无法优化，因此还是存在多个""字符串，而不像 APK 里面可以合并为一个。

总结

可见，在资源文件优化方面，还是可以另辟蹊径，有不少通用优化可以做，总结起来，主要工作还是在对无用字符串的搜寻和确认上。通常，编译后的二进制文件中，字符串的作用有:

后两个点便是搜寻冗余字符串和优化包大小的重点方向。

优化收益落地

App 收益
抖音 2.16MB+
飞书 1.6MB+

Copyright© 2013-2020

All Rights Reserved 京ICP备2023019179号-8