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加快Android编译速度

发表于 2015-11-25   |  

对于Android开发者而言，随着工程不断的壮大，Android项目的编译时间也逐渐变长，即便是有时候添加一行代码也需要等待好久才能看见期待的效果。之前加快Android编译的工具相对较少，其中最具有代表性的开源项目当属FaceBook的Buck和 mmin18的LayoutCast，除此之外还有JRebel 和 Jimulabs。不过前两天google宣布推出Instant Run加快Android 编译速度，相信对其他的工具来说都是一次冲击，这也是写这篇文章的动机。

相对于Buck而言，LayoutCast显得更轻量一些，对项目的侵入性较弱。今年8月份的时候，花了一个星期左右的时间才完成公司的代码的适配，对于一些繁重的项目而言，Buck带来的好处是显而易见的，但是适配过程中的坑也是很多的。Instant Run 对项目的侵入性其实也是比较大的，但是这些都不需要用户去操作、配置，所以看起来和LayoutCast一样属于轻量型的。

时间去哪了？

Android程序编译大致过程如图所示，详细的过程可以参考gradle 中的tasks。


编译过程

那么为什么我们每次编译都需要等待那么久？事实上我们我们可以gradle中添加TaskExecutionListener来监听gradle脚本中每个task的执行时间。

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class TimingsListener implements TaskExecutionListener, BuildListener {
    private Clock clock
    private timings = []
    @Override
    void beforeExecute(Task task) {
        clock = new org.gradle.util.Clock()
    }
    @Override
    void afterExecute(Task task, TaskState taskState) {
        def ms = clock.timeInMs
        timings.add([ms, task.path])
        task.project.logger.warn "${task.path} took ${ms}ms"
    }
    @Override
    void buildFinished(BuildResult result) {
        println "Task timings:"
        for (timing in timings) {
            if (timing[0] >= 50) {
                printf "%7sms  %s
", timing
            }
        }
    }
    @Override
    void buildStarted(Gradle gradle) {}

    @Override
    void projectsEvaluated(Gradle gradle) {}

    @Override
    void projectsLoaded(Gradle gradle) {}

    @Override
    void settingsEvaluated(Settings settings) {}
}

gradle.addListener new TimingsListener()

执行脚本可以发现主要的费时在dex(包含preDex)以及install这两个步骤。BUCK和LayoutCast的主要工作也是集中于这些费时的步骤上面。

如何加快？

开发过程中对项目的改动一般分为Java文件的修改以及资源文件的修改，这些修改都会涉及到上述的几个费时步骤，这也就是为什么即便我们修改一行代码也需要编译很久。

1、Java文件修改

通常，修改的.java文件会先经过javac操作生成.class文件。而后与其他的.class文件经过dx生成.dex文件。经过dx的操作很费时，针对这种情况，BUCK、LayoutCast和Instant Run采用了两种方法来解决。

BUCK

BUCK建立了一套完善的依赖规则以及细化的缓存系统来缩减编译时间，并通过使用三方的dex merege工具将.dex文件合并的时间复杂度从O(N^2)降到O(NlgN)。


Buck Dex 过程

如图所示，当修改A.java文件时，只涉及到相应的dx操作以及dex merge操作（红色部分），这样就大大的缩减了dx的操作时间。BUCK在依赖规则上狠下功夫推出了ABI，更是进一步的减少了不必要的操作。

LayoutCast

LayoutCast的实现同很多插件的实现原理差不多，具体分析如下:

在ClassLoader查找类的时候会先去调用BaseDexClassLoader类中的findClass方法。

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//----dalvik/system/BaseDexClassLoader.java  
 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class clazz = pathList.findClass(name);
        if (clazz == null) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
        return clazz;
    }

随后在DexPathList类中根据dexElements来查找相应的class。

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//----dalvik/system/DexPathList.java  
public Class findClass(String name) {
        for (Element element : dexElements) {
            DexFile dex = element.dexFile;
            if (dex != null) {
                Class clazz = dex.loadClassBinaryName(name, definingContext);
                if (clazz != null) {
                    return clazz;
                }
            }
        }
        return null;
    }

其中dexElements代表着不同dex文件。

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/** list of dex/resource (class path) elements */
    private final Element[] dexElements;

也就是说，在ClassLoader加载类的时候会去按照dexElements中dex文件的顺序依次查找，如下图所示，在1.dex中查找到了A类，那么就不会再从后面的dex文件中继续查找了。


插入dex原理

LayoutCast就是利用这样的原理，将修改的Java文件生成dex文件，并将此dex文件利用反射的方式插入到dexElements数组的前面。当然，从Java到dex的过程需要额外的查找各种依赖包之类的工作，这部分工作在cast.py中实现。

这种方式的实现在ART下是没有问题的，但是在Dalvik中就会出现IllegalAccessError的问题

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java.lang.IllegalAccessError: Class ref in pre-verified class resolved to unexpected implementation
dalvik.system.DexFile.defineClass(Native Method)
dalvik.system.DexFile.loadClassBinaryName(DexFile.java:211)
dalvik.system.DexPathList.findClass(DexPathList.java:315)
dalvik.system.BaseDexClassLoader.findClass(BaseDexClassLoader.j

具体的原因以及解决方案可以参考Bugly的文章

Install Run

Install Run 同样也是生成新的增量dex,但是新增dex中的类和原来的类名有区别。比如说，在修改Hello.java类之后，会生成包含Hello$overide类的dex文件。

那么，这个新增的dex文件中Hello$Override类是如何被调用的？

我们先看看原来的Hello.java文件经过Instant Run 编译前后的区别：

编译前的hello.java文件

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public String name(String str) {
	return str;
}

经过Instant Run之后的

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---compiled  Hello.java
public String name(String str) {
       IncrementalChange var2 = $change;
       return var2 != null?(String)var2.access$dispatch("name.(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", new Object[]{this, str}):str;
   }

可以看出，如果$change存在的话，就会调用$change中相应的函数，那么我们只需要通过反射将Hello.java中$change字段改为修改后的Hello$override的类就Ok了。
这也就是为什么Instant Run并不存在前面说到的IllegalAccessError的问题，并且支持不重启就能看见修改效果的原因。具体可以看看寒江不钓的博客

2、Res修改

Resource文件的修改会涉及到AAPT、ApkBuilder以及最后的Install操作。其中APPT的操作要求比较高，LayoutCast、Instant Run均没有在这部分进行优化，他们的主要工作在于后面的两个操作。其主要的思路在于将修改的后的资源利用aapt打包成新的.ap_文件，并通过反射的方式将原来的资源文件改为修改后的。

LayoutCast

LayoutCast主要做了两件事。

修改LayoutInflater服务

对于下面的用法我们并不陌生：

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LayoutInflater layoutInflater = LayoutInflater.from(context);
View view = layoutInflater.inflate(resourceId, root);

其中LayoutInflater.from的实现是在Context的实现类ContextImp中获取LAYOUT_INFLATER_SERVICE系统服务

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//----  android/view/LayoutInflater.java
public static LayoutInflater from(Context context) {
         LayoutInflater LayoutInflater =
                 (LayoutInflater)context.getSystemService(Context.
                 LAYOUT_INFLATER_SERVICE);
         if (LayoutInflater == null) {
             throw new AssertionError("LayoutInflater not found.");
         }
         return LayoutInflater;
     }

那么ContextImpl又是如何获取相应的服务的，查看ContextImpl类可以发现，

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//---- android/app/ContextImpl.java
public Object getSystemService(String name) {
        ServiceFetcher fetcher = SYSTEM_SERVICE_MAP.get(name);
        return fetcher == null ? null : fetcher.getService(this);
    }

可以发现调用getSystemService的过程是在SYSTEM_SERVICE_MAP的表中查找ServiceFetcher，并返回ServiceFetcher中的mCachedInstance。那么只需要将mCachedInstance替换为自定义的BootInflater并在BootInflater中完成Resource的Overrirde就可以了，如下图所示。


插入dex原理

修改Resource

我们知道Activity中的通过调用getResources()方法来访问资源，这实际上是调用ContextWrapper类中的getResource()方法

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public Resources getResources(){
         return mBase.getResources();
}

LayoutCast中就采用替换mBase为自定义的OverrideContext，并在其中将Resource返回为修改后的Resource。

Instant Run

Instant Run 对资源文件的处理和LayoutCast基本类似，但是在细节的处理上有所不同，比如Instant Run 通过对ActivityThread类中的mPackages和mResourcePackages的修改来改变LoadedApk中mResDir的值。

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for (String fieldName : new String[] { "mPackages", "mResourcePackages" })
{
  Field field = activityThread.getDeclaredField(fieldName);
  field.setAccessible(true);
  Object value = field.get(currentActivityThread);
  for (Map.Entry<String, WeakReference<?>> entry : ((Map)value).entrySet())
  {
    Object loadedApk = ((WeakReference)entry.getValue()).get();
    if (loadedApk != null) {
      if (mApplication.get(loadedApk) == bootstrap)
      {
        if (externalResourceFile != null) {
          mResDir.set(loadedApk, externalResourceFile);
        }
        if ((realApplication != null) && (mLoadedApk != null)) {
          mLoadedApk.set(realApplication, loadedApk);
        }
      }
    }
  }
}

资源文件修改的处理相对于Java文件的处理较为复杂，这中间涉及到aapt、attribute唯一性 、ID值一致等问题都增加了资源文件处理的难度。

总结

总的来说，每种方法都有自己的特色，BUCK依赖于自己强大的缓存和依赖管理系统。而LayoutCast和Instant Run相对而言采用了更灵巧的方法。相对而言，Instant Run 凭借着天然的优势（和升级后的gradle结合），可以胜LayoutCast一筹，但是LayoutCast这种想法的提出还是很赞的。目前增量的编译集中在Java文件的修改，对于Res的修改暂时好像还不支持，这在后续应该会有提升吧。

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