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为什么在Android使用ClassLoader.getResourceAsStream会如此影响性能

3140次阅读  |  发布于5年以前

通过对 NimbleDroid 进行各种各样的分析，我们找到一些可能会让 Android 应用性能，应用启动速度和响应时间受到较大负面影响的陷阱。而 ClassLoader.getResourceAsStream() 就是其中之一，该方法允许应用访问给定名称的对应资源。在 Java 开发中，这个方法很常用，但它在 Android 开发中真的不推荐使用，因为该方法会在应用首次调用它时对性能造成很大的负面影响。我们分析了大量的 App 和 SDK，结果显示：超过 10% 的 App 和 20% 的 SDK 都因为这个方法性能显著下降。这里面到底发生了什么呢？想知道的话就向下读吧！

具体例子

Amazon 的 Kindle App Android 端，作为拥有数百万下载数的超级应用，却因为这个方法的使用造成了 1315ms 的延迟。（分析版本是 Kindle 4.15.0.48）

TuneIn 13.6.1 则是 1447ms 的延迟，在 TuneIn 中，应用调用了该方法两次，但第二次调用的速度显然快多了（6ms）。

下面是因为该方法性能受到影响的应用：

重要的事情说三遍：

在我们分析的应用中，超过 10% 的应用都遇到了这个问题。
在我们分析的应用中，超过 10% 的应用都遇到了这个问题。
在我们分析的应用中，超过 10% 的应用都遇到了这个问题。

调用 getResourceAsStream 方法的 SDK

为简短起见，我们用与某些确切的 Service 关联的库（例如 Amazon 的 AWS）和那些没有的库（例如 Joda-Time）的 SDK 去参考该方法对性能的影响。

通常情况下，开发者不会直接调用 getResourceAsStream 方法，相反，该方法是由开发者使用的部分 SDK 调用的。由于开发者一般不会在意 SDK 的内部实现，因此他们也很难注意到他们开发的应用会存在这样的问题。

下面我列出部分调用了 getResourceAsStream 方法的常用 SDK：

总的来说，在我们分析的 SDK 中，超过 20% 的 SDK 都存在这个问题 - 上面这张列表只列出其中一小部分 SDK，因为全列出来的话文章会变得很长很长很长……那为什么 getResourceAsStream 方法会在这么多 SDK 中被调用？它有什么特别的优势么？答案是：getResourceAsStream 方法在 Android 以外的平台使用时性能表现都很不错，然而在 Android 中并不是这样。因此，由于许多 Android 程序员都是 Java 程序员转行的，而且这些人在开发时更倾向使用一些以前用过的库，因此他们开发出来的 Android 应用/库就受到此问题的影响了。

为什么 getResourceAsStream 在 Android 中性能表现如此糟糕？

那么很多人可能会问了，为什么这个方法到了 Android 就显得如此水土不服？我们团队在进行深入调查后发现，当它在 Android 中第一次被调用，Android 执行了三个非常慢的操作：

  1. 将 APK 文件作为 zip 文件打开，并索引所有 zip 表项
  2. 再一次执行 1 的操作
  3. 验证 APK 签名是否符合规范

不得不说，这些操作都是非常非常非常耗时的，而且需要的时间与应用的大小正相关。例如，20MB 的 APK 会有 1-2 秒的延迟，我们会利用 Appendix 更好地描述我们的调查结果。

建议：避免调用 ClassLoader.getResource() 方法，而是使用 Android 的 Resources.get(resId) 方法

建议：搜索你的代码看看有没有 SDK 调用了 ClassLoader.getResource*() 方法，有的话把它们全换了，如果你懒的换，就让这些代码在子线程中执行

*现在就去检查你的应用是否因为 ClassLoader.getResource() 方法影响性能！**

我们是怎么在 getResourceAsStream 方法中找到这些操作的？

为了完全理解这个问题，得分析实际的代码。此次分析使用的是 AOSP android-6.0.1_r11 的分支，看的代码是 ClassLoader 类的代码：

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;
}```

代码要完成的工作简单直观：先找到资源的路径，如果不为空，就为它打开一个流。在此次分析中，路径是 java.net.URL 类，该类有 openStream() 方法。

现在来检查 getResource() 方法的实现：

```java
public URL getResource(String resName) {
    URL resource = parent.getResource(resName);
    if (resource == null) {
        resource = findResource(resName);
    }
    return resource;
}```

还是很正常，那继续看 findResource(resName) 方法：

```java
protected URL findResource(String resName) {
    return null;
}```

在这里我们发现 findResource(resName) 方法并没有被实现。ClassLoader 是一个抽象类，因此我们需要找到真正实现了相关方法的，在应用中被使用的子类。如果我们去翻阅 Android 文档，我们会看到 Android 提供了几个具体的实现类，而 PathClassLoader 就是通常我们使用的那一个。

既然如此，为了判断到底使用了哪个 ClassLoader，我们就进入 AOSP 看看源码中到底是哪个 ClassLoader 调用了 getResourceAsStream 和 getResource 方法：

```java
public InputStream getResourceAsStream(String resName) {
  try {
      Logger.getLogger("NimbleDroid RESEARCH").info("this: " + this);
      URL url = getResource(resName);
      if (url != null) {
          return url.openStream();
      }
      ...
}

果然，Log 显示的是 dalvik.system.PathClassLoader。然而，检查 PathClassLoader 的方法会发现，并没有
findResource 方法的实现。这是因为 findResource() 方法被 PathClassLoader 类的父类 - BaseDexClassLoader 实现了。

/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/BaseDexClassLoader.java:

@Override
protected URL findResource(String name) {
    return pathList.findResource(name);
}```

让我们看看 pathList 是啥：

```java
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);
  }```

那 DexPathList 是什么呢？

/libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
```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 {
Let’s check out 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 里的一个静态内部类，不妨看看它的代码：

```java
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);
  }
}```

我们知道 APK 文件实质上就是 zip 文件，那么：

```java
if (zipFile == null || zipFile.getEntry(name) == null) {
We try to find ZipEntry by a given name. If we do this successfully, we return the corresponding URL. This can be a slow operation, but if we check the implementation of getEntry, we see that it’s just iterating over 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;
  }```

这并不是特别快的操作，但它也不能耗时过长。

但我们忘了一件事 - 使用 zip 文件前，应该先打开它。回顾 DexPathList.Element.findResource() 方法的实现，你会注意到 maybeInit() 方法的调用，不妨看看它做了什么：

```java
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;
  }
}```

看到这行代码了么：

```java
zipFile = new ZipFile(zip);```

打开 zip 文件：

```java
public ZipFile(File file) throws ZipException, IOException {
    this(file, OPEN_READ);
}```

构造器初始化一个名为 entries 的 LinkedHashMap 对象（为了了解更多有关 Zip 文件的内部结构，不妨看[这里](https://android.googlesource.com/platform/libcore/+/android-6.0.1_r21/luni/src/main/java/java/util/zip/ZipFile.java))。很显然，随 APK 文件体积变大，打开 zip 文件需要的时间也增多。

到现在为止，我们找到了导致 getResourceAsStream 如此慢的第一个原因。如果我们将源码改为下面这样：

```java
  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;
      }
      ...

我们就会发现对 zip 文件的操作并不是 getResourceAsStream 方法造成延迟的罪魁祸首：因为 url.openStream() 花费的时间比 getResource() 多多了，不妨继续研究源码：

追踪 url.openStream() 方法的调用栈，会进入 /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);
}```

不妨先看看 connect() 方法

```java
@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;
    }
}```

看起来没啥特别的，深入里面的子方法看看吧：

```java
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();
    }
}```

调用 getUseCaches() 方法应该返回 true，因为：

```java
public abstract class URLConnection {
...
  private static boolean defaultUseCaches = true;
  ...
Let’s look at the openJarFile() method:

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 {
    ...

如你所见，在该方法内我们打开了 Jar 文件，而不是 Zip 文件。然而，JarFile 是 ZipFile 的子类。所以我们找到了影响 getResourceAsStream 方法性能的第二个原因 - Android 需要再次将 APK 文件作为 Zip 文件打开，并索引所有表项。

将 APK 文件作为 Zip 文件打开两次相当于将这部分时间开销加倍，此时对性能的影响就会变得明显了。然而，这部分开销仍然不足以造成 getResourceAsStream 方法的性能总开销，不妨看看 JarFile 的构造方法：


/**
 * 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);
    }
}```

现在我们找到第三个影响性能的操作，所有 APK 文件都被签名，因此 JarFile 会执行验证路径。该验证进程要花费的时间非常长。但这部分的研究已经超出了本文的讨论范围，如果你想了解的话不妨看[这里](https://android.googlesource.com/platform/libcore/+/android-6.0.1_r21/luni/src/main/java/java/util/jar/)。

##总结

总的来说，ClassLoader.getResourceAsStream 之所以慢，是因为这三个操作：

1. 将 APK 文件作为 zip 文件打开，并索引所有 zip 表项
2. 再一次执行 1 的操作
3. 验证 APK 签名是否符合规范

###其他问题

**Q: ClassLoader.getResource*() 在 Dalvik 和 ART 上都很慢吗?**

A: 是的。我们分析了 使用 ART 的 android-6.0.1_r11 和使用 Dalvik 的 android-4.4.4_r2，结果都是一样的。

**Q: 为什么 ClassLoader.findClass() 没有性能的影响?**

A: Android 在安装 APK 时就已经从 APK 文件中解压了 DEX 文件，因此，不需要额外的将 APK 作为 Zip 文件或 Jar 文件打开的操作以找到一个类文件。

如果我们进入 DexPathList 类会看到：

```java
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;
}```

并没有 Zip 文件或 Jar 文件相关的操作

**Q: 为什么 Android 提供的 Resources.get*(resId) 方法没有这个问题?**

A: Android 拥有自己的索引和加载资源的方式，避免了 Zip 文件和 Jar 文件操作的开销。

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