@Rays 2017-10-19T11:22:45.000000Z 字数 8191 阅读 2532

玩转APK：实现Android APK瘦身99.99%

语言开发

摘要： 如何瘦身是APK的重要优化技术。APK在安装和更新时都需要经过网络下载到设备，APK越小，用户体验越好。本文作者通过对APK内在机制的详细解析，给出了对APK各组成成分的优化方法及技术，并实现了一个基本APK的最小化过程。

正文：

高尔夫运动中，分数最小者胜出。

让我们将这一原则应用到Android App开发中。我们将玩转一个称为“ApkGolf”的APK，目的是创建一个尽可能具有最少字节数的App，并可安装在运行Oreo的设备上。

基线测定

一开始，我们用Android Studio生成一个缺省的App，创建密钥库（Keystore）并对App签名，然后使用命令stat -f%z $filename测定生成APK文件的字节数大小。

进一步，为确保该APK工作正常，我们将在一台运行Oreo的Nexus 5x手机上安装它。

看上去挺漂亮。但是现在我们的APK大小近乎1.5Mb。

APK Analyser

考虑到我们App的功能非常简单，1.5Mb的规模看上去过于臃肿了。因此，我们要深入了解一下该项目，看看是否有一些能立竿见影地削减文件大小的地方。Android Studio生成了：

扩展AppCompatActivity而得到的MainActivity；
使用根视图ConstraintLayout的布局文件；
Value文件，其中包含三种颜色、一个字符串资源（Resource）和一个主题（Theme）；
AppCompat和ConstraintLayout的支持库；
一个AndroidManifest.xml文件；
PNG格式的启动图标，分别是正方形、圆形和前台的。

看上去首当其冲的目标是启动图标文件，因为APK中共包含了15个图像文件，并且在mipmap-anydpi-v26下还有两个XML文件。下面，让我们使用Android Studio的APK Analyser对该APK文件做一个定量分析。

给出的结果与我们的最初假设大相径庭，其中显示Dex文件是大头，而上述资源仅占APK大小的20%。

文件	大小占比
classes.dex	74%
res	20%
resources.arsc	4%
META-INF	2%
AndroidManifest.xml	<1%

下面让我们逐个分析每个文件的行为。

Dex文件

看上去罪魁祸首是classes.dex文件，它占据了73%的空间，因而它成为我们的首要削减目标。该文件为Dex格式，其中包含了我们的全部编译后代码，以及对Android框架和支持库中外部方法的引用。

然而android.support软件包中引用了超过13000种的方法，对于一个简单的“Hello World”App而言，完全没有必要。

资源

目录“res”中包含了大量的布局（Layout）文件、Drawable和动画，它们并非在Android Studio UI中立刻可见。同样，它们也是由支持库推入其中的，约占APK规模的20%。

在resources.arsc文件中，还包含了对每个资源的引用。

签名

目录“META-INF”中包含有CERT.SF、MANIFEST.MF和CERT.RSA文件，这些文件都需要v1 APK签名。如果有攻击者修改了我们APK中的代码，签名就会不匹配。这一机制保障了用户能避免执行第三方恶意软件的风险。

在MANIFEST.MF文件中列出了APK中的所有文件。其中，CERT.SF文件中包含了文件清单的摘要，以及每个文件的独立摘要。CERT.RSA文件中包含了一个公钥，用于验证CERT.SF文件的完整性。

在签名文件中，没有目标明显可优化。

AndroidManifest文件

看上去AndroidManifest文件非常类似于我们的原始输入文件。唯一差别在于，文件中的字符串和Drawable等资源被整数资源ID所替代，这些ID以0x7F开头。

启用最小化功能（Minification）

我们尚未在App的build.gradle文件中设置允许最小化（Minification）和资源收缩（Resource Shrinking）。我们现在做此设置：

android {
    buildTypes {
        release {
            minifyEnabled true
            shrinkResources true
            proguardFiles getDefaultProguardFile(
              'proguard-android.txt'), 'proguard-rules.pro'
        }
    }
}

-keep class com.fractalwrench.** { *; }

将minifyEnabled属性设置为“true”值，这将启用Proguard，该功能将从App中剥离出那些未使用的代码，并对符号的名称做模糊化处理，使得App难以被反向工程。

设置shrinkResources属性，将会在APK中移除任何并非直接引用的资源。这时如果我们使用反射机制间接地访问资源，就会导致问题，但是本文给出的App并不存在这样的问题。

优化为786 Kb（削减50%）

我们已经实现了APK规模减半，并未对我们的APP有任何可见的影响。

对于那些尚未在App中启用minifyEnabled和shrinkResources的开发人员，这是本文给出的最需要重视的并应学会的技巧。他们仅花费数小时做配置和测试，就能轻松地削减数兆的规模。

我们尚未了解AppCompat的工作机制

现在classes.dex文件已削减到占用APK的57%。在我们的Dex文件中，大多数方法引用属于android.support软件包，因此我们将要去除该支持库。具体做法为：

从build.gradle中彻底清除依赖块。

dependencies {
    implementation 'com.android.support:appcompat-v7:26.1.0'
    implementation 'com.android.support.constraint:constraint-layout:1.0.2'
}

更新MainActivity，以扩展android.app.Activity。

public class MainActivity extends Activity

更新布局，使用单一的TextView。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<TextView xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    android:gravity="center"
    android:text="Hello World!" />

删除styles.xml文件，并从AndroidManifest文件的<application>元素中移除android:theme属性。
删除colors.xml文件。
在gradle同步时做50次上推（push-up）。

优化为108 Kb（削减87%）

天哪，我们刚刚实现了近十倍的削减，即从786Kb削减到108Kb。唯一可见的更改是工具条（Toolbar）的颜色，现在它使用了缺省的OS主题。

目录“res”现在占用APK规模约95%，原因是所有的加载图标。如果这些PNG图片是由我们自己的设计师所给出的，那么我们可以尝试将它们转换为WebP格式，该格式更加高效，并被API 15及以上所支持。

幸运的是，Google已经优化了我们的Drawable。即便没有这种优化，ImageOptim也可优化PNG并从中剥离不必要的元数据。

让我们当一次坏人，将我们所有的加载图标替换为单一的单像素黑点，并置于未验证的res/drawable目录中。图片大小约67个字节。

优化为6808字节（削减94%）

我们已经移除了几乎全部的资源，因此毫不奇怪APK规模已经削减了约95%。但是resources.arsc依然引用了如下项：

一个布局文件；
一个字符串资源；
一个调用图标。

让我们从第一项着手。

布局文件（优化为6262字节，削减9%）

Android框架会膨胀我们的XML文件，并自动创建一个TextView对象，用于Activity对象的contentView。

我们可以尝试一些跳过中间的过程，具体做法是移除XML文件，并使用程序设置contentView。这样会降低资源的规模，因为我们减少了一个XML文件。但是Dex文件将会增大，因为我们引用了额外的TextView方法。

TextView textView = new TextView(this);
textView.setText("Hello World!");
setContentView(textView);

让我们查看一下这一权衡做法的工作情况，它削减了5710个字节。

App名称（优化为6034字节，削减4%）

下面我们将删除strings.xml文件，并将AndroidManifest中的android:label属性值更改为“A”。这看上去是一个小更改，但是它从resources.arsc中删除了一项，削减了Manifest文件中的字符数，并从“res”目录中移除了一个文件。略有裨益，我们削减了228个字节。

加载图标（优化为5300字节，削减13%）

Android Platform代码库中的resources.arsc的文档告诉我们，APK中的每个资源通过resources.arsc中的一个整数ID引用。这些ID具有两个命名空间（Namespace）：

0x01: 系统资源（预装在framework-res.apk中）；
0x7f: 应用资源（捆绑在应用的.apk文件中）。

那么如果在0x01命名空间中引用了一个资源，我们的APK发生了什么？我们应该可以在削减文件规模的同时，得到一个更漂亮的图标。

android:icon="@android:drawable/btn_star"

虽然文档是这样说的，但是在一个生产App中，我们应该保持“永远不要信任系统资源”这一原则。该步骤会导致Google Play验证失败，而且考虑到我们知道某些制造商已经重定义了白色，因此在具体操作时需要慎重。

Manifest文件（优化为5252字节，削减1%）

目前为止，我们尚未对Manifest文件下手。

android:allowBackup="true"
android:supportsRtl="true"

移除这些属性将会削减48个字节。

防止破解（优化为4984字节，削减5%）

看上去Dex文件中依然包括BuildConfig和R。

-keep class com.fractalwrench.MainActivity { *; }

如果我们精炼Proguard规则，就会清除掉这些类。

命名混淆（优化为4936字节，削减1%）

现在对我们的Activity赋予一个混淆后的名字。对于正常类，Proguard可自动实现混淆功能，但是考虑到Activity类名会通过Intents唤醒，因此缺省情况下不要混淆Activity的名字。

MainActivity -> c.java
com.fractalwrench.apkgolf -> c.c

META-INF（优化为3307字节，削减33%）

当前在App签名中，我们使用了v1和v2签名。看上去这完全是浪费，尤其是v2会对整个APK做哈希，提供了更高级的保护能力和性能。

在APK Analyser中，v2签名并不可见，因为它在APK文件本身中以二进制块的形式存在。v1签名是可见的，它是以CERT.RSA and CERT.SF文件的形式给出。

Android Studio UI中提供了v1签名的复选框，我们需要去除该选择，并生成一个签名的APK。我们也需要做相反的过程。

签名	大小（字节）
v1	3511
v2	3307

看上去从此以后我们使用的是v2。

下面的操作将无需IDE的支持

现在我们要手工编辑我们的APK了。我们将使用如下命令：

# 1. 创建一个未签名的APK。
./gradlew assembleRelease
# 2. 解压缩归档文件。
unzip app-release-unsigned.apk -d app
# 对文件进行编辑。
# 3. 压缩归档文件
zip -r app app.zip
# 4. 运行zipalign。
zipalign -v -p 4 app-release-unsigned.apk app-release-aligned.apk
# 5. 使用v2签名运行apksigner。
apksigner sign --v1-signing-enabled false --ks $HOME/fake.jks --out signed-release.apk app-release-unsigned.apk
# 6. 验证签名。
apksigner verify signed-release.apk

此链接详细概述了APK签名过程。总而言之，gradle生成了一个未签名的归档文件，zipalign更改了未压缩资源的字节对齐方式，用于改进加载APK时的RAM使用，最后APK将被加密签名。

未签名且未对齐的APK大小为1902字节，这意味着签名和对齐过程增加了约1 Kb。

文件大小差异（优化为2608字节，削减21%）

很奇怪！我们对未对齐的APK解压缩并手工签名，并手动移除了META-INF/MANIFEST.MF，这削减了543字节。如果有人知道原因，请告诉我！

现在我们的签名APK中只有三个文件，当然还可以去除resources.arsc，因为我们并未定义任何资源！

这将使我们仅保留Manifest和classes.dex文件，两个文件大小相当。

压缩破解（Compression Hack）（优化为2599个字节，削减0.5%）

让我们将剩余的字符串都更改为‘c’，更新版本为26，然后生成一个签名的APK。

compileSdkVersion 26
    buildToolsVersion "26.0.1"
    defaultConfig {
        applicationId "c.c"
        minSdkVersion 26
        targetSdkVersion 26
        versionCode 26
        versionName "26"
    }

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    package="c.c">
    <application
        android:icon="@android:drawable/btn_star"
        android:label="c"
        >
        <activity android:name="c.c.c">

这将削减9个字节。

尽管文件中的字符数并未改变，但是我们更改了‘c’字符的频次。这使得压缩算法可以进一步降低文件的大小。

你好，ADB（优化到2462字节，削减5%）

通过移除```Activity````的Launch Intent Filter，我们可以进一步优化Manifest。此后，我们将使用如下命令加载App：

adb shell am start -a android.intent.action.MAIN -n c.c/.c

下面给出新的Manifest文件：

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    package="c.c">
    <application>
        <activity
            android:name="c"
            android:exported="true" />
    </application>
</manifest>

我们还移除了加载图标。

削减方法引用（优化为2179字节，削减12%）

我们最初需求是生成一个可安装在设备上的APK。现在是运行“Hello World”的时候了。

我们的App引用了TextView、Bundle和Activity中的方法。通过移除Activity，并替换为用户定义的Application类，我们可以进一步削减Dex文件大小。现在我们的Dex文件应该仅引用了单一的方法，即Application的构造函数。

现在我们的源文件如下：

package c.c;
import android.app.Application;
public class c extends Application {}

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    package="c.c">
    <application android:name=".c" />
</manifest>

我们可以使用adb验证该APK是可以成功安装的，也可以通过Setting App做验证。

Dex优化（优化为1961字节，削减10%）

在此次优化中，我花费了多个小时研究Dex文件格式，意在了解诸如校验码和偏移量等各种机制，它们是手工编辑文件中的难点。

但是长话短说，被我证实的是，只要存在classes.dex文件，APK文件就能安装。因此，只要简单地删除原始文件并在终端运行touch classes.dex，使用这一空文件就能获得近10%的规模削减。

有时看上去最愚蠢的方法反而最有效。

理解Manifest文件（优化为1961字节，削减0%）

非签名APK中的Manifest文件是二进制的XML格式，该格式看上去并没有官方的文档。我们可以使用HexFiend编译器去修改文件内容。

我们可以猜测出位于文件头部的数个感兴趣项。头四个字节编码了38，是与Dex文件所使用的版本相同。随后的两个字节编码为660，这无疑是文件的大小。

下面，我们尝试通过设置targetSdkVersion为1并更新文件大小头部为659，去删除一个字节。不幸的是，Android系统拒绝了这个非法的APK，因此看上去这里另有玄机。

无需理解Manifest文件（优化为1777字节，削减9%）

下面我们让我们对整个文件输入虚字符，然后在不更改文件大小的情况下尝试安装APK。这将确定校验码是否发挥作用，以及更改是否使得文件头部的偏移值失效。

令人惊奇的是，下图的Manifest文件被解释为一个有效的APK，可运行在运行Oreo的Nexus 5X手机上：

我想我听到了负责维护BinaryXMLParser.java的Android Framework工程师对着枕头在大声尖叫。

为最大化收益，我们将使用空字节（Null）替换这些虚字符。这可使简化使用HexFiend查看文件的重要部分，也将使前期的压缩破解可削减一些字节。

UTF-8格式的Manifest文件

下图给出了一些Manifest文件中的重要成分。如果没有这些成分，APK将会安装失败。

一些事情即刻是很明显的，例如Manifest文件和软件包标记。在字符串池中还可以找到软件包名称和versionCode。

十六进制的Manifest文件

以十六进制查看文件可显示文件头部的值，这些值描述了字符串池及其它值，例如0x9402是文件的大小。字符串也具有一种有意思的编码。如果字段超出了8个字节，它们的总长度将在随后的两个字节中指定。

但是，看上去我们并不能从中做更进一步的削减。

大功告成？（优化为1757字节，削减1%）

让我们查看一下最终的APK。

终归，我们使用v2签名在APK中留名。让我们创建一个利用压缩破解的新密钥库。

这可削减20个字节。

第五阶段：最终采纳

现在的1757个字节是相当的小。据我所知，这是最小的现有APK。

但是我完全有理由确信，Android社区中会有人能再做进一步的优化，并打破我的记录。如果你设法打破了1757个字节的记录，请向这个放置最小APK的代码库发送一个PR，或者通过Twitter联系我。

感谢观看

我希望读者能喜欢这一了解Android APK内在机制的过程。如果有任何问题、反馈或是想对我的撰写主题给出建议，请通过Twitter联系我！

查看英文原文： Playing APK Golf: Reducing an Android APK's size by 99.99%