实现Android APK瘦身99.99%

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)

(https://developer.android.com/studio/publish/app-signing.html#generate-key)

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);
  • AppCompatConstraintLayout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

(https://developer.android.com/studio/build/apk-analyzer.html)

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

(https://source.android.com/devices/tech/dalvik/dex-format) ,

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%。

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.SFMANIFEST.MFCERT.RSA文件,这些文件都需要 v1 APK 签名

(https://source.android.com/security/apksigning/v2#v1-verification) 。

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。

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.** { *; }

minifyEnabled属性设置为“true”值,这将启用 Proguard

(https://www.guardsquare.com/en/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AndroidManifest.xmlshrinkResources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:

  • 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

(https://developer.android.com/reference/android/view/LayoutInflater.html) ,

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

(https://android.googlesource.com/platform/frameworks/native/+/jb-dev/libs/utils/README)

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

(https://www.reddit.com/r/androiddev/comments/71fpru/android_color_resources_not_safe/),

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BuildConfigR

-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

(https://source.android.com/security/apksigning/#apk-signing-schemes)。

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.RSACERT.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TextViewBundleActivity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

(https://github.com/ridiculousfish/HexFiend) 。

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。

查看英文原文:

https://fractalwrench.co.uk/posts/playing-apk-golf-how-low-can-an-android-app-go/

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