Android 预加载类分段优化分析

本文档详细分析 Amlogic 提供的预加载类分段优化 patch (PD#SWPL-135363)，包括其在 Android 启动流程中的位置、原始实现、问题分析及优化方案。

1. 优化概述

1.1 Patch 信息

项目	内容
问题编号	PD#SWPL-135363
作者	Yan Fang1 yan.fang1@amlogic.com
日期	2024-12-12
验证平台	Android U (Android 14)

1.2 优化目标

将 Zygote 启动时的预加载类 (preloaded-classes) 分成两部分：

早期预加载类 (preloaded-classes-early): 约 123 个耗时较长的关键类
延迟预加载类 (preloaded-classes): 其余约 6000+ 个资源消耗较少的类

2. 在启动流程中的位置

根据 ANDROID_BOOT_PROCESS.md，此优化发生在 Zygote 进程启动阶段：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  启动流程                                                                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  1. Bootloader (BL1→BL2→BL31→BL33/U-Boot)     ~2.2s                        │
│  2. Linux Kernel 启动                          ~0.2s                        │
│  3. Init 进程 (First Stage + Second Stage)    ~5.8s                        │
│  4. Zygote 进程启动  ←← 【优化发生在这里】      ~1.0s                        │
│     ├── 创建 Java 虚拟机 (ART)                                              │
│     ├── 预加载 Java 类  ←← 【核心优化点】                                    │
│     ├── 预加载资源                                                          │
│     └── 创建 Socket 监听                                                    │
│  5. SystemServer 进程启动                      ~8.0s                        │
│  6. Launcher 启动                              ~2.8s                        │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

2.1 Zygote 启动详细流程

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    app_process64 启动                            │
│                    (由 init 通过 init.zygote64.rc 启动)           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  ZygoteInit.main()                                               │
│  ├── RuntimeInit.preForkInit()                                   │
│  ├── 【原始】preload()  ←← 一次性加载所有类                        │
│  │   或                                                          │
│  ├── 【优化后】firstpreload()  ←← 先加载 early 类                 │
│  │       └── preloadClasses(PRELOADED_CLASSES_EARLY)             │
│  ├── 【优化后】preload()  ←← 再加载剩余类                         │
│  │       └── preloadClasses(PRELOADED_CLASSES)                   │
│  ├── gcAndFinalize()                                             │
│  ├── Zygote.initNativeState()                                    │
│  └── forkSystemServer()                                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

3. 原始实现分析

3.1 关键代码位置

frameworks/base/
├── core/java/com/android/internal/os/
│   └── ZygoteInit.java          # Zygote Java 入口，预加载逻辑
├── config/
│   └── preloaded-classes        # 预加载类列表 (约 6000+ 类)

3.2 原始 preload() 方法

文件: frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java

java

// 原始实现 (AOSP)
static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
    Log.d(TAG, "begin preload");
    bootTimingsTraceLog.traceBegin("BeginPreload");
    beginPreload();
    bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // BeginPreload

    // 【耗时操作】一次性加载所有 6000+ 个类
    bootTimingsTraceLog.traceBegin("PreloadClasses");
    preloadClasses();  // 读取 /system/etc/preloaded-classes
    bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // PreloadClasses

    bootTimingsTraceLog.traceBegin("CacheNonBootClasspathClassLoaders");
    cacheNonBootClasspathClassLoaders();
    bootTimingsTraceLog.traceEnd();

    bootTimingsTraceLog.traceBegin("PreloadResources");
    preloadResources();  // 预加载 Drawable、ColorStateList 等
    bootTimingsTraceLog.traceEnd();

    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadAppProcessHALs");
    nativePreloadAppProcessHALs();
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadGraphicsDriver");
    maybePreloadGraphicsDriver();
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

    preloadSharedLibraries();  // 加载 libandroid.so, libjnigraphics.so
    preloadTextResources();    // 初始化 Hyphenator, FontCache
    WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();

    endPreload();
    warmUpJcaProviders();
    Log.d(TAG, "end preload");

    sPreloadComplete = true;
}

3.3 原始 preloadClasses() 方法

java

private static final String PRELOADED_CLASSES = "/system/etc/preloaded-classes";

private static void preloadClasses() {
    final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();

    InputStream is;
    try {
        is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);
    } catch (FileNotFoundException e) {
        Log.e(TAG, "Couldn't find " + PRELOADED_CLASSES + ".");
        return;
    }

    Log.i(TAG, "Preloading classes...");
    long startTime = SystemClock.uptimeMillis();

    // 降低权限
    // ...

    try {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is),
                                               Zygote.SOCKET_BUFFER_SIZE);
        int count = 0;
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            line = line.trim();
            if (line.startsWith("#") || line.equals("")) {
                continue;
            }

            Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, line);
            try {
                // 【核心】使用 Class.forName 加载并初始化类
                Class.forName(line, true, null);
                count++;
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ...
            }
            Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);
        }

        Log.i(TAG, "...preloaded " + count + " classes in "
                + (SystemClock.uptimeMillis() - startTime) + "ms.");
    } catch (IOException e) {
        Log.e(TAG, "Error reading " + PRELOADED_CLASSES + ".", e);
    } finally {
        IoUtils.closeQuietly(is);
        runtime.preloadDexCaches();
        // 恢复权限
    }
}

3.4 原始 main() 方法调用流程

java

public static void main(String[] argv) {
    // ...

    if (abiList == null) {
        throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
    }

    // 【原始】直接调用 preload，一次性加载所有内容
    if (!enableLazyPreload) {
        bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
        EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                SystemClock.uptimeMillis());
        preload(bootTimingsTraceLog);  // ←← 一次性加载所有 6000+ 类
        EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                SystemClock.uptimeMillis());
        bootTimingsTraceLog.traceEnd();
    }

    // ...
}

4. 问题分析

4.1 问题描述

问题: 预加载类耗时过长，特别是在启用 lazy preload 时，会导致 VisitClasses() 在 ZygoteFork 时花费约 3.5 秒。

4.2 问题根因

类加载顺序不优化
- 原始实现按文件顺序加载所有类
- 部分类初始化时间特别长（涉及 Native 库、复杂静态初始化）
- 这些耗时类分散在列表各处
Lazy Preload 的副作用
- 当启用 --enable-lazy-preload 时，类加载推迟到 fork 之后
- VisitClasses() 需要遍历所有已加载的类
- 如果关键类没有提前加载，fork 时的类遍历会非常慢
内存和 COW 影响
- Zygote fork 子进程使用 Copy-On-Write (COW) 机制
- 未预加载的类在子进程中加载时触发 COW
- 导致内存使用增加和启动变慢

4.3 耗时类示例

部分初始化耗时较长的类：

类名	耗时原因
`android.graphics.Typeface`	字体解析、Native 库加载
`android.graphics.FontFamily`	字体系统初始化
`android.icu.impl.*`	ICU 国际化库数据加载
`android.media.MediaRouter`	媒体路由服务连接
`android.provider.Settings$*`	数据库查询、缓存初始化
`android.app.SystemServiceRegistry`	系统服务注册表构建

5. 优化方案详解

5.1 优化策略

核心思想: 将预加载类分为两批，先加载耗时的关键类，再加载其余类。

原始流程:
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│  preload()                                          │
│  └── preloadClasses()  [6000+ 类，一次性加载]        │
│      ├── android.app.Activity                       │
│      ├── android.app.ActivityThread  ←← 耗时        │
│      ├── android.graphics.Typeface   ←← 耗时        │
│      ├── ...                                        │
│      └── java.util.Scanner           ←← 耗时        │
└────────────────────────────────────────────────────┘

优化后流程:
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│  firstpreload()  【新增，在 preload 之前调用】        │
│  └── preloadClasses(PRELOADED_CLASSES_EARLY)        │
│      ├── android.app.ActivityThread  ←← 耗时类      │
│      ├── android.graphics.Typeface   ←← 耗时类      │
│      ├── android.icu.impl.*          ←← 耗时类      │
│      └── ... (共 123 个关键类)                      │
├────────────────────────────────────────────────────┤
│  preload()  【修改，只加载剩余类】                    │
│  └── preloadClasses(PRELOADED_CLASSES)              │
│      └── ... (约 5900+ 个普通类)                    │
└────────────────────────────────────────────────────┘

5.2 修改的文件

文件	修改内容
`frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java`	新增 `firstpreload()` 方法，修改 `preloadClasses()` 参数
`frameworks/base/config/preloaded-classes`	移除早期加载的 83 个类
`frameworks/base/config/preloaded-classes-early`	新增，包含 123 个关键类
`build/make/target/product/base_system.mk`	添加复制 `preloaded-classes-early` 到系统

6. 代码变更对比

6.1 ZygoteInit.java 变更

6.1.1 新增常量

java

// 原有
private static final String PRELOADED_CLASSES = "/system/etc/preloaded-classes";

// 新增
private static final String PRELOADED_CLASSES_EARLY = "/system/etc/preloaded-classes-early";

6.1.2 新增 firstpreload() 方法

java

// 【新增】早期预加载方法
static void firstpreload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
    Log.d(TAG, "begin preload");
    bootTimingsTraceLog.traceBegin("BeginPreload");
    beginPreload();
    bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // BeginPreload

    // 【关键】先加载耗时的关键类
    bootTimingsTraceLog.traceBegin("PreloadClassesEarly");
    preloadClasses(PRELOADED_CLASSES_EARLY);  // 加载 123 个关键类
    bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // PreloadClasses

    bootTimingsTraceLog.traceBegin("CacheNonBootClasspathClassLoaders");
    cacheNonBootClasspathClassLoaders();
    bootTimingsTraceLog.traceEnd();

    bootTimingsTraceLog.traceBegin("PreloadResources");
    preloadResources();
    bootTimingsTraceLog.traceEnd();

    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadAppProcessHALs");
    nativePreloadAppProcessHALs();
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_DALVIK, "PreloadGraphicsDriver");
    maybePreloadGraphicsDriver();
    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_DALVIK);

    preloadSharedLibraries();
    preloadTextResources();
    WebViewFactory.prepareWebViewInZygote();

    sPreloadComplete = true;
}

6.1.3 修改 preload() 方法

java

// 【修改后】只负责加载剩余的普通类
static void preload(TimingsTraceLog bootTimingsTraceLog) {
    bootTimingsTraceLog.traceBegin("PreloadClasses");
    preloadClasses(PRELOADED_CLASSES);  // 加载剩余的 5900+ 类
    bootTimingsTraceLog.traceEnd(); // PreloadClasses
}

6.1.4 修改 preloadClasses() 方法签名

java

// 原有
private static void preloadClasses() {
    // ...
    is = new FileInputStream(PRELOADED_CLASSES);
    // ...
}

// 修改后：添加 path 参数
private static void preloadClasses(String path) {
    final VMRuntime runtime = VMRuntime.getRuntime();

    InputStream is;
    try {
        is = new FileInputStream(path);  // 使用传入的路径
    } catch (FileNotFoundException e) {
        Log.e(TAG, "Couldn't find " + path + ".");
        return;
    }

    // ... 其余逻辑不变
}

6.1.5 修改 main() 方法调用顺序

java

public static void main(String[] argv) {
    // ...

    if (abiList == null) {
        throw new RuntimeException("No ABI list supplied.");
    }

    // 【新增】先执行早期预加载
    firstpreload(bootTimingsTraceLog);

    // 【修改】再执行剩余类加载
    if (!enableLazyPreload) {
        bootTimingsTraceLog.traceBegin("ZygotePreload");
        EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_START,
                SystemClock.uptimeMillis());
        preload(bootTimingsTraceLog);  // 现在只加载剩余类
        EventLog.writeEvent(LOG_BOOT_PROGRESS_PRELOAD_END,
                SystemClock.uptimeMillis());
        bootTimingsTraceLog.traceEnd();
    }

    // ...
}

6.2 base_system.mk 变更

makefile

# 原有
PRODUCT_COPY_FILES += $(call add-to-product-copy-files-if-exists,\
    frameworks/base/config/preloaded-classes:system/etc/preloaded-classes)

# 新增
PRODUCT_COPY_FILES += $(call add-to-product-copy-files-if-exists,\
    frameworks/base/config/preloaded-classes-early:system/etc/preloaded-classes-early)

7. 预加载类分类

7.1 早期预加载类列表 (preloaded-classes-early)

共 123 个类，主要包括：

7.1.1 核心 Framework 类

android.app.ActivityThread
android.app.AppOpsManager
android.app.ContextImpl$ApplicationContentResolver
android.app.DisabledWallpaperManager
android.app.Notification$Builder
android.app.SystemServiceRegistry
android.app.admin.DevicePolicyManager

7.1.2 图形系统类

android.graphics.FontFamily
android.graphics.Typeface
android.graphics.Rect$UnflattenHelper
android.graphics.drawable.GradientDrawable$Orientation

7.1.3 ICU 国际化类

android.icu.impl.CaseMapImpl
android.icu.impl.DayPeriodRules
android.icu.impl.IDNA2003
android.icu.impl.JavaTimeZone
android.icu.impl.LocaleDisplayNamesImpl
android.icu.impl.Norm2AllModes$NFCSingleton
android.icu.impl.Norm2AllModes$NFKCSingleton
android.icu.impl.Norm2AllModes$NFKC_CFSingleton
android.icu.impl.StaticUnicodeSets
android.icu.impl.UCharacterName
android.icu.impl.UTS46
android.icu.impl.coll.CollationBuilder
android.icu.impl.coll.CollationRoot
android.icu.impl.locale.KeyTypeData
android.icu.impl.locale.LocaleDistance
android.icu.impl.locale.XLikelySubtags
android.icu.text.AnyTransliterator

7.1.4 媒体相关类

android.media.CamcorderProfile
android.media.ExifInterface
android.media.MediaRouter
android.media.SoundPool
android.media.audiofx.AudioEffect
android.media.session.MediaSessionLegacyHelper

7.1.5 系统设置类

android.provider.Settings$Global
android.provider.Settings$Secure
android.provider.Settings$System

7.1.6 硬件相关类

android.hardware.SyncFence
android.hardware.camera2.DngCreator
android.hardware.camera2.utils.SurfaceUtils
android.hardware.location.ActivityRecognitionHardware
android.hardware.soundtrigger.SoundTrigger

7.1.7 Telephony 类

com.android.internal.telephony.BaseCommands
com.android.internal.telephony.GsmAlphabet
com.android.internal.telephony.metrics.ImsStats

7.1.8 Java 核心类

java.lang.Error
java.time.zone.IcuZoneRulesProvider$ZoneRulesCache
java.util.Scanner
java.util.prefs.AbstractPreferences

7.2 从 preloaded-classes 移除的类

这 123 个类（实际从原列表移除约 83 行，因为有些类在原列表中不存在）从主列表移动到早期列表，避免重复加载。

8. 性能影响分析

8.1 优化效果

指标	优化前	优化后	改善
VisitClasses() 耗时	~3.5s	< 1s	~70% 减少
Zygote fork 时间	较长	更短	显著改善
首次 App 启动时间	较长	更短	改善

8.2 优化原理

关键路径优化
- 将耗时类提前加载，避免 fork 时的阻塞
- 减少 VisitClasses() 的等待时间
内存共享优化
- 关键类在 Zygote 中提前初始化
- fork 后的子进程直接共享这些类的内存
- 减少 COW 触发次数
并行化潜力
- 分段加载允许未来进一步优化
- 可以在等待 I/O 时并行执行其他初始化

8.3 适用场景

嵌入式设备: 内存和 CPU 资源有限的设备
电视盒子: 需要快速启动到桌面
低端手机: 减少启动黑屏时间

9. 如何应用此 Patch

9.1 Patch 文件列表

0023/
├── build#make#0001.patch           # build/make 仓库的修改
├── frameworks#base#0001.patch      # frameworks/base 仓库的修改
└── preloaded-classes               # 完整的预加载类列表 (可选参考)

9.2 应用步骤

步骤 1: 应用 frameworks/base patch

bash

cd frameworks/base
git apply /path/to/0023/frameworks#base#0001.patch

步骤 2: 应用 build/make patch

bash

cd build/make
git apply /path/to/0023/build#make#0001.patch

步骤 3: 验证文件

bash

# 确认新文件已创建
ls frameworks/base/config/preloaded-classes-early

# 确认 preloaded-classes 已修改
wc -l frameworks/base/config/preloaded-classes
# 应该比原来少约 83 行

步骤 4: 重新编译

bash

source build/envsetup.sh && lunch ross-userdebug && make -j16

9.3 验证优化效果

bash

# 查看启动日志
adb logcat -b events | grep -E "boot_progress|preload"

# 查看 Zygote 预加载时间
adb logcat | grep -E "Zygote|preload"

# 使用 bootchart 分析
adb shell 'touch /data/bootchart/enabled'
adb reboot
# 收集 bootchart 数据进行分析

附录：关键代码路径参考

文件	路径	说明
ZygoteInit.java	`frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java`	Zygote 主类
preloaded-classes	`frameworks/base/config/preloaded-classes`	预加载类列表
preloaded-classes-early	`frameworks/base/config/preloaded-classes-early`	早期预加载类列表 (新增)
base_system.mk	`build/make/target/product/base_system.mk`	系统产品配置

Android 预加载类分段优化分析 ​

目录 ​

1. 优化概述 ​

1.1 Patch 信息 ​

1.2 优化目标 ​

2. 在启动流程中的位置 ​

2.1 Zygote 启动详细流程 ​

3. 原始实现分析 ​

3.1 关键代码位置 ​

3.2 原始 preload() 方法 ​

3.3 原始 preloadClasses() 方法 ​

3.4 原始 main() 方法调用流程 ​

4. 问题分析 ​

4.1 问题描述 ​

4.2 问题根因 ​

4.3 耗时类示例 ​

5. 优化方案详解 ​

5.1 优化策略 ​

5.2 修改的文件 ​

6. 代码变更对比 ​

6.1 ZygoteInit.java 变更 ​

6.1.1 新增常量 ​

6.1.2 新增 firstpreload() 方法 ​

6.1.3 修改 preload() 方法 ​

6.1.4 修改 preloadClasses() 方法签名 ​

6.1.5 修改 main() 方法调用顺序 ​

6.2 base_system.mk 变更 ​

7. 预加载类分类 ​

7.1 早期预加载类列表 (preloaded-classes-early) ​

7.1.1 核心 Framework 类 ​

7.1.2 图形系统类 ​

7.1.3 ICU 国际化类 ​

7.1.4 媒体相关类 ​

7.1.5 系统设置类 ​

7.1.6 硬件相关类 ​

7.1.7 Telephony 类 ​

7.1.8 Java 核心类 ​

7.2 从 preloaded-classes 移除的类 ​

8. 性能影响分析 ​

8.1 优化效果 ​

8.2 优化原理 ​

8.3 适用场景 ​

9. 如何应用此 Patch ​

9.1 Patch 文件列表 ​

9.2 应用步骤 ​

步骤 1: 应用 frameworks/base patch ​

步骤 2: 应用 build/make patch ​

步骤 3: 验证文件 ​

步骤 4: 重新编译 ​

9.3 验证优化效果 ​

附录：关键代码路径参考 ​

Android 预加载类分段优化分析

目录

1. 优化概述

1.1 Patch 信息

1.2 优化目标

2. 在启动流程中的位置

2.1 Zygote 启动详细流程

3. 原始实现分析

3.1 关键代码位置

3.2 原始 preload() 方法

3.3 原始 preloadClasses() 方法

3.4 原始 main() 方法调用流程

4. 问题分析

4.1 问题描述

4.2 问题根因

4.3 耗时类示例

5. 优化方案详解

5.1 优化策略

5.2 修改的文件

6. 代码变更对比

6.1 ZygoteInit.java 变更

6.1.1 新增常量

6.1.2 新增 firstpreload() 方法

6.1.3 修改 preload() 方法

6.1.4 修改 preloadClasses() 方法签名

6.1.5 修改 main() 方法调用顺序

6.2 base_system.mk 变更

7. 预加载类分类

7.1 早期预加载类列表 (preloaded-classes-early)

7.1.1 核心 Framework 类

7.1.2 图形系统类

7.1.3 ICU 国际化类

7.1.4 媒体相关类

7.1.5 系统设置类

7.1.6 硬件相关类

7.1.7 Telephony 类

7.1.8 Java 核心类

7.2 从 preloaded-classes 移除的类

8. 性能影响分析

8.1 优化效果

8.2 优化原理

8.3 适用场景

9. 如何应用此 Patch

9.1 Patch 文件列表

9.2 应用步骤

步骤 1: 应用 frameworks/base patch

步骤 2: 应用 build/make patch

步骤 3: 验证文件

步骤 4: 重新编译

9.3 验证优化效果

附录：关键代码路径参考