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）

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

(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%。

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

(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。

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

(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.xml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

(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.RSA 和 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。

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

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

(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。

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