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Android 65536方法数限制的思考

前言

没想到，65536真的很小。

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Unable to execute dex: method ID not in [0, 0xffff]: 65536

PS:本文只是纯探索一下这个65K的来源，仅此而已。

到底是65k还是64k?

都没错，同一个问题，不同的说法而已。
65536按1000算的话，是65k ~ 65 1000;
65536按1024算的话，是64k = 64 1024。
重点是65536=2^16，请大家记住这个数字。

时间点

从大家的经历和这篇文章：
http://developer.android.com/tools/building/multidex.html
来看，这个错误是发生在构建时期。

65536是怎么算出来的？

65536网上众说纷纭，有对的，有不全对的，也有错的。
下面将跟踪最新的AOSP源码来顺藤摸瓜，但是探索问题必然迂回冗余，仅作记录，读者可直接跳过看结果。

1. 首先，查找Dex的结构定义。

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/*
* Direct-mapped "header_item" struct.
*/
struct DexHeader {
u1 magic[8];
u4 checksum;
u1 signature[kSHA1DigestLen];
u4 fileSize;
u4 headerSize;
u4 endianTag;
u4 linkSize;
u4 linkOff;
u4 mapOff;
u4 stringIdsSize;
u4 stringIdsOff;
u4 typeIdsSize;
u4 typeIdsOff;
u4 protoIdsSize;
u4 protoIdsOff;
u4 fieldIdsSize;
u4 fieldIdsOff;
u4 methodIdsSize; // 这里存放了方法字段索引的大小，methodIdsSize的类型为u4
u4 methodIdsOff;
u4 classDefsSize;
u4 classDefsOff;
u4 dataSize;
u4 dataOff;
};

u4的类型定义如下：

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/*
* These match the definitions in the VM specification.
*/
typedef uint8_t u1;
typedef uint16_t u2;
typedef uint32_t u4;
typedef uint64_t u8;
typedef int8_t s1;
typedef int16_t s2;
typedef int32_t s4;
typedef int64_t s8;

进一步推出，methodIdsSize的类型是uint32_t，但它的限制为2^32 = 65536 * 65536，比65536大的多。
所以，65k不是dex文件结构本身限制造成的。
PS：Dex文件中存储方法ID用的并不是short类型，无论最新的DexFile.h新定义的u4是uint32_t，还是老版本DexFile引用的vm/Common.h里定义的u4是uint32或者unsigned int，都不是short类型，特此说明。

2. DexOpt优化造成？

这个说法源自：

鉴于我能力有限，没有找到这块逻辑对应的代码。
但我有个疑问，这个限制是在Android启动一个应用的时候发生的，但从前面的“时间点”章节，65k问题是在构建的时候就发生了，还没到启动或者运行这一步。
我不敢否定这种说法，但说明65k至少还有其他地方限制。

3. DexMerger的检测

只能在dalvik目录下搜索关键字”methid ID not in”，在DexMergger里找到了抛出异常的地方：

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/**
* Combine two dex files into one.
*/
public final class DexMerger {
 
private void mergeMethodIds() {
new IdMerger<MethodId>(idsDefsOut) {
@Override TableOfContents.Section getSection(TableOfContents tableOfContents) {
return tableOfContents.methodIds;
}
 
@Override MethodId read(Dex.Section in, IndexMap indexMap, int index) {
return indexMap.adjust(in.readMethodId());
}
 
@Override void updateIndex(int offset, IndexMap indexMap, int oldIndex, int newIndex) {
if (newIndex < 0 || newIndex > 0xffff) {
throw new DexIndexOverflowException(
"method ID not in [0, 0xffff]: " + newIndex);
}
indexMap.methodIds[oldIndex] = (short) newIndex;
}
 
@Override void write(MethodId methodId) {
methodId.writeTo(idsDefsOut);
}
}.mergeSorted();
}
}

这里定义了indexMap的methodIds的单项值要强转short，所以在存放之前check一下范围是不是0 ~ 0xffff。
我们看看IndexMap的定义：

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/**
* Maps the index offsets from one dex file to those in another. For example, if
* you have string #5 in the old dex file, its position in the new dex file is
* {@code strings[5]}.
*/
public final class IndexMap {
private final Dex target;
public final int[] stringIds;
public final short[] typeIds;
public final short[] protoIds;
public final short[] fieldIds;
public final short[] methodIds;
 
// ... ...
}

看上去是对了，可是这个DexMerger是合并两个dex的，默认情况下我们只有一个dex的，那么这个65k是哪里限制的呢？再查！

4. 回归DexFile

基本上前面基本是一个摸着石头过河、反复验证网络说法的一个过程，虽然回想起来傻傻的，但是这种记录还是有必要的。
前面看到DexFile的存放方法数大小的类型是uint32，但是根据后面的判断，我们确定是打包的过程中产生了65k问题，所以我们得回过头老老实实研究一下dx的打包流程。
… 此处省略分析流程5000字 …
OK，我把dx打包涉及到流程记录下来：

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// 源码目录：dalvik/dx
// Main.java
-> main() -> run() -> runMonoDex()(或者runMultiDex()) -> writeDex()
// DexFile
-> toDex() -> toDex0()
// MethodIdsSection extends MemberIdsSection extends UniformItemSection extends Section
-> prepare() -> prepare0() -> orderItems() -> getTooManyMembersMessage()
// Main.java
-> getTooManyIdsErrorMessage()

最终狐狸的尾巴是在MemberIdsSection漏出来了：

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package com.android.dx.dex.file;
 
import com.android.dex.DexException;
import com.android.dex.DexFormat;
import com.android.dex.DexIndexOverflowException;
import com.android.dx.command.dexer.Main;
 
import java.util.Formatter;
import java.util.Map;
import java.util.TreeMap;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
/**
* Member (field or method) refs list section of a {@code .dex} file.
*/
public abstract class MemberIdsSection extends UniformItemSection {
 
/**
* Constructs an instance. The file offset is initially unknown.
*
* @param name {@code null-ok;} the name of this instance, for annotation
* purposes
* @param file {@code non-null;} file that this instance is part of
*/
public MemberIdsSection(String name, DexFile file) {
super(name, file, 4);
}
 
/** {@inheritDoc} */
@Override
protected void orderItems() {
int idx = 0;
 
if (items().size() > DexFormat.MAX_MEMBER_IDX + 1) {
throw new DexIndexOverflowException(getTooManyMembersMessage());
}
 
for (Object i : items()) {
((MemberIdItem) i).setIndex(idx);
idx++;
}
}
 
private String getTooManyMembersMessage() {
Map<String, AtomicInteger> membersByPackage = new TreeMap<String, AtomicInteger>();
for (Object member : items()) {
String packageName = ((MemberIdItem) member).getDefiningClass().getPackageName();
AtomicInteger count = membersByPackage.get(packageName);
if (count == null) {
count = new AtomicInteger();
membersByPackage.put(packageName, count);
}
count.incrementAndGet();
}
 
Formatter formatter = new Formatter();
try {
String memberType = this instanceof MethodIdsSection ? "method" : "field";
formatter.format("Too many %s references: %d; max is %d.%n" +
Main.getTooManyIdsErrorMessage() + "%n" +
"References by package:",
memberType, items().size(), DexFormat.MAX_MEMBER_IDX + 1);
for (Map.Entry<String, AtomicInteger> entry : membersByPackage.entrySet()) {
formatter.format("%n%6d %s", entry.getValue().get(), entry.getKey());
}
return formatter.toString();
} finally {
formatter.close();
}
}
 
}

里面有一段：

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// 如果方法数大于0xffff就提示65k错误
if (items().size() > DexFormat.MAX_MEMBER_IDX + 1) {
throw new DexIndexOverflowException(getTooManyMembersMessage());
}
 
// 这个DexFormat.MAX_MEMBER_IDX就是0xFFFF
/**
* Maximum addressable field or method index.
* The largest addressable member is 0xffff, in the "instruction formats" spec as field@CCCC or
* meth@CCCC.
*/
public static final int MAX_MEMBER_IDX = 0xFFFF;

至此，真相大白！

5. 根本原因

为什么定义DexFormat.MAX_MEMBER_IDX为0xFFFF?
虽然我们找到了65k报错的地方，但是为什么程序中方法数超过0xFFFF就要报错呢？
通过搜索”instruction formats”, 我最终查到了Dalvik VM Bytecode，找到最新的官方说明：
https://source.android.com/devices/tech/dalvik/dalvik-bytecode.html
里面说明了上面的@CCCC的范围必须在0～65535之间，这是dalvik bytecode的限制。
所以，65536是bytecode的16位限制算出来的：2^16。
PS：以上分析得到群里很多朋友的讨论和帮忙。

6. 回顾

我好像明白了什么：

新的Jack能否解决65k问题？

Android 65536方法数限制的思考-LMLPHP
新的编译器目前还不了解实现的细节，网上的资料是说解决了65k问题，但看了最新的图觉得并不能终结65k问题。

05-11 13:19
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