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Android虚拟机Dalvik和ART详解

Android开发编程 2023-03-28 原文

Android应用用Java/Kotlin编写，Android虚拟机并不使用JVM字节码，而是将Class文件通过DX编译器（现已换成D8）编译程dex文件，然后由虚拟机执行；

底层眼里无论是java还是kolin，最终都是机器码运行；

不废话，开始介绍

一、Dalvik简单介绍

1、Dalvik虚拟机介绍

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的虚拟机。Dalvik虚拟机是Google等厂商合作开发的Android移动设备平台的核心组成部分之一。它可以支持已转换为 .dex（即Dalvik Executable）格式的Java应用程序的运行，.dex格式是专为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。Dalvik 经过优化，允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，并且 每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。

2、Dalvik诞生消亡史

  • Android 1.0，使用Dalvik作为Android虚拟机运行环境。
  • Android 2.2，Google在Andriod虚拟机中加入了JIT编译器（Just-In-Time Compiler）。
  • Android 4.4，Google带来了全新的虚拟机运行环境ART，此时ART和Dalvik是共存的，用户可以在两者之间进行选择。
  • Android 5.0，ART全面取代了Dalvik成为了Android虚拟机运行环境，至此Dalvik退出历史舞台。

3、Dalvik 特点

  • Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码，Dalvik字节码由Java字节码转换而来，并被打包到一个dex文件中。而JVM运行的是class文件或jar文件；
  • 加载速度快，dex相比于Jar文件会把所有包含的信息整合在一起，减少了冗余信息。这样就减少I/O操作，提高类的查找速度。
  • Dalvik虚拟机是基于寄存器，而JVM是基于栈（操作数栈）。虽然基于寄存器执行效率好，但是可移植性差，难跨平台。
  • Dalvik虚拟机允许在有限的内存中同时运行多个进程，每一个应用都运行在一个Dalvik虚拟机实例中，拥有独立的进程空间。
  • Dalvik虚拟机有共享机制，不同应用之间在运行时可以共享相同的类，拥有更高的效率。

二、ART虚拟机

1、ART概念介绍

  • ART虚拟机在Android 5.0开始替换Dalvik虚拟机。其处理应用程序执行的方式不同于Dalvik虚拟机，它不使用JIT而是使用了AOT（Ahead-Of-Time），也就是提前编译技术。并且对垃圾收集器也进行了改进和优化。
  • ART虚拟机由Android4.4被引入成为可选项，在Android5.0之后替换掉了Dalvik，并且在Android7.0和8.0分别进行了一系列改动。

2、基本概念和名词

  • .dex文件：App所有java源代码编译后生成众多class文件，由DX/D8，编译为一个/多个（multiDex）dex文件，由Android虚拟机编译执行。
  • .odex文件：dex文件经过验证和优化后的产物，art下的odex文件包含经过AOT编译后的代码以及dex的完整内容，但Android8.0之后odex中的dex内容移动到了.vdex文件。
  • .art文件：art下根据配置文件生成odex文件时同时生成.art文件，主要是为了提升运行时加载odex中热点代码的速度，包含了类信息和odex中热点方法的索引，运行App时会首先根据这个文件来加载odex中已经编译过的代码。
  • 解释器（Interpreter）：用于程序运行时对代码进行逐行解释，翻译成对应平台的机器码执行。
  • JIT编译（Just In Time）：由于解释器方式运行太慢引入，对于频繁运行的热点代码（判定标准一般是在某个时间段内执行次数达到某个阈值）进行实时编译（在ART下以方法为粒度）执行，并且缓存JIT编译后的代码在内存中用于下次执行。由于以方法为粒度（ArtMethod）进行编译，JIT编较于解释器可以生成效率更高的代码，运行更快。
  • AOT编译（Ahead-Of-Time）：应用安装时全量编译所有代码为本地机器码，运行时直接执行机器码。

3、ART 如何运作

（1）4.4~7.0

最开始ART只采用AOT编译，在App安装时就编译所有代码存储在本地，打开App直接运行，这样做的优点是应用运行速度变快，缺点也很明显，App安装时间明显变长，而且占用存储空间较大

（2）7.0

Android N之后对于ART进行改动，重新引入了JIT编译，结合使用AOT/JIT混合编译，主要机制如下：

  • 安装时不进行任何编译，前几次运行仅通过解释器解释运行，同时对热点代码进行JIT编译，并将这些代码的相关信息记录在一个配置文件里
  • 设备处于空闲和充电状态时，编译守护进程读取配置文件对热点代码进行AOT编译并写入到app对应的odex文件中
  • 再次启动应用后优先使用AOT编译过的代码，否则使用解释器+JIT编译，重复这个过程
  • 对于一些庞大的APP，比如某宝，有些功能可能你一辈子都不会用到，根据上述策略这部分代码就不会被编译保存，从而减少了存储空间的占用。另外，在系统升级时也避免了全量编译所有现存应用造成的时间空间消耗。

（3）8.0

Android 8.0引入了.vdex文件，它里面包含 APK 的未压缩 DEX 代码，以及一些用于加快验证速度的元数据.

4、ART垃圾收集器优化

  • 只有一次GC暂停（Dalvik需要两次）。
  • 并发复制，可减少后台内存使用和碎片。
  • GC暂停的时间不受堆大小影响。
  • 在清理最近分配的短时对象这种特殊情况中，回收器的总GC时间更短。
  • 优化了垃圾回收的工效，能够更加及时地进行并行垃圾回收，这使得GC_FOR_ALLOC事件在典型用例中极为罕见。

5、ART时间线

  • Android 4.4 ，ART和Dalvik是共存的，用户可以在两者之间进行选择。
  • Android 5.0，正式取代Dalvik虚拟机成为Android虚拟机运行环境，Dalvik退出历史舞台，AOT取代JIT。
  • Android 7.0，JIT回归，采用JIT和AOP混合编译模式。
  • ART持续更新优化

6、Dalvik VM 和 ART VM 有什么区别

  • ART早期使用AOT技术，后期使用AOT+JIT混合，而Dalvik使用JIT。
  • ART支持64位CPU并兼容32位CPU,而Dalvik只支持32位CPU。
  • ART对垃圾收集器进行了改进优化，提高了吞吐量。

总结

核心内容就一句话：App安装时不编译代码只校验合法性，运行时通过解释器执行，将运行频繁的代码进行编译放到内存缓存并且记录在本地配置文件，后台线程编译配置文件记录的方法存放到.odex文件，再次运行App时优先读.odex文件中编译后的代码，然后重复这个过程。

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