【朝花夕拾】Android性能篇之（五）Android虚拟机

前言

       原文：【朝花夕拾】Android性能篇之（五）Android虚拟机

       Android虚拟机的使用，使得android应用和Linux内核分离，这样做使得android系统更稳定可靠，比如程序中即使包含恶意代码，也不会直接影响系统文件；也提高了跨平台兼容性。在Android4.4以前的系统中，Android系统均采用Dalvik作为运行andorid程序的虚拟机，在android发展中具有举足轻重的地位，而Android 5.0及以后的系统使用ART虚拟机取代Dalvik，在性能上做了很大的优化。本文将对这两款虚拟机做一些介绍，主要内容如下：

        阅读本文，建议结合笔者之前的两篇文章，了解一下JVM和Apk打包：

        【朝花夕拾】Android性能篇之（一）序言及JVM篇

        【朝花夕拾】Android性能篇之（四）Apk打包

一、什么是Dalvik？

       Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的虚拟机，是Android移动设备平台的核心组成部分之一。虚拟机的概念在前面文章中讲到过是，就是一个设备上开辟的一个虚拟空间，一个虚拟出来的设备。Dalvik就是这样，在android设备上虚拟出来的一个用于运行Android程序的空间。由于Android程序的开发语言是java，所以Dalvik的本质仍然是JVM，是一个特殊设计的JVM，没有遵循Java虚拟机规范。另外，值得一提的是，Dalvik的命名来源于其祖先生活在冰岛的一个叫做Dalvik的小渔村。

二、Dalvik在Android架构中所处的位置

       想必读者们对如上截图已经相当熟悉了——android系统架构图。从上图可以看到，Dalvik虚拟机在Android Runtime中，在Linux Kernel之上。我们都知道，Android其实就是一个操作系统，其底层基于Linxu Kernel，这一层有许多的驱动程序，主要完成操作系统所具备的功能。Android Runtime，即android的运行环境，我们可以类比于java的jre，即java平台运行期环境。Java程序的开发、编译和运行需要java的核心包（jdk/lib/和jre/lib）支持，然后通过JVM来运行java程序，同样android程序的运行也是如此，Libraries就相当于java的jdk/lib，是开发/编译android程序所需要的库，Android Runtime里面的Core Libraries里就相当于java的jre/lib，是运行android程序所需要的核心库，自然而然，Dalvik虚拟机也就类比于java中的JVM，用于运行android程序。

三、Dalvik的作用

       简单来说就是：Dalvik虚拟机在Android操作系统上虚拟出一个设备，用来运行android 应用程序。Dalvik是apk运行的温床，其作为面向Linux、为嵌入式操作系统特别设计的虚拟机， 主要负责完成对象的生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全及异常管理、垃圾回收等。Dalvik充分利用Linux进程管理的特性，对其进项了面向对象的设计，使得可以同时运行多个程序，而传统的Java程序通常只能运行一个进程，这也是为什么Android不采用JVM的原因之一。在Android中，每一个app进程对应一个Dalvik，多个app进程在运行，就对应多个虚拟机的存在，这样设计的好处就是，当一个应用crash后，只会影响自己所在的dalvik，而不会影响到整个系统，不同的进程之间（即不同的Dalvik之间）通过进程间通信来实现交互。

四、Dalvik和JVM的区别与联系

        Android程序也是用Java语言开发的，所以Dalvik本质上讲也是java虚拟机，那么Dalvik和JVM又有哪些区别和联系呢？主要有如下几点：  

      （1）本质上Dalvik也是JVM，是特殊设计的JVM，没有遵循java虚拟机设计规范。

      （2）JVM是基于栈的虚拟机，而Dalvik是基于寄存器的虚拟机，对于基于栈和基于寄存器的虚拟机的区别和优缺点，推荐阅读：基于栈虚拟机和基于寄存器虚拟机的比较，讲的简洁且易懂，咱们这里不深入展开。

      （3）JVM运行的是Java字节码文件，即.class文件，而Dalvik运行的是.dex（即Dalvik Executable）文件。.dex是在.class文件的基础上，经过DEX工具压缩和优化后形成的。如下图所示： 

        当javac将java程序编译成class后，dex工具将所有的class文件整合到一个.dex文件中，这样做使得各个类能够共享数据，在一定程度上降低了冗余，同时也使文结构更加紧凑。.dex格式也是专为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。实验表明，dex文件时传统jar文件的50%左右。下图为java .jar包中.class文件和android .apk中.dex文件对比图：

      （4）补充两个Davik的特征：

        1）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，每一个应用对应一个虚拟机实例，对应了一个进程，对应一个独立的Linux进程。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第一次加载后，会生成Cache文件，以提供下次快速加载，所以第一次会很慢。

五、Davik的孵化器——Zygote进程

       在Android系统中有个一特殊的虚拟机进程Zygote，他是虚拟机实例的孵化器。它在系统启动的时候就会产生，完成虚拟机的初始化、库的加载、预制类库和初始化操作。如果系统需要一个新的虚拟机实例，他会迅速复制自身，以最快的速度提供给系统。对于一些只读的系统库，所有的虚拟机实例都和Zygote共享一块区域。

六、Dalvik的致命缺点：拖慢Android系统速度

       Dalvik有个致命的弱点，就是Dalvik虚拟机一直被用户指责为拖慢Android系统运行速度而不如IOS的根源。主要原因如下：

  1、开发者因素

       Android起步比IOS晚，平台不成熟，初期开发者水平有限，对性能方面关注比较少，主要关注点在提供各种丰富多彩的应用上。

  2、运营商因素

       Android是开源的，不同的手机厂商往往对android系统进行定制，而各厂商的技术参差不齐，修改后的特性或新增的功能，对原生系统的性能也造成一定的影响。同时，Android比较开放，有些开发者不顾用户体验，为一些目的在后台做了一些小动作，比如收集用户信息等，拖慢整体速度。

  3、Dalvik运行时机制因素

       在编译Android程序的时候，首先java代码被编译成class文件，然后被java打包工具dx打包成.dex文件，然后.dex文件和资源文件一起被压缩成apk文件。Apk文件其实也是zip格式，只是后缀被修改为apk，读者可以自己解压一个apk试试看。Android应用的安装过程：复制apk安装包到data/app目录（见截图6.3.2，截图6.3.3）下，解压并扫描安装包，把dex文件保存到dalvik-cache目录（见截图6.3.4）下，并在data/data（见截图6.3.5）目录下创建对应的应用数据目录。这样每次用户点击图标运行android程序时，dalvik虚拟机就会用JIT（Android2.2及以后版本）的方法把dex文件翻译为机器码，然后再执行机器码。虽然Dalvik虚拟机已经被做过很多优化（.dex文件基础上被优化为.odex文件，o表示optimization，“优化”的意思），但因为此种机制的存在，先翻译再执行，所以Android在电量消耗和程序运行流畅程度上一直不太理想。    

                                           　　　   截图6.3.1  Android中 /data目录

                                                       截图6.3.2 /data/app目录

                                         截图6.3.3   /data/app目录下应用的信息

                                        截图6.3.4   /data/dalvik-cache目录下的内容

                       截图6.3.5   /data/data目录下应用数据目录，存储对应应用运行中产生的一些数据

七、ART虚拟机取代Dalvik虚拟机

       在第六点中，我们讲到了，由于Dalvik虚拟机机制的问题，拖慢了android应用的速度。由此，ART（即Android RunTime）虚拟机应运而生，在Android4.4中可以在设置中切换选择Dalvik或ART作为虚拟机，在Android L(5.0)中就直接删除了Dalvik，而全面使用ART。ART在机制上做了优化，可以在第一次安装应用时，字节码就会预编译（即AOT编译：Ahead-of-time）成机器码，使其成为真正的本地应用。在点击桌面的应用图标运行时，无需再翻译字节码，而是直接运行机器码，从而提升了启动速度。另外，ART在英语单词中是“艺术”的意思，可见，ART虚拟机的设计是匠心独运，同时也是被其设计中所高度赞誉的。

       下图展示了Dalvik和ART对.dex文件的处理的对比情况：

八、ART的优缺点

  1、优点

       ART的AOT方式相比于Dalvik的JIT方式（Just-In-Time，即时编译，,参见JIT_百度百科），主要由如下的有优势：

    （1）ART抛弃了Dalvik的JIT方式，而采用AOT预编译方式，在安装apk的过程中，将.odex文件（.dex优化后的文件）预编译为二进制机器码，存储在设备中，以后每次启动应用的时候，直接运行机器码，而无需再翻译.odex，这样极大地提高了应用的启动速度。

    （2）每次运行时所做的工作也少了，这样占用了更少的CPU资源，也消耗了更少的电池资源。

    （3）ART也在开发者工具和垃圾回收器上做了改善。

                     　　　　　　　　Dalvik和ART在性能上的对比

  2、缺点

       硬币有正反面，ART的预编译，也带来了一定的劣势

    （1）增加了安装时间。在安装的时候需要预编译，无疑增大了安装的工作量，从而增大了安装时间，对于一些大的应用，可能需要几分钟的时间才能安装完。

    （2）需要更多的空间存储预编译后的机器码，无疑占用了更多的存储空间。当然，现在硬件设备更新换代很快，性能也非常好，相比于ART带来的优点，该缺点几乎没什么影响。

九、Android N对ART的优化

       在上一节中我们提到是，ART的机制使得apk在安装的时候比较耗时，为了改变这种状态，在Android N（Android7.0）中对此做了优化。Android N实现了一个使用AOT、解释、JIT混合模式的运行环境，这里使用的JIT是改进后的JIT，ART也提供了一种新的、更快的解释器。这种方式在apk安装的过程中不再进行预编译，第一次运行该应用相关程序后，在手机处于idle状态和充电的时候再将运行过的程序编译为机器码并存储在设备中。JIT提供了一套追踪机制来决定哪一部分代码需要在手机idle和充电的时候来编译（即热区域hot method的确定），这个追踪技术被称为Profile Guided Compilation，其工作原理如下：

      （1）应用程序第一次启动的时候，只会通过解释器执行，同时JIT会介入并针对hot methods执行优化工作。代码在执行期间会被分析，分析结果被保存起来，同步输出一种被称为profile information的信息保存到文件中。该文件中记录了需要离线优化的hot methods，影响程序启动速度的Classes，它们主要用于进一步优化程序的启动速度。

      （2）当设备处于idle状态并且在充电，就会进入Profile Guided Compilation服务，使用第一步中的profile information，生成二进制机器码，用于替代原始应用程序的相应部分。

      （3）应用程序在后续启动时，就可以根据实际情况在AOT/JIT/Interpreter中选择最合适的执行方式了。

        通过以上的步骤可以得知，因为有了Profile Guided Compilation，同一app会因为不同的用户行为产生不同的编译结果。

       我们可以概括性地做一个总结：第一次运行到某些模块的程序的时候（此次JIT信息不会持久化），产生一个文件来记录这些被执行的程序信息，从而实现了将以往在安装过程中预编译生成机器码的过程，延迟到手机处于idle和充电的时候来完成，最终实现既能避免漫长的安装等待，又不影响程序启动速度，还节约了空间（因为有些功能程序一直不被使用，就不需要编译为机器码占用空间），cpu资源，电池资源等的目的。 

参考资料

        Android为什么比IOS慢？

        Android ART虚拟机执行引擎详情

        Android7.0开发者版本新特性

        浅谈Android的ART虚拟机