【朝花夕拾】Android性能篇之（五）Android虚拟机

时间 2019-11-13

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Android虚拟机的使用，使得android应用和Linux内核分离，这样作使得android系统更稳定可靠，好比程序中即便包含恶意代码，也不会直接影响系统文件；也提升了跨平台兼容性。在Android4.4之前的系统中，Android系统均采用Dalvik做为运行andorid程序的虚拟机，在android发展中具备举足轻重的地位，而Android 5.0及之后的系统使用ART虚拟机取代Dalvik，在性能上作了很大的优化。本文将对这两款虚拟机作一些介绍，主要内容以下：android

阅读本文，建议结合笔者以前的两篇文章，了解一下JVM和Apk打包：安全

【朝花夕拾】Android性能篇之（一）序言及JVM篇架构

【朝花夕拾】Android性能篇之（四）Apk打包app

1、什么是Dalvik？ide

Dalvik是Google公司本身设计用于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。因为Android程序的开发语言是java，因此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作Dalvik的小渔村。工具

2、Dalvik在Android架构中所处的位置post

想必读者们对如上截图已经至关熟悉了——android系统架构图。从上图能够看到，Dalvik虚拟机在Android Runtime中，在Linux Kernel之上。咱们都知道，Android其实就是一个操做系统，其底层基于Linxu Kernel，这一层有许多的驱动程序，主要完成操做系统所具有的功能。Android Runtime，即android的运行环境，咱们能够类比于java的jre，即java平台运行期环境。Java程序的开发、编译和运行须要java的核心包（jdk/lib/和jre/lib）支持，而后经过JVM来运行java程序，一样android程序的运行也是如此，Libraries就至关于java的jdk/lib，是开发/编译android程序所须要的库，Android Runtime里面的Core Libraries里就至关于java的jre/lib，是运行android程序所须要的核心库，天然而然，Dalvik虚拟机也就类比于java中的JVM，用于运行android程序。性能

3、Dalvik的做用

简单来讲就是：Dalvik虚拟机在Android操做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，其做为面向Linux、为嵌入式操做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，使得能够同时运行多个程序，而传统的Java程序一般只能运行一个进程，这也是为何Android不采用JVM的缘由之一。在Android中，每个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，只会影响本身所在的dalvik，而不会影响到整个系统，不一样的进程之间（即不一样的Dalvik之间）经过进程间通讯来实现交互。

4、Dalvik和JVM的区别与联系

Android程序也是用Java语言开发的，因此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？主要有以下几点：

（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，我们这里不深刻展开。

（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，通过DEX工具压缩和优化后造成的。以下图所示：

当javac将java程序编译成class后，dex工具将全部的class文件整合到一个.dex文件中，这样作使得各个类可以共享数据，在必定程度上下降了冗余，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。实验代表，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通过优化，容许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例，每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。独立的进程能够防止在虚拟机崩溃的时候全部程序都被关闭。

2）Dalvik第一次加载后，会生成Cache文件，以提供下次快速加载，因此第一次会很慢。

5、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做。若是系统须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，全部的虚拟机实例都和Zygote共享一块区域。

6、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。主要缘由以下：

一、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类丰富多彩的应用上。

二、运营商因素

Android是开源的，不一样的手机厂商每每对android系统进行定制，而各厂商的技术良莠不齐，修改后的特性或新增的功能，对原生系统的性能也形成必定的影响。同时，Android比较开放，有些开发者不顾用户体验，为一些目的在后台作了一些小动做，好比收集用户信息等，拖慢总体速度。

三、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，而后被java打包工具dx打包成.dex文件，而后.dex文件和资源文件一块儿被压缩成apk文件。Apk文件其实也是zip格式，只是后缀被修改成apk，读者能够本身解压一个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）目录下建立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及之后版本）的方法把dex文件翻译为机器码，而后再执行机器码。虽然Dalvik虚拟机已经被作过不少优化（.dex文件基础上被优化为.odex文件，o表示optimization，“优化”的意思），但由于此种机制的存在，先翻译再执行，因此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

7、ART虚拟机取代Dalvik虚拟机

在第六点中，咱们讲到了，因为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中能够在设置中切换选择Dalvik或ART做为虚拟机，在Android L(5.0)中就直接删除了Dalvik，而全面使用ART。ART在机制上作了优化，能够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，从而提高了启动速度。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。

下图展现了Dalvik和ART对.dex文件的处理的对比状况：

8、ART的优缺点

一、优势

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），主要由以下的有优点：

（1）ART抛弃了Dalvik的JIT方式，而采用AOT预编译方式，在安装apk的过程当中，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，之后每次启动应用的时候，直接运行机器码，而无需再翻译.odex，这样极大地提升了应用的启动速度。

（2）每次运行时所作的工做也少了，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作了改善。

　　　　　　　　Dalvik和ART在性能上的对比

二、缺点

硬币有正反面，ART的预编译，也带来了必定的劣势

（1）增长了安装时间。在安装的时候须要预编译，无疑增大了安装的工做量，从而增大了安装时间，对于一些大的应用，可能须要几分钟的时间才能安装完。

（2）须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。固然，如今硬件设备更新换代很快，性能也很是好，相比于ART带来的优势，该缺点几乎没什么影响。

9、Android N对ART的优化

在上一节中咱们提到是，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）中对此作了优化。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安装的过程当中再也不进行预编译，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须要在手机idle和充电的时候来编译（即热区域hot method的肯定），这个追踪技术被称为Profile Guided Compilation，其工做原理以下：

（1）应用程序第一次启动的时候，只会经过解释器执行，同时JIT会介入并针对hot methods执行优化工做。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。该文件中记录了须要离线优化的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状态而且在充电，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，就能够根据实际状况在AOT/JIT/Interpreter中选择最合适的执行方式了。

经过以上的步骤能够得知，由于有了Profile Guided Compilation，同一app会由于不一样的用户行为产生不一样的编译结果。

咱们能够归纳性地作一个总结：第一次运行到某些模块的程序的时候（这次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当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（由于有些功能程序一直不被使用，就不须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