9102年了，还不知道Android为何卡？

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导读

最近华为方舟编译器要开源了，笔者去看了下发布会PPT，发现做为一名Android开发者，PPT中所介绍的知识点我竟然不能彻底看懂？？？因而乎恶补了下PPT中的内容，整理成本文。

本文将用通俗的语言从底层介绍Android卡顿的历史缘由和谷歌与之斗争的过程

阅读完这篇文章后你将

1. 理解计算机是如何解读咱们所写的程序并执行相应功能的

2. 了解Android虚拟机的进化史

3. 从底层了解形成Android卡顿的三大缘由

1、基础概念

首先咱们须要补习下一些基础概念，来理解计算机是如何解读咱们所写的程序并执行相应功能的。

1.编译&解释

某些编程语言（如Java）的源代码经过编译-解释的流程可被计算机读懂

先上一段Java代码

public static void main(String[] args){
    print('Hello World')
}
复制代码

这是全部程序员的第一课，只须要写完这段代码并执行，电脑或手机就会打印出Hello World。 那么问题来了，英文是人类世界的语言，计算机（CPU）是怎么理解英文的呢？

众所周知，0和1是计算机世界的语言，能够说计算机只认识0和1。 那么咱们只须要把上面那段英文代码只经过0和1表达给计算机，就可让计算机读懂并执行。

结合上图，Java源代码经过编译变成字节码，而后字节码按照模版中的规则解释为机器码。

2.机器码&字节码

• 机器码

  机器码就是能被CPU直接解读并执行的语言。

  可是若是使用上图中生成的机器码跑在另一台计算机中，极可能就会运行失败。

  这是由于不一样的计算机，可以解读的机器码可能不一样。通俗而言就是能在A电脑上运行的机器码，放到B电脑上就可能就很差使了。

  举个🌰，中国人A认识中文，英语；俄国人B认识俄语，英语。这时他两同时作一张中文试卷，B大概连写名字的地方都找不到。

  因此这时候咱们须要字节码。

• 字节码

  中国人A看不懂俄文试卷，俄国人B看不懂中文试卷，可是你们都看得懂英文试卷。

  字节码就是个中间码，Java能编译为字节码，同一份字节码能按照指定模版的规则解释为指定的机器码。

  字节码的好处：

  1.实现了跨平台，一份源代码只须要编译成一份字节码，而后根据不一样的模版将字节码解释成当前计算机认识的机器码，这就是Java所说的“编译一次，处处运行”。

  2.同一份源码被编译成的字节码大小远远小于机器码。

  

3.编译语言&解释语言

• 编译语言

  咱们熟知的C/C++语言，是编译语言，即程序员编译以后能够一步到位（编译成机器码），能够被CPU直接解读并执行。

  

  可能有人会问，既然上文中说过字节码有种种好处，为何不使用字节码呢？

  这是由于每种编程语言设计的初衷不一样,有些是为了跨平台而设计的，如Java，但有些是针对某个指定机器或某批指定型号的机器设计的。

  举个🌰，苹果公司开发的OC语言和Swift语言，就是针对自家产品设计的，我才无论你其余人的产品呢。因此OC或Swift语言设计初衷之一就是快，可直接编译为机器码使iPhone或iPad解读并执行。这也是为何苹果手机的应用比安卓手机应用大的主要缘由。这更是为何苹果手机更流畅的缘由之一！(没有中间商赚差价)

• 编译-解释语言

  拿开发Android的语言Java为例，Java是编译-解释语言,即程序员编译以后不能够直接编译为机器码，而是会编译成字节码(在Java程序中为.class文件，在Android程序中为.dex文件)。而后咱们须要将字节码再解释成机器码,使之能被CPU解读。

  这第二次解释，即从字节码解释成机器码的过程，是程序安装或运行后，在Java虚拟机中实现的。

2、形成卡顿的三大因素

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今年最新的Android版本已是10了，其实在这两年关于Android手机卡顿的声音已经慢慢低了下去，取而代之的是流畅如iOS之类的声音。

可是诸如超过iOS的话，还比较少，实际上是由于Android有卡顿有三大历史缘由。起步就比iOS低。

1.虚拟机——解释过程慢

经过上文描述，咱们能够知道，iOS之因此不卡是由于他一步到位，省略了中间解释的步骤，直接跟硬件层进行通讯。而Android因为没有一步到位，每次执行都须要实时解释成机器码，因此性能较iOS明显低下。

咱们已经明确知道了字节码（中间商）是形成卡顿的主要元凶之一，咱们能否像iOS那样扔掉字节码，直接一步到位呢？

明显不能，由于iOS搞来搞去就那么几个机型。反观Android方面，光手机就有无数种机型，无数种CPU架构/型号，更别提什么平板，车载等其余设备了。有那么多类型的硬件设备表明着就有很是多不一样的硬件架构，每种架构都有本身对应的机器码解释规则。显然像iOS那样一步到位是不现实的。

那怎么办呢？既然扔不掉字节码这个中间商，那咱们只能剥削他咯，让整个解释的过程快一点，再快一点。而解释所在的“工厂”在虚拟机内。

接下来就是伟大的Android虚拟机进化之路！

① Andorid 1.0 Dalvik(DVM)+解释器

DVM是Google开发的Android平台虚拟机,可读取.dex的字节码。 上文中所说的从字节码解释成机器码的过程在Java虚拟机中，在Android平台中虚拟机指的就是这个DVM。 在Android1.0时期，程序一边运行，DVM中的解释器（翻译机）一边解释字节码。 可想而知，这样效率绝对低下。一个字，卡。

② Android 2.2 DVM+JIT

其实解决DVM的问题思路很清楚，咱们在程序某个功能运行前就解释就能够了。

在Android2.2时期，聪明的谷歌引入了JIT(Just In Time)机制，直译就是即时编译。

举个🌰，我常常去一家餐馆吃饭，老板已经知道我想吃什么菜了，在我到以前就把菜准备好了，这样我就省去了等菜的时间。

JIT就至关于这个聪明的老板，它会在手机打开APP时，将用户常用的功能记下来。当用户打开APP的时候立马将这些内容编译出来，这样当用户打开这些内容时，JIT已经将'菜'准备好了。这样就提升了总体效率。

虽然JIT挺聪明的，且整体思路清晰理想丰满，但现实是仍然卡的要死。

存在的问题：

• 打开APP的时候会变慢
• 每次打开APP都要重复劳动，不能一劳永逸。
• 若是我忽然点了一盘以前历来没点过的菜，那我只好等菜了，因此若是用户打开了JIT没有准备好的'菜'，就只能等DVM中的解释器去边执行边解释了。

③ Android 5.0 ART+AOT

聪明的谷歌又想到个方法，既然咱们能在打开APP的时候将字节码编译成机器码，那么咱们何不在APP安装的时候就把字节码编译成机器码呢？这样每次打开APP也不用重复劳动了，一劳永逸。

这确实是个思路，因而谷歌推出了ART来替代DVM，ART全称Android Runtime，它在DVM的基础上作了一些优化，它在应用被安装的时候就将应用编译成机器码,这个过程称为AOT(Ahead-Of-Time)，即预编译。

可是问题又来了，打开APP是不卡了，可是安装APP慢的要死，可能有人会说，一个APP又不是会频繁安装，能够牺牲下这点时间。 可是很差意思，安卓手机每次OTA启动（即系统版本更新或刷机后）都会从新安装全部APP，无奈吧！绝望吧！对，还记得那两年，被安卓版本更新所支配的恐惧吗！

④ Android 7.0 混合编译

谷歌最终祭出了终极大招，DVM+JIT很差，ART+AOT又很差。行，我把他们都混合起来，那总能够了吧！

因而谷歌在Android7.0的时候，发布了混合编译。 即安装时先不编译成机器码，在手机不被使用的时候，AOT偷偷的把能编译成机器码的那部分代码编译了（至于什么是能编译的部分，下文字节码的编译模板详述）。其实就是把以前APP安装时候干的活偷偷的在手机空的时候干了。

若是来不及编译的话，再把JIT和解释器这对难兄难弟叫起来，让他们去编译或实时解释。

不得不佩服谷歌这粗暴的解决问题的方式，这样一来确实Android手机从万年卡顿慢慢的坑中出来了。

⑤ Android 8.0 改进解释器

在Android8.0时期，谷歌又盯上了解释器，其实纵观上面的问题，根源就是这个解释器解释的太慢了！（什么JIT,AOT,老夫解释只有一个字，快）那咱们何不让这个解释器解释的快一点呢？ 因而谷歌改进了解释器，解释模式执行效率大大提高。

⑥ Android 9.0 改进编译模板

这个点会在下文字节码的编译模板中详述。

这边简单而言就是，在Android9.0上提供了预先放置热点代码的方式，应用在安装的时候就能知道经常使用代码会被提早编译。（借用知乎@weishu大神的原话）

2.JNI——Java和C互相调用慢

JNI又称为 Java Native Interface，翻译过来就是Java原生接口，就是用来跟C/C++代码交互的。

若是不作Android开发的可能不知道，Android项目里的代码除了Java,颇有可能还有部分C语言的代码。

这个时候有个严重的问题，首先上图 (图片参考方舟编译器原理PPT)：

在开发阶段Java源代码在开发阶段打包成.dex文件，C语言直接就是.so库，由于C语言自己就是编译语言。

在用户手机中，APK中的.dex文件（字节码）会被解释为.oat文件（机器码）运行在ART虚拟机中，.so库则为计算机能够直接运行的二进制代码（机器码），两份机器码要互相调用确定是有开销的。

下面就来阐述下为何两份机器码会不一样。

这边须要深刻理解字节码->机器码的编译过程，在图上虽然都被编译成了机器码，都能被硬件直接调用，可是两份机器码的性能，效率，实现方式相差甚多，这主要是由如下两个点形成的：

• 编程语言不一样致使编译出的字节码不一样致使编译出的机器码不一样。

  举个🌰，针对一样是静态语言的C和Java，对int a + b 的运算

  C语言能够直接加载内存，在寄存器中计算，这是因为C语言是静态语言，a和b是肯定的int对象。

  在Java中虽然定义对象咱们也要明确的指出对象的类型，例如int a = 0,可是Java拥有动态性，Java拥有反射，代理，谁也不敢保证a在被调用时仍是int类型，因此Java的编译须要考虑上下文关系，即具体状况具体编译。

  因此连字节码已经不一样了，编译出的机器码确定不一样。

• 运行环境不一样致使编译出的机器码不一样

  图中明显看到由Java编译而来的机器码包裹在ART中，ART全称Android RunTime，即安卓运行环境，跟虚拟机差很少是一个意思。而C语言所在的运行环境不在ART中。

  RunTime提供了基本的输入输出或是内存管理等支持，若是要在两个不一样的RunTime中互相调用，则必然有额外开销。

  举个🌰，因为Java有GC（垃圾回收机制），在Java中的一个对象地址不是固定的，有可能被GC挪动了。即在ART环境中跑的机器码中的对象的地址不固定。但是C语言哪管那么多幺蛾子，C就直接问Java要一个对象的地址，但万一这个对象地址被挪动了，那就完蛋了。解决方案有两个：

  1. 把这个对象在C里再拷一份。很明显这形成了很大的开销。
  2. 告诉ART，我要用这个对象了，GC这个对象的地址你不能动！你先一边呆着去。这样相对而言开销却是小了，但若是这个地址若是一直不能被回收的话，可能形成OOM。

  （此处参考知乎@张铎在华为公布的方舟编译器到底对安卓软件生态会有多大影响？中的回答）

3. 字节码的编译模板——未针对具体APP进行优化

咱们举个🌰来理解编译模版，“Hello world”能够被翻译为“你好，世界”，一样也能够被翻译为“世界，你好”，这个差异就是编译模版不一样致使的，

①. 统一的编译模版（vm模版）

字节码能够经过不一样的编译模版被编译为机器码，而编译模版的不一样将直接致使编译完后的机器码性能截然不同。

在安卓中，ART有一套规定的，统一的编译模版，暂且称为VM模版，这套模版虽算不上差劲，但也算不上优秀。

由于它是谷歌爸爸搞出来的，确定算不上差劲，但因为没有针对每个APP进行特定的优化，因此也算不上优秀。

②. vm模版存在的问题

问题就存在于没有针对每个APP进行优化。

在上文谷歌对于Android2.2的虚拟机优化中已经讲到过，那时候谷歌使用JIT将用户经常使用的功能记下来(热点代码)，当用户打开APP的时候立马将这些内容编译出来，即优先编译热点代码。

可是到了Android7.0的混合编译时代，因为AOT的存在，这个功能被弱化了，这时JIT记录下的热点代码并不是是持久化的。AOT的编译优先级遵循于vm模版，AOT根据模板的内容将一些字节码优先编译为机器码。

那么这个时候就产生了一个问题。

先举个🌰，一家中餐馆的招牌菜是番茄炒蛋，那么番茄炒蛋的备菜确定很足，可是顾客A特立独行，他恰恰不要吃番茄炒蛋，他每次都点一个冷门的牛排套餐，那这时候只能让顾客等着老板将牛排套餐作完。

若是一个APP的热点代码（如首页），恰好游离于VM模板以外，那么AOT就其实形同虚设了。(好比vm模版优先编译名称不大于15个字符的类和方法，可是首页的类名恰好高于15个字符。此处仅为举例并无实际论证过）

下面用首页和设置页来举例：因为遵循vm模版，AOT由于某个缘由没有优先编译首页部分代码，而转而去编译了不过重要的设置页代码：

上图的流程说明了在特殊状况下，AOT编译实则不起做用，彻底是靠解释器和JIT在进行实时编译，整个编译方案退步到了Android2.2时期。

③. 聪明的ART

虽然这个问题存在，但并非特别严重。由于ART并无我说的那么笨。在以后应用使用过程当中，ART会记录并学习用户的使用习惯（保存热点代码），而后更新针对当前APP的定制化vm模版，不断的补充热点代码，补充定制化模版。

这是否是听起来很熟悉？在手机发布大会上的宣传语“基于用户操做习惯进行学习，APP打开速度不断提升”的部分原理就是这个。

④. 最终大招，一劳永逸

其实要一劳永逸的解决这个问题思路也不难：咱们只须要在吃饭前跟老板提早预约想吃啥就行，让老板先准备起来，这样等咱们到了就不用等餐了。

在最新的Android9.0版本中，谷歌推出了这个相似提早预约的功能：编译系统支持在具备蓝图编译规则的原生 Android 模块上使用 Clang 的配置文件引导优化 (PGO)。

说人话：谷歌容许你在开发阶段添加一个配置文件，这个配置文件内可指定“热点代码”，当应用安装完后，ART在后台悄悄编译APP时，会优先编译配置文件中指定的“热点代码”。

虽然谷歌支持，可是这块技术对于APP开发人员而言国内资料过于缺少，普及面不广。笔者先贴上官方连接，以及这篇博客，其中介绍的仍是挺详细的。（隔壁Xcode针对PGO都有UI界面了）

3、解决思路

解决思路总结为四个字就是：华为方舟。

方舟的解决思路：

1. 针对虚拟机问题，方舟说：我不要你这个烂虚拟机了，咱们裸奔

2. 针对JNI调用问题，方舟说：咱们让Java在编译阶段跟C同样直接编译成机器码，干掉虚拟机，跟.so库直接调用，毫无JNI开销问题

3. 针对编译模版问题，方舟说：咱们支持针对不一样APP进行不一样的编译优化

总结一下：方舟支持在打包编译阶段针对不一样APP进行不一样的编译优化，而后直接打包成机器码.apk(极可能已经不叫apk了)，而后直接运行。

这样看起来方舟确实解决掉了三大问题，可是，代价呢？

若是按照这个思路，方舟就确定不止是一个编译器了，它应该还有一套本身的runtime。固然这些都是后话了。

关于方舟的实现只是大概讲了思路，但没有深刻，由于一来方舟没开源，二来方舟发布会PPT营销层面更多，技术细节缺乏，如今奇思妙想彻底是纸上谈兵，一切仍是静待开源吧。

4、程序员不背卡顿的锅！

自从发表文章以来，收到了一些反馈，其中有一种声音是：

形成卡顿的主要缘由是垃圾代码和保活，全家桶等国产软件的锅。

对这一点，我不能否认，垃圾代码，保活策略，全家桶是很恶心。

可是若是要将这些影响上升为形成卡顿的主要缘由，

笔者认为大家是太看得起本身的垃圾代码负优化能力了，仍是太看不起小米，华为这些系统生产厂家了，仍是以为天底下的iOS人手水平高Android一个层次呢？

若是必定要说垃圾代码形成了卡顿，也请去理解下哪些代码是所谓的垃圾代码，好比某些代码形成了内存抖动和GC频繁回收形成了卡顿，不要就扔下一句，垃圾代码而后让程序员背了全部的锅。都9102年了，别再随便甩锅给程序员了！，也请那些这样认为的人别再妄自菲薄了！

至于保活，在如今的华为小米等系统里弄一个全天候保活，互相拉起的进程，大概就会像黑进阿里的黑客同样，次日去公司报道吧。

至于一些千元机的卡顿问题，能够了解下Google新推的Android Go系统，这个系统下的APP开发要求异常的苛刻。

5、参考资料

1. 华为公布的方舟编译器到底对安卓软件生态会有多大影响？
2. 华为新贵！方舟编译器的荣光和使命
3. 一文看懂华为方舟编译器，安卓的一大进步
4. What does a JVM have to do when calling a native method?
5. 关于Dalvik、ART、DEX、ODEX、JIT、AOT、OAT