【朝花夕拾】Android性能篇之(五)Android虚拟机

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【朝花夕拾】Android性能篇之(五)Android虚拟机

宋者为王 2018-09-14 11:55:00 浏览156
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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

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