android 虚拟机介绍
概述
Android4.4以上开始使用ART虚拟机,在此之前我们一直使用的Dalvik虚拟机,那么为什么Google突然换了Android运行的虚拟机呢?答案只有一个:ART虚拟机更优秀。
1. Dalvik虚拟机基本知识介绍
Dalvik基本概念
Dalvik虚拟机是Android程序的虚拟机,其指令集基于寄存器架构,执行其特有的文件格式——dex字节码,主要负责完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全异常管理、垃圾回收等重要功能。
android使用的Java代码,跟Java 虚拟机类似,是Android中Java程序的运行基础。
但是dalvik虚拟机与Java虚拟机有较大区别:
1)、dalvik基于寄存器,而JVM基于stack
2)、Dalvik执行的是特有的DEX文件格式,而JVM运行的是*.class文件格式。
优势:
1)、在编译时提前优化代码而不是等到运行时
2)、 虚拟机很小,使用的空间也小;被设计来满足可高效运行多种虚拟机实例。
3)、常量池已被修改为只使用32位的索引,以 简化解释器
2、 Dalvik进程管理:
dalvik进程管理是依赖于linux的进程体系结构的,如要为应用程序创建一个进程,它会使用linux的fork机制来复制一个进程(复制进程往往比创建进程效率更高)。
Zygote是一个虚拟机进程,同时也是一个虚拟机实例的孵化器,它通过init进程启动。首先会孵化出System_Server(android绝大多系统服务的守护进程,它会监听socket等待请求命令,当有一个应用程序启动时,就会向它发出请求,zygote就会FORK出一个新的应用程序进程).每当系统要求执行一个android应用程序时,Zygote就会运用linux的FORK进制产生一个子进程来执行该应用程序。
不同的应用在不同的进程空间里运行,当一个虚拟机关闭或意外中止时不会对其它 虚拟机造成影响,可以最大程度的保护应用的安全和独立运行。
随着使用时间的增长,android系统会变得越来越慢。很多中高端的Android手机即使在硬件配置上比同时期的iPhone还要高不少,仍然会在长期使用之后变得反应迟钝。关于Android系统运行慢的原因众说纷纭,其中大家公认的一个因素,就是Android使用的Dalvik虚拟机的性能问题。
随着越来越多Android5.0及以上机型的面世,很多终端用户已经用上了配备ART虚拟机的Android系统。系统是否真的变快了,这还需要经过用户的考验,我们先看一下ART有哪些技术上的改进。
Dalvik和ART
众所周知,Android系统是以Linux为内核构建的。Google为了降低应用的开发难度,并将其适配到不同硬件配置的设备上,在Linux内核之上构建了一个虚拟机,Android应用使用java开发,运行在虚拟机之上。
Dalvik就是Android4.4及之前使用的虚拟机,它使用的是JIT(Just-In-Time)技术来进行代码转译,每次执行应用的时候,Dalvik将程序的代码编译为机器语言执行。随着硬件水平的不断发展以及人们对更高性能的需求,Dalvik虚拟机的不足日益突出。而应运而生的ART(Android RunTime)虚拟机,其处理机制根本上的区别是:它采用AOT(Ahead-Of-Time)技术,会在应用程序安装时就转换成机器语言,不再在执行时解释,从而优化了应用运行的速度。在内存管理方面,ART也有比较大的改进,对内存分配和回收都做了算法优化,降低了内存碎片化程度,回收时间也得以缩短。
下图是Google发布的使用不同性能测试工具时Dalvik和ART的得分对比:
ART运作原理
1) 内存管理
内存管理的优化是ART的一大改进。
ART虚拟机首先会从系统空间中取得足够的空间,这些空间在没有使用的时候并不占用物理内存,在使用的时候才分配物理内存,在不需要的时候及时归还给系统。ART 将分配到的空间根据需要托管给不同的算法进行管理,主要提供了如下几种分配算法来进行内存分配,它们的定义可以在ART源码定义中看到:
enum AllocatorType {
kAllocatorTypeBumpPointer, // Use BumpPointer allocator, has entrypoints.
kAllocatorTypeTLAB, // Use TLAB allocator, has entrypoints.
kAllocatorTypeRosAlloc, // Use RosAlloc allocator, has entrypoints.
kAllocatorTypeDlMalloc, // Use dlmalloc allocator, has entrypoints.
kAllocatorTypeNonMoving, // Special allocator for non moving objects, doesn't have entrypoints.
kAllocatorTypeLOS, // Large object space, also doesn't have entrypoints.
};
其中后二种是没有跳转表(entrypoints)的,我们主要了解一下前面4种的分配策略:
RosAlloc(Rows of slots Allocator)的分配策略:在Ros Alloc Space分配对象,是一种线性分配方式,将一个大的连续空间划分为多个片,每个片中只能分配固定大小的内存。这种分配方式有一个更加细粒度的结构,可以锁定独立的对象。
BumpPointer:在Bump Pointer Space中分配对象。每一次申请时,分配需要的size,返回end地址的值。然后将end后移sized,作为下一次申请的地址。这种分配采用不计数申请的方式,直到发生out of memory。采用Moving GC的方式进行回收。
TLAB(Thread Local Allocation Block):在由Bump Pointer Space提供的线程局部分配缓冲区中分配对象,按线程进行管理。每一个线程,从Bump Pointer Space中申请一个block,在线程内使用Bump Pointer的分配策略。由于每一个线程独立在自己的block中分配内存,避免了同步,可以提高效率。
DLMalloc:这是原Dalvik使用的算法 。在Dl Malloc Space分配对象,将memory划分成很多小的数据块,每一个块的前8个或者16个字节作为Header,使用链表来管理空闲的数据块。
使用这些不同算法来分配内存,与Dalvik相比可以有效的减少碎片化,由于碎片化减少,相应也就减少了GC的次数。除此之外,像TLAB这样的算法引入,也减少了申请内存时线程之间的竞争。
在内存回收方面,ART也提供了几种GC算法,GC算法与内存分配算法相对应,关系如下表:
ART在回收memory时,会依据进程状态选择不同的算法。除此之外,ART在GC时采用了读写锁的机制,减少了进程被挂起的时间,因此较之于Dalvik,GC时线程挂起的时间也相应缩短。
2) 代码执行
我们引用一张Google的图来看一下Android对apk的执行流程(图片从上往下阅读)
Java文件在编译成class文件,然后经过Android平台的dx工具转换为Dex文件后,同Native code(JNI)和资源一起打包成apk,apk安装到手机后解压出Dex文件。Dalvik会通过dexopt工具将Dex优化,成为Odex文件,Odex文件的效率比Dex高,但其中大部分代码仍然需要每次执行时编译;而ART则会将Dex通过dex2oat工具编译得到一个ELF文件,它是一个可执行的文件。
int a = 1;
int b = 2;
public int test() {
① int x = a;
② int y = b;
int z = a + b;
return z;
}
在执行这段Java代码时,Dalvik虚拟机先要把test()方法的每句代码转译成Dex代码,对其中的① ② 两句赋值语句,执行时需要在虚拟机中进行“指令读取—识别指令—跳转—实例操作”的解析过程;而ART中Java代码都被以方法为单位编译成汇编指令,执行上面这个方法的时候,① ② 两句代码只需要直接拷贝两个寄存器的值,各需要一条汇编指令就可以完成,省去了跳转、指令读取的过程,执行效率也就大大提高了。
总结
虚拟机从Dalvik换成ART后,Android系统的性能得到了一定程度的提升。不过ART与Dalvik相比也存在一些缺点,比较明显的表现就是,apk经过dex2oat预编译之后,占用的空间增加,因此Android ROM占用的空间更大。手机在安装下载的apk时,安装时间也明显变长。但在手机硬件配置越来越高的今天,与获得更佳的系统性能相比,这个缺点也就不那么引人注目了。
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