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。

        

       为此Google在2014年推出了新的虚拟机ART，在Android4.4系统中提供给用户试用，力图从根本上改善系统卡顿的问题 ，并且从Android5.0开始废弃了Dalvik，全面推行ART。

       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。

关于Java代码的执行过程，以一段简单的代码为例：

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。