Android ART虚拟机简单运行过程

ART前世今生

虽然Android应用大多用Java/Kotlin编写，但是实际上Android虚拟机并不使用JVM字节码，而是将Class文件通过DX编译器（现已换成D8）编译为更加紧凑的dex文件，然后由虚拟机执行。

最开始的Android虚拟机是Dalvik，ART虚拟机由Android4.4被引入成为可选项，在Android5.0之后替换掉了Dalvik，并且在Android7.0和8.0分别进行了一系列改动，关于ART虚拟机的说明官方文档有提到，不过并不是那么好理解。

基本概念和名词

• .dex文件：App所有java源代码编译后生成众多class文件，由DX/D8，编译为一个/多个（multiDex）dex文件，由Android虚拟机编译执行

• .odex文件：dex文件经过验证和优化后的产物，art下的odex文件包含经过AOT编译后的代码以及dex的完整内容，但Android8.0之后odex中的dex内容移动到了.vdex文件

• .art文件：art下根据配置文件生成odex文件时同时生成.art文件，主要是为了提升运行时加载odex中热点代码的速度，包含了类信息和odex中热点方法的索引，运行App时会首先根据这个文件来加载odex中已经编译过的代码

• 解释器（Interpreter）：用于程序运行时对代码进行逐行解释，翻译成对应平台的机器码执行

• JIT编译（Just In Time）：由于解释器方式运行太慢引入，对于频繁运行的热点代码（判定标准一般是在某个时间段内执行次数达到某个阈值）进行实时编译（在ART下以方法为粒度）执行，并且缓存JIT编译后的代码在内存中用于下次执行。由于以方法为粒度（ArtMethod）进行编译，JIT编较于解释器可以生成效率更高的代码，运行更快。

• AOT编译（Ahead-Of-Time）：应用安装时全量编译所有代码为本地机器码，运行时直接执行机器码。

ART 如何运作

4.4~7.0

最开始ART只采用AOT编译，在App安装时就编译所有代码存储在本地，打开App直接运行，这样做的优点是应用运行速度变快，缺点也很明显，App安装时间明显变长，而且占用存储空间较大。

7.0

Android N之后对于ART进行改动，重新引入了JIT编译，结合使用AOT/JIT混合编译，主要机制如下：

1. 安装时不进行任何编译，前几次运行仅通过解释器解释运行，同时对热点代码进行JIT编译，并将这些代码的相关信息记录在一个配置文件里

2. 设备处于空闲和充电状态时，编译守护进程读取配置文件对热点代码进行AOT编译并写入到app对应的odex文件中

3. 再次启动应用后优先使用AOT编译过的代码，否则使用解释器+JIT编译，重复这个过程

对于一些庞大的APP，比如淘宝，有些功能可能你一辈子都不会用到，根据上述策略这部分代码就不会被编译保存，从而减少了存储空间的占用。另外，在系统升级时也避免了全量编译所有现存应用造成的时间空间消耗。

8.0

Android 8.0引入了.vdex文件，它里面包含 APK 的未压缩 DEX 代码，以及一些用于加快验证速度的元数据。怎么理解呢？这里我们需要补充一下对dex文件的编译配置和系统ROM中各类应用的默认编译方式：

编译选项（compiler filters）：

• verify：只对 DEX 文件进行代码验证，校验各部分合法性。

• quicken：在verify的基础上优化一些 DEX 指令，提升解释器性能。

• speed：在verify的基础对所有方法进行 AOT 编译。

• speed-profile：在verify的基础对配置文件中列出的方法（热点方法）进行 AOT 编译。

系统ROM中各类应用默认编译方式：

• 启动类路径代码（用于启动系统的部分代码）：默认使用 speed 编译过滤器进行编译

• 系统服务器代码（比如电量、多媒体服务代码）：默认使用 speed 编译过滤器进行编译

• 产品专属的核心应用（比如goole服务框架）：默认使用 speed 编译过滤器进行编译

• 所有第三方应用：默认使用 quicken 编译过滤器进行编译

所有第三方应用最开始都是通过quiken模式只进行了dex校验和一些指令优化，.vdex文件存放的就是经过校验后的dex代码，以便在对热点代码进行AOT编译时避免重复验证，加快速度。

总结

扯了这么多淡实际上核心内容就一句话：App安装时不编译代码只校验合法性，运行时通过解释器执行，将运行频繁的代码进行编译放到内存缓存并且记录在本地配置文件，后台线程编译配置文件记录的方法存放到.odex文件，再次运行App时优先读.odex文件中编译后的代码，然后重复这个过程。