Android架构纵横谈之二――基于性能的考虑

 《Android架构纵横谈之一——软件自愈能力》已经谈地告了一个段落。接下来这个系列二我们谈Android性能方面的考虑。Android系统组件繁杂，盘根错节，若非在性能上进行充分的考虑，恐怕会慢如蜗牛。Android有独具特色的Dalvik虚拟机，启动过程中即加载许多资源以便子进程进行继承的Zygote，广泛使用共享内存的AudioFlinger、 SurfaceFlinger、Property Service，应用程序对图形的direct render，简单高效的新增的IPC 方式binder等。我们大概还是分成多回来谈。

今天我们先谈AndroidJava 世界女娲Zygote 的高妙之处，歌颂其在广阔深蓝到处打渔的壮美举动。广大读者仍然可以透过新浪微博“@宋宝华Barry ”进行交流，写技术博客是个非常痛苦的过程，所以无论是板砖的也好，喝彩的也好，欢迎都上来吆喝几声。我这边特别要声明的是，本系列不着眼于谈细小的知识点，而更多的是谈设计思想上的考虑。

Java世界的“固有领土”

同志们，进程是一个资源封装的单位，所谓进程，就是讲�潘棵堑姆孔印⒊底�, task_struct是Linux  内核里用于描述进程的数据结构，进程就是资源，故task_struct就是封装了一个个的资源以及进程的属性（如pid等 ），它的定义如下：

struct task_struct {

            �潘棵�: comm
            �潘�id: pid
            �潘糠孔�:mm_struct
            �潘砍底�:fs_struct
            �潘抗ぷ�: signal_struct
            …
            �潘孔刺�:  睡、干活、僵尸等
}

struct task_struct {

            �潘棵�: comm
            �潘�id: pid
            �潘糠孔�:mm_struct
            �潘砍底�:fs_struct
            �潘抗ぷ�: signal_struct
            …
            �潘孔刺�:  睡、干活、僵尸等
}

所以task_struct天生就是针对当今社会而生的，一个结构体把所有你资产全部囊括。

线程是CPU调度的单元，虽然是一套房子mm_struct、一部车子fs_struct、一个人工资signal_struct等，如果被2个或者多个�潘克�共享（这里就是这些结构体指针指向完全相同，pthread_create透过clone实现了这个功能），那么这几个�潘烤褪峭�一个进程里面的多个线程了。

Linux中每个�潘慷际歉�task_struct，内核并不区分进程和线程，只是通过一个房子挂到2个task_struct的头上来实现线程的。简单地说，您和您老婆是2个task_struct，但是有个 房产证mm_struct是同一个。但是作为2个线程，厕所（CPU）这个唯一资源还是要轮着来被调度的。

一般情况下，Linux的进程通过fork诞生，这个时候，子进程的mm_struct指针并不等于父进程的mm_struct，而是重新分配一个mm_struct内存并让它等于负进程的mm_struct，所以子进程这个时候也share了父进程的资源。关于这个继承，原因很简单，因为几千年前咱有几个�潘咳ツ潜叽蚬�鱼，属于咱们固有的资源。这些继承的资源是只读的，如果要写，就会造成一个“写时拷贝”，内核会为写的进程重新申请1个page并拷贝老的page，在新的page上再进行写。

一般情况下，子进程被fork出来后，会调用exec（）对userspace进行替换，典型地Android的init使用了该模型：

exec()用一个可执行文件替换当前子进程的用户空间。注意在exec()对userspace替换后，除pid等id信息保留外，0、1、2这3个代表标准输入、输出、错误输出的fd依然保留原来的含义，这使得我们Android的 init进程可以启动init.rc的service的时候，将0、 1、2重定向到/dev/null，看看 Android的init启动service的过程：

 

static void zap_stdio(void)
{
    int fd;
    fd = open("/dev/null", O_RDWR);
    dup2(fd, 0);
    dup2(fd, 1);
    dup2(fd, 2);
    close(fd);
}
void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
{
    …

    pid = fork();

    if (pid == 0) {
        …
        if (needs_console) {
            …
        } else {
            zap_stdio();
        }
       …
            execve(svc->args[0], (char**) arg_ptrs, (char**) ENV);
        }
}

static void zap_stdio(void)
{
    int fd;
    fd = open("/dev/null", O_RDWR);
    dup2(fd, 0);
    dup2(fd, 1);
    dup2(fd, 2);
    close(fd);
}
void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
{
    …

    pid = fork();

    if (pid == 0) {
        …
        if (needs_console) {
            …
        } else {
            zap_stdio();
        }
       …
            execve(svc->args[0], (char**) arg_ptrs, (char**) ENV);
        }
}

     可以看出init创建的service都是被fork+exec整出来的，一般情况下，printf的东西就这样没了，因为在exec()前就被 dup到了/dev/null。

      但是 init并非工作在Java的世界，而Java的世界通过Zygote产生。Java程序最终不会如同C/C++ native代码那样可以被编译和连接为一个可执行文件，Java源程序经过编译得到的并非可执行程序而是中间码，由Java虚拟机解释执行，所以没有办法被exec()。Java的性能下降了，但是，由于没有exec()，却成就了 fork()对资源的继承性，否则，被exec()后，userspace会被整体替换。

      Zygote启动的SystemServer 和apk都只是先 fork，而后寻找到相应目标类的main()函数并执行，这个过程没有exec()。既然如此，在Android的Java世界里，必然存在某些资源是可能被许多进程所共同需要的，这个机会绝对不会被我天朝的渔民放过，肯定要先去打个渔以便小白兔直接宣传其为“固有领土”，这个过程主要是preloadClasses和preloadResources。

     要preload的class存放在frameworks/base/preloaded-classes文件中，这个文件快2000行了，咱天朝几千年前的�潘空媾�b啊，到处打渔，黄岩岛、钓鱼岛该去的都去了，还有很多礁什么的，也跑了一遭，直接把天朝打成高富帅了：

 

android.R$styleable
android.accounts.Account
android.accounts.Account$1
android.accounts.AccountManager
岛太多，下面省略

android.R$styleable
android.accounts.Account
android.accounts.Account$1    
android.accounts.AccountManager 
岛太多，下面省略

     preloadResources则主要加载framework-res.apk中的资源。这2个preload的过程实在很慢啊，你用bootchart观察Android启动过程，可能发现5000年文明史有一半都被Zygote拿去打渔去了：

 

 

     有人说，既然preload东东这么慢，严重影响了开机速度，那我们不要preload不就好了吗？

      同志们啊，preload的意义就是先hold住打个渔，fork()子进程都发生在此之后，子进程如果用的时候直接就可以用了。如果这个过程不做的话，那么就需要每个子进程自己用的时候再去load，那该多耗费多少内存以及多慢呢？祖先们去打渔好处是明显的。其结果如下：

      最后，我们要说的是没了exec()，Java语言对应的进程就失去了一种能力，举个例子，你如果要透过valgrind检查SystemServer的native层内存泄露、溢出或者某个 apk的native层内存泄露、溢出 ,你不可能敲个命令行叫：valgrind --tool=memcheck --leak-check=full systemserver吧？

      而这样的需求却真实地存在着，于是Jeff Brown [email protected]提交了让Android Java程序以exec方式被启动的patch ，这些patch分布于对dalvik_system_Zygote.c、Zygote.java、app_process/app_main.cpp、RuntimeInit.java，并新增加了一个WrapperInit.java文件，使得我们可以通过exec()的方式启动Java程序，这样我们在 Java程序启动前插入 wrap(如valgrind)就很easy了，这个过程实际上就是：

 

public static void execApplication(String invokeWith, String niceName,
        FileDescriptor pipeFd, String[] args) {
    StringBuilder command = new StringBuilder(invokeWith);
    command.append(" /system/bin/app_process /system/bin --application");
    if (niceName != null) {
        command.append(" '--nice-name=").append(niceName).append("'");
    }
    command.append(" com.android.internal.os.WrapperInit ");
    command.append(pipeFd != null ? IoUtils.getFd(pipeFd) : 0);
    Zygote.appendQuotedShellArgs(command, args);
    Zygote.execShell(command.toString());
}

    public static void execApplication(String invokeWith, String niceName,
            FileDescriptor pipeFd, String[] args) {
        StringBuilder command = new StringBuilder(invokeWith);
        command.append(" /system/bin/app_process /system/bin --application");
        if (niceName != null) {
            command.append(" '--nice-name=").append(niceName).append("'");
        }
        command.append(" com.android.internal.os.WrapperInit ");
        command.append(pipeFd != null ? IoUtils.getFd(pipeFd) : 0);
        Zygote.appendQuotedShellArgs(command, args);
        Zygote.execShell(command.toString());
    }

其中最关键的就是/system/bin/app_process /system/bin –application，实际上还由app_process 这个可执行文件（可以被exec了）去创建一个运行Java的进程。同志们，Zygote其实就这app_process改名来的。app_process是正宗的Java class启动者，Zygote可以看作一个马甲。

因此我们可以以这样的方式让valgrind可以跟踪SystemServer:

adb root
adb shell setprop wrap.system_server "logwrapper valgrind"
adb shell stop && adb shell start

adb root 
adb shell setprop wrap.system_server "logwrapper valgrind" 
adb shell stop && adb shell start

其实就是把启动SystemServer的过程变成了fork ->exec(/system/bin/app_process /system/bin –applicationlogwrapper valgrind system_server)的过程。