Android面試收集錄13 Android虛擬機及編譯過程
一、什麽是Dalvik虛擬機
Dalvik是Google公司自己設計用於Android平臺的Java虛擬機，它是Android平臺的重要組成部分，支持dex格式（Dalvik Executable）的Java應用程序的運行。dex格式是專門為Dalvik設計的一種壓縮格式，適合內存和處理器速度有限的系統。Google對其進行了特定的優化，使得Dalvik具有高效、簡潔、節省資源的特點。從Android系統架構圖知，Dalvik虛擬機運行在Android的運行時庫層。
Dalvik作為面向Linux、為嵌入式操作系統設計的虛擬機，主要負責完成對象生命周期管理、堆棧管理、線程管理、安全和異常管理，以及垃圾回收等。另外，Dalvik早期並沒有JIT編譯器，直到Android2.2才加入了對JIT的技術支持。
二、Dalvik虛擬機的特點
體積小，占用內存空間小；
專有的DEX可執行文件格式，體積更小，執行速度更快；
常量池采用32位索引值，尋址類方法名，字段名，常量更快；
基於寄存器架構，並擁有一套完整的指令系統；
提供了對象生命周期管理，堆棧管理，線程管理，安全和異常管理以及垃圾回收等重要功能；
所有的Android程序都運行在Android系統進程裏，每個進程對應著一個Dalvik虛擬機實例。
三、Dalvik虛擬機和Java虛擬機的區別
Dalvik虛擬機與傳統的Java虛擬機有著許多不同點，兩者並不兼容，它們顯著的不同點主要表現在以下幾個方面：
Java虛擬機運行的是Java字節碼，Dalvik虛擬機運行的是Dalvik字節碼。
傳統的Java程序經過編譯，生成Java字節碼保存在class文件中，Java虛擬機通過解碼class文件中的內容來運行程序。而Dalvik虛擬機運行的是Dalvik字節碼，所有的Dalvik字節碼由Java字節碼轉換而來，並被打包到一個DEX（Dalvik Executable）可執行文件中。Dalvik虛擬機通過解釋DEX文件來執行這些字節碼。
Dalvik可執行文件體積小。Android SDK中有一個叫dx的工具負責將Java字節碼轉換為Dalvik字節碼。
dx工具對Java類文件重新排列，消除在類文件中出現的所有冗余信息，避免虛擬機在初始化時出現反復的文件加載與解析過程。一般情況下，Java類文件中包含多個不同的方法簽名，如果其他的類文件引用該類文件中的方法，方法簽名也會被復制到其類文件中，也就是說，多個不同的類會同時包含相同的方法簽名，同樣地，大量的字符串常量在多個類文件中也被重復使用。這些冗余信息會直接增加文件的體積，同時也會嚴重影響虛擬機解析文件的效率。消除其中的冗余信息，重新組合形成一個常量池，所有的類文件共享同一個常量池。由於dx工具對常量池的壓縮，使得相同的字符串，常量在DEX文件中只出現一次，從而減小了文件的體積。
針對每個Class文件，都由如下格式進行組成：
dex格式文件使用共享的、特定類型的常量池機制來節省內存。常量池存儲類中的所有字面常量，它包括字符串常量、字段常量等值。
簡單來講，dex格式文件就是將多個class文件中公有的部分統一存放，去除冗余信息。
**Java虛擬機與Dalvik虛擬機架構不同。**這也是Dalvik與JVM之間最大的區別。
Java虛擬機基於棧架構，程序在運行時虛擬機需要頻繁的從棧上讀取或寫入數據，這個過程需要更多的指令分派與內存訪問次數，會耗費不少CPU時間，對於像手機設備資源有限的設備來說，這是相當大的一筆開銷。Dalvik虛擬機基於寄存器架構。數據的訪問通過寄存器間直接傳遞，這樣的訪問方式比基於棧方式要快很多。
四、Dalvik虛擬機的結構
一個應用首先經過DX工具將class文件轉換成Dalvik虛擬機可以執行的dex文件，然後由類加載器加載原生類和Java類，接著由解釋器根據指令集對Dalvik字節碼進行解釋、執行。最後，根據dvm_arch參數選擇編譯的目標機體系結構。
五、Android APK 編譯打包流程
1.Java編譯器對工程本身的java代碼進行編譯，這些java代碼有三個來源：app的源代碼，由資源文件生成的R文件(aapt工具)，以及有aidl文件生成的java接口文件(aidl工具)。產出為.class文件。
①.用AAPT編譯R.java文件
②編譯AIDL的java文件
③把java文件編譯成class文件
2..class文件和依賴的三方庫文件通過dex工具生成Delvik虛擬機可執行的.dex文件，包含了所有的class信息，包括項目自身的class和依賴的class。產出為.dex文件。
3.apkbuilder工具將.dex文件和編譯後的資源文件生成未經簽名對齊的apk文件。這裏編譯後的資源文件包括兩部分，一是由aapt編譯產生的編譯後的資源文件，二是依賴的三方庫裏的資源文件。產出為未經簽名的.apk文件。
4.分別由Jarsigner和zipalign對apk文件進行簽名和對齊，生成最終的apk文件。
總結為：編譯-->DEX-->打包-->簽名和對齊
六、ART虛擬機與Dalvik虛擬機的區別
什麽是ART:
ART代表Android Runtime，其處理應用程序執行的方式完全不同於Dalvik，Dalvik是依靠一個Just-In-Time (JIT)編譯器去解釋字節碼。開發者編譯後的應用代碼需要通過一個解釋器在用戶的設備上運行，這一機制並不高效，但讓應用能更容易在不同硬件和架構上運 行。ART則完全改變了這套做法，在應用安裝時就預編譯字節碼到機器語言，這一機制叫Ahead-Of-Time (AOT）編譯。在移除解釋代碼這一過程後，應用程序執行將更有效率，啟動更快。
ART優點：
- 系統性能的顯著提升。
- 應用啟動更快、運行更快、體驗更流暢、觸感反饋更及時。
- 更長的電池續航能力。
- 支持更低的硬件。
ART缺點：
- 更大的存儲空間占用，可能會增加10%-20%。
- 更長的應用安裝時間。
ART虛擬機相對於Dalvik虛擬機的提升
預編譯
在dalvik中,如同其他大多數JVM一樣,都采用的是JIT來做及時翻譯(動態翻譯),將dex或odex中並排的dalvik code(或者叫smali指令集)運行態翻譯成native code去執行.JIT的引入使得dalvik提升了3~6倍的性能。
而在ART中,完全拋棄了dalvik的JIT,使用了AOT直接在安裝時將其完全翻譯成native code.這一技術的引入,使得虛擬機執行指令的速度又一重大提升
垃圾回收機制
首先介紹下dalvik的GC的過程.主要有有四個過程:
- 當gc被觸發時候,其會去查找所有活動的對象,這個時候整個程序與虛擬機內部的所有線程就會掛起,這樣目的是在較少的堆棧裏找到所引用的對象.需要註意的是這個回收動作和應用程序非並發。
- gc對符合條件的對象進行標記
- gc對標記的對象進行回收
- 恢復所有線程的執行現場繼續運行
dalvik這麽做的好處是,當pause了之後,GC勢必是相當快速的.但是如果出現GC頻繁並且內存吃緊勢必會導致UI卡頓,掉幀.操作不流暢等。
後來ART改善了這種GC方式 , 主要的改善點在將其非並發過程改變成了部分並發.還有就是對內存的重新分配管理。
當ART GC發生時:
- GC將會鎖住Java堆,掃描並進行標記
- 標記完畢釋放掉Java堆的鎖,並且掛起所有線程
- GC對標記的對象進行回收
- 恢復所有線程的執行現場繼續運行
- 重復2-4直到結束
可以看出整個過程做到了部分並發使得時間縮短.據官方測試數據說gc效率提高2倍
提高內存使用，減少碎片化
Dalvik內存管理特點是:內存碎片化嚴重，當然這也是Mark and Sweep算法帶來的弊端
可以看出每次gc後內存千瘡百孔，本來連續分配的內存塊變得碎片化嚴重，之後再分配進入的對象再進行內存尋址變得困難。
ART的解決:在ART中,它將Java分了一塊空間命名為Large-Object-Space,這塊內存空間的引入用來專門存放large object。同時ART又引入了moving collector的技術,即將不連續的物理內存塊進行對齊.對齊了後內存碎片化就得到了很好的解決.Large-Object-Space的引入一是因為moving collector對大塊內存的位移時間成本太高,而且提高內存的利用率 根官方統計，ART的內存利用率提高10倍了左右。
七、參考文章
https://github.com/LRH1993/android_interview/blob/master/android/basis/dalvik-art.md
Android面試收集錄13 Android虛擬機及編譯過程