Android ＡＲＴ虚拟机（一）

逃离我推掉我的手 2022-05-31 07:13 319阅读 0赞

Android的应用程序开发语言首选的是java，所以Android虚拟机或多或少都会借鉴ＪＶＭ中的一些设计思想和技术实现。虽然严格意义上讲Android的dalvik/art并不是纯正的ｊａｖａ虚拟机（因为没有完全遵循ＪＶＭ规范），但是本质上跟hotspot等ｊｖｍ又有很多相似。所以先理解java虚拟机对理解Ａｎｄｒｏｉｄ虚拟机是会有很大帮助的。

ｊａｖａ虚拟机解决的核心问题是:write once,run anywhere，为了这个目标，需要把ｊａｖａ语言文件编译为中间状态的字节码bytecode，然后在运行阶段对具体的平台做转换（将字节码翻译成目标平台的机器码）。所以ｊｉｔ，ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｒ，内存分配和回收，线程管理等都是为这个目标服务的。

JVM架构中的核心模块：

Java虚拟机的类加载机制，可以参考：[ＪＶＭ类加载][Link 1]

（１）Class loader和双亲委派模型

class loader提供了一种灵活的方式，帮助应用程序将字节码流以自定义的方式加载到虚拟机中。java虚拟机中通常存在几种class loader：

1)Bootstrap classloader

2)Extension classloader

3)System classloader

4)User classloader

Bootstrap classloader是ｃ/c++语言编写的，它所加载的类通常位于JAVA\_HOME/lib中，或者有-X bootclasspath指定，属于ｊａｖａ的核心实现部分。

Extension classloader负责jre扩展目录中的各种类的加载，如JAVA\_HOME/lib/ext目录下的内容。

System classloader　称为应用程序类加载器，用于加载ＣＬＡＳＳＰＡＴＨ中的各种类对象，

可以通过classloader.getSystemClassLoader()获取，如果应用程序没有提供自定义的classloader，默认情况下系统将使用system classloader来加载应用程序中的类。

user classloader是应用程序提供，通常继承自java.lang.ClassLoader，并按照规范实现其中的接口。

(2)Runtime Data　areas，

Ｊａｖａ的内存分配，可以参考：[Ｊａｖａ内存分配][Link 2]

jvm运行过程中所需的数据区域，包括stack,heap,MethodArea等多个部分。

其中Program counter register区是实现ｊａｖａ多线程管理的关键之一，每个ｊａｖａ虚拟机线程都需要彼此独立的ＰＣ寄存器。如果被执行的是ｎａｔｉｖｅ方法，ｐｃ寄存器实际是没有定义的，因为ｎａｔｉｖｅ代码可以被物理硬件直接识别并执行，此时不需要模拟的ｐｃ寄存器。

(3)堆和垃圾回收

垃圾收集算法，可以参考：[ｊｖｍ垃圾回收][Link 3]

堆内存的特点是进程独立、线程共享。堆内存最流行的垃圾回收算法是“分代垃圾回收”。

１）Young Generation，年轻代内存，又分为eden,s0,s1，

２）old Generation，老年代内存。

３）Permanent Generation，永久代内存，用于存储和类、方法相关的Ｍｅｔａ　Ｄａｔａ，不属于ｈｅａｐ的范围。

绝大多数对象都是在YoungGeneration（年轻代）被分配，也在YoungGeneration被回收。当YoungGeneration空间被填满时，GC会进行Minor Collection（次回收），这次的回收不涉及Heap中的其他Generation。

在Young Generation中，没有被回收的对象被转移到Tenured Generation，然后在Tenured Generation也会被填满，最终触发Major Generation（主回收），这次回收针对整个Heap。

YoungGeneration中幸存的对象被转移到TenuredGeneration（老年代），但是ConcurrentCollector线程在这里进行MajorCollection，而在回收任务结束前空间被耗尽了，这时会触发Full Collections（Full GC）。

因为TenuredGeneration 的majorCollection过程较慢，如果TenuredGeneration空间小于YoungGeneration，会造成频繁的MajorCollection，肯定影响效率。通常serverJVM中，Young Generation 和 Tenured Generation空间比例为1:2，也即是说Young Generation的Eden和Survivor空间之和是整个Heap的1/3，这个比例可以通过-XX:NewRation=n参数来控制。

PermGen，它是JVM用来存储无法在Java语言级描述的对象，这些对象分别是类和方法数据（与class loader有关），以及interned Strings（字符串驻留）。

对于Perm Gen，如果出现OOM，log：java.lang.OutOfMemoryError：PerGen space

实在找不出问题所在，可以使用JVM的-verbose参数，这个参数会在后台打印日志，用来查看那个class loader加载了什么类。

通过MAT工具，Open Query Browser à JavaBasics àClass loader Explorer 在Class loader Explorer面板，可以查看ClassLoader是否加载了过多的类。

什么样的对象会被GC回收？在GC发现通过任何reference chain（引用链）无法访问某个对象的时候，该对象即被回收。

通常GC Roots是一个在current thread（当前线程）的call stack（调用栈）上的对象（如方法参数、局部变量），或者是线程自身，或者是systemclass loader（系统类加载器）加载的类，及nativecode（本地代码）保留的活动对象。

StrongRef（强引用），通常创建的对象都是Strong Ref，于此对应的是强可达性，只有去掉强可达，对象才被回收。

SoftRef（软引用），对应软可达性，只要有足够的内存，就一直保持对象，直到发现内存吃紧且没有Strong Ref时才回收对象。一般可用来实现缓存，通过java.lang.ref.SoftReference实现。

WeakRef（弱引用），比SoftRef更弱，当发现不存在StrongRef时，立即回收对象而不必等到内存吃紧的时候，通过java.lang.ref.WeakReference和java.util.WeakHashMap类实现。

(4)Execution engine，执行引擎是虚拟机中的中枢系统，主流的ｊｖｍ一般支持多种执行方式：

１）java字节码解释执行，可以参考：[ｊｖｍ　字节码执行引擎][Link 4]

２）在运行阶段根据一定的算法将使用频率高的字节码编译成native code（ＪＩＴ）,然后执行。JIT(just in time)相对于ＡＯＴ的主要区别是JIT只有在程序运行过程中才会将部分热点代码编译成机器码(这在一定程度上加重了ｃｐｕ的负担)。

３）在编译阶段将字节码直接转换成机器码，类似于ＡＲＴ虚拟机的ＡＯＴ技术。

(5)基于寄存器和基于栈的ｊａｖａ虚拟机的实现

java虚拟机执行字节码有多种实现方式，用的较多的是基于寄存器和基于栈。

基于栈的方式：

１）单条指令更紧凑，优于ＪＶＭ执行的是字节码，不需要想基于寄存器的架构那样显性地指定源和目标，所以采用栈实现的方式可以减小单条指令的codesize；

２）可移植性强，基于寄存器的的虚拟机需要考虑很多与目标平台强相关的因素，如要根据硬件平台的真实寄存器的数量、他们的用途等，来实现虚拟机中的寄存器和真实世界中的寄存器之间的“映射关系”。相比来说，栈虚拟机没有这个考虑，所以通用性更好。

３）由于指令是基于栈来操作的，导致完成同一个任务所需的指令数比基于寄存器的架构要多。

４）从执行速度看，基于寄存器的架构更快。因为基于栈的方式需要更多的内存读写操作，而且需要更多的指令数。

ARTVM的框架：

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Ａｎｄｒｏｉｄ虚拟机的核心系统包括：Runtime,ClassLoader system ,Execution Engine System,Heap Manager,GC system,JIT,JNI环境等等。

Runtime，代表了虚拟机的运行时态，起到管理员的作用；

JavaVM，是对虚拟机的抽象，每个进程最多只有一个实例存在；

JNIEnv，负责jni机制，并且是线程相关的。

ClassLoader system,类加载器，又细分：Boot Classloader,system classloader,Dex Classloader等，所有被加载的类及其组成元素由Classlinker统一管理，为了实现类似于elf中的动态延迟加载效果，Android　vm使用了ｄｅｘｃａｃｈｅ机制；

Execution engine，执行引擎，除了字节码解释执行的方式，还有aot技术。在art中，Interpreter,jit,aot三种执行方式是共存的。

art和dalvik两个vm虽然差别很大，但是对于应用程序来说，没有特别的要求，几乎完全透明，真正的区分的地方是应用程序的安装阶段：

Dalvik，如果当前系统配置的是dalvik，在应用程序安装阶段要对ｄｅｘ文件做odex优化，就是利用dexopt工具来生成odex文件。对于rom中的应用程序，即预装的，优化过程在编译阶段完成；对于第三方应用，在安装时由install系统负责优化，结果保存在/data/Dalvik-cache目录下，后缀是.odex。

art:如果配置的ＡＲＴ，应用安装阶段也有一次预处理，类似dalvik，只是art预处理使用的工具是dex2oat，输出的是linux标准执行文件elf file。

[Link 1]: http://blog.csdn.net/lin20044140410/article/details/78843873
[Link 2]: http://blog.csdn.net/lin20044140410/article/details/79060053
[Link 3]: http://blog.csdn.net/lin20044140410/article/details/78806297
[Link 4]: http://blog.csdn.net/lin20044140410/article/details/78865937
[2018021206425564]: /images/20220531/6b39116696084efe89a402d24c0a31e2.png